Cr12MoV鋼表面激光熔覆稀土改性鐵基復(fù)合涂層的性能

董曉傳， 潘高峰， 李 洋， 吳潤謀， 周 正， 張曉艷

(1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車模具智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 天津 300222；2. 天津市天鍛壓力機(jī)有限公司， 天津 300402)

在經(jīng)歷近30年的持續(xù)增長之后，汽車產(chǎn)業(yè)逐步邁進(jìn)輕量化、網(wǎng)聯(lián)化及智能化的競(jìng)爭(zhēng)新時(shí)代，同時(shí)對(duì)汽車模具也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求。傳統(tǒng)汽車模具沖壓次數(shù)一般為50萬次，但在實(shí)際使用中，往往由于載荷分布不均等問題，導(dǎo)致模具局部出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或變形，造成結(jié)構(gòu)早期失效，進(jìn)而影響生產(chǎn)進(jìn)度，增加了生產(chǎn)成本[1-3]。激光熔覆技術(shù)是解決該類問題的有效方法之一，其與熱噴涂技術(shù)相比，具有熱影響區(qū)小、熔覆層組織致密、冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)。該工藝通過在模具關(guān)鍵位置增加激光熔覆涂層，從而達(dá)到增強(qiáng)模具基體強(qiáng)度、提高硬度及耐磨性的目的。因此，激光熔覆技術(shù)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。

薛鵬等[4]研究了稀土氧化物CeO2對(duì)TC4+Ni45材料體系激光熔覆層微觀組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著CeO2的加入，熔覆層的硬度先增大后減小，當(dāng)添加CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和1%時(shí)，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損，當(dāng)添加CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。張光耀等[5]在6063Al合金表面利用激光熔覆技術(shù)制備了添加不同含量La2O3的Ni60合金熔覆層。結(jié)果表明，加入適量的La2O3能有效減少熔覆層中的氣孔和裂紋，熔覆層的生成相分布均勻，晶粒細(xì)化作用明顯。任仲賀等[6]研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiO2和CeO2的Ni基激光熔覆層，研究表明TiO2和CeO2兩種納米顆粒共同作用可綜合發(fā)揮兩者的性能，增強(qiáng)熔覆層的耐蝕性。Weng等[7]研究表明，CeO2對(duì)鈦合金表面制備的多相增強(qiáng)Co基熔覆層的相組成沒有顯著影響，但對(duì)其顯微組織、顯微硬度和抗磨損性能改善明顯。Zhang等[8]采用激光熔覆技術(shù)在TC4合金表面原位制備了Y2O3顆粒增強(qiáng)Ni/TiC涂層，結(jié)果表明，Y2O3顆粒均勻分布于整個(gè)重熔層中，涂層最高顯微硬度可達(dá)1380 HV。Zhu等[9]研究了Y2O3的加入對(duì)激光熔覆Al-Cu涂層顯微組織的影響，結(jié)果表明，添加Y2O3的Al-Cu涂層顯微硬度、耐磨性和耐蝕性有了很大的提高。傅耀坤等[10]研究稀土氧化物對(duì)6063Al合金表面Ni基激光熔覆層組織結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦磨損性能的影響。研究表明，添加不同稀土氧化物的Ni60熔覆層呈現(xiàn)細(xì)密的、均勻分布的枝晶，無明顯氣孔，其晶粒較不含稀土的Ni60熔覆層明顯細(xì)化，硬度提高，且磨損面磨損程度減小。

通過上述研究不難發(fā)現(xiàn)，熔覆層中添加適量的特殊元素及其氧化物可以改善其組織與性能，對(duì)提高基體使用壽命和降低生產(chǎn)成本有著重要的作用[11-14]。然而，目前針對(duì)鐵基粉末中稀土氧化物的加入對(duì)常用汽車模具鋼熔覆層的研究鮮見報(bào)道。本文采用激光熔覆方法在Cr12MoV鋼模具材料基體上，熔覆加入了稀土氧化物CeO2的Fe基粉末，研究不同含量CeO2對(duì)涂層顯微組織、顯微硬度及耐磨性的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中汽車模具材料的局部修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文熔覆基體材料為汽車覆蓋件模具中常用的Cr12MoV合金，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。熔覆材料為CMC-P Magic2鐵基合金粉，粉末粒徑53～150 μm，成分如表1所示。選擇的稀土氧化物為納米CeO2，純度99.9%，納米CeO2的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別設(shè)置為0%、0.25%、0.5%、0.75%及1%。

表1 CMC-P Magic2合金粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the CMC-P Magic2 alloy powder (mass fraction, %)

試驗(yàn)前將熔覆基體材料的待熔覆區(qū)域采用砂紙打磨，然后用丙酮清理。采用IPG激光器對(duì)試樣進(jìn)行熔覆，選取激光功率為1500 W，掃描速度為15 mm/s，激光光斑直徑為φ2.5 mm，送粉速度為0.6 r/min，同軸送粉的氬氣流量約為5 L/min，并采用氬氣對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，流量約為2 L/min，多道搭接率為50%。

采用線切割將5種不同CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熔覆試樣根據(jù)不同試驗(yàn)要求，切制成相應(yīng)尺寸的試塊，然后依次進(jìn)行光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及EBSD觀察，顯微硬度及摩擦磨損試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

圖1為通過Axio蔡司光學(xué)顯微鏡獲得的單道熔覆層與基體結(jié)合的形貌。由圖1可知，由于熔覆過程中，基體各處對(duì)激光輻射能量的吸收率不同，導(dǎo)致熔覆層與基體的結(jié)合處呈現(xiàn)弧形結(jié)構(gòu)，且熔覆層的高度一般在1042 μm左右。

圖1 單道熔覆試樣截面形貌Fig.1 Cross section morphology of the single track clad specimen

采用蔡司Sigma 300場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析截取試樣熔覆層、熔合區(qū)及基體的微觀組織結(jié)構(gòu)。圖2為不同CeO2含量的熔覆試樣截面微觀形貌。從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，沿著熔覆截面能夠清晰分辨出熔覆層、熔合區(qū)、熱影響區(qū)及基體區(qū)域，其中，熔覆區(qū)晶粒尺寸較大，熔合區(qū)晶粒細(xì)小。當(dāng)熔覆粉末中未添加CeO2時(shí)，熱影響區(qū)寬度約為167 μm，而加入0.25%CeO2之后，熱影響區(qū)寬度增大了58.7%，達(dá)到265 μm，并且隨著CeO2含量的增加，熱影響區(qū)的寬度也有所增加，但增加幅度不大。同時(shí)，由于單道熔覆時(shí)，受到光斑直徑的影響，熔合區(qū)中部吸收了更多的能量，兩側(cè)能量密度低、溫度也低，從而導(dǎo)致熔合區(qū)中部呈現(xiàn)外凸形狀。

圖2 不同CeO2含量的熔覆試樣截面形貌Fig.2 Cross section morphologies of the clad specimen with different contents of CeO2(a) 0%; (b) 0.25%; (c) 0.5%; (d) 0.75%; (e) 1%

圖3為不同CeO2含量的熔覆層截面晶粒取向圖。由圖3可知，熔覆層處晶粒取向各異，沒有明顯一致方向，各晶粒呈細(xì)長狀，且指向清晰，均由熔合區(qū)指向熔覆層中心位置，這是由于熔覆時(shí)，激光輻射的能量沿著鐵基粉末傳遞到基體材料，導(dǎo)致晶粒呈現(xiàn)細(xì)長放射狀。此外，隨著CeO2含量的增加，晶粒尺寸有所減小，晶粒結(jié)構(gòu)中等軸晶的占比有所增加。

圖3 不同CeO2含量的熔覆試樣熔覆層晶粒取向圖Fig.3 Grain orientation diagrams of clad layer of the clad specimen with different contents of CeO2(a) 0%; (b) 0.25%; (c) 0.5%; (d) 0.75%; (e) 1%

圖4為不同CeO2含量熔覆試樣的熔合區(qū)截面晶粒取向圖。由圖4可知，相比熔覆層及基體組織結(jié)構(gòu)，該區(qū)域的晶粒尺寸更小，為1.6～1.8 μm，這是因?yàn)槿鄹策^程中激光熔化的液滴遇到常溫的基體，具有較大的過冷度，生成了針狀馬氏體。

圖4 不同CeO2含量的熔覆試樣熔合區(qū)晶粒取向圖Fig.4 Grain orientation diagrams of fusion zone of the clad specimen with different contents of CeO2(a) 0%; (b) 0.25%; (c) 0.5%; (d) 0.75%; (e) 1%

2.2 顯微硬度分析

顯微硬度是熔覆層的重要性能指標(biāo)之一。本文通過HXD-1000TMC/TD顯微硬度計(jì)分析研究不同CeO2含量的熔覆試樣的硬度，截取硬度試樣尺寸為25 mm×25 mm×10 mm，載荷砝碼200 g，加載時(shí)間10 s。以熔合區(qū)中心處為起點(diǎn)，沿著試樣的厚度方向每間隔100 μm，依次向熔覆層和基體處打點(diǎn)測(cè)量顯微硬度，測(cè)量結(jié)果如圖5(坐標(biāo)負(fù)值為熔覆層側(cè)，正值為基體側(cè))所示。由圖5可知，5種不同CeO2含量的試樣均呈現(xiàn)類似的硬度分布趨勢(shì)，即硬度數(shù)值在熔合區(qū)中心處最大，向兩側(cè)硬度數(shù)值降低，且熔覆層一側(cè)的硬度值降幅較小，而向基體一側(cè)延伸的硬度值下降幅度較大。

圖5 不同CeO2含量的熔覆試樣顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of the clad specimen with different contents of CeO2

同時(shí)注意到，5種不同CeO2含量的試樣硬度曲線規(guī)律又不盡相同。首先，隨著CeO2含量的增加，試樣的硬度也隨之增大，在融合區(qū)中心處，相比于未添加CeO2時(shí)相比，CeO2含量為1%時(shí)的硬度提高了22.2%，達(dá)到了622 HV0.2；其次，在熔覆層一側(cè)，無CeO2添加的試樣，其硬度基本保持在380 HV0.2左右，未出現(xiàn)明顯變化，且隨著CeO2含量的增加，熔覆層區(qū)域硬度波動(dòng)幅度也逐漸增大，其中CeO2含量1%的試樣波動(dòng)最為劇烈；同時(shí)，未添加CeO2時(shí)，熔覆層區(qū)域的平均硬度為381.23 HV0.2，添加CeO2含量為1%時(shí)的平均硬度為461.62 HV0.2，平均硬度增幅達(dá)到22.1%；最后，在基體側(cè)，不同CeO2含量試樣的硬度降幅不同，亦即熱影響區(qū)的寬度不同，CeO2含量越高，基體處硬度下降越緩慢，該規(guī)律亦可從圖2的熔覆試樣截面形貌得以反映。

究其原因，一方面，鐵基粉末中的Cr、C、V等合金元素，經(jīng)過激光加熱，迅速擴(kuò)散在熔池之中，形成新的化合物并作為硬質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)，CeO2分解后產(chǎn)生的Ce原子會(huì)在晶界、位錯(cuò)等處擴(kuò)散和偏聚，以降低體系的吉布斯自由能，從而導(dǎo)致晶粒生長的驅(qū)動(dòng)力減弱，進(jìn)而細(xì)化熔覆層組織，晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)的晶粒邊界越多，晶粒邊界對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越顯著，硬度越高[15]，因此CeO2含量越高，熔覆層的硬度越大；另一方面，曲線中的峰值位置位于熔合區(qū)附近，該處屬于完全淬火區(qū)，無回火過程，且靠近基體，Cr、C等元素含量更高，與其反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物，成為新的形核質(zhì)點(diǎn)，故此處硬度值最大，且隨著加入的CeO2含量的升高，Ce原子在晶界及位錯(cuò)的偏聚更為劇烈，致使硬度分布也不均勻[16]。

2.3 熔覆層的摩擦磨損分析

通過Bruker UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用搭接率為50%的多道熔覆層試樣，研究不同CeO2含量的熔覆試樣的耐磨性及摩擦因數(shù)，摩擦方式采用常溫下的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)試時(shí)間1 h，測(cè)試載荷30 N，測(cè)試速度50 mm/s，摩擦行程為12 mm。

圖6為不同CeO2含量熔覆試樣的摩擦因數(shù)。由圖6可知，各試樣進(jìn)入摩擦穩(wěn)定階段之后，不同CeO2含量試樣的摩擦因數(shù)均隨著摩擦?xí)r間的增加而增大，但增幅不盡相同。在未添加CeO2的熔覆試樣中，隨著摩擦?xí)r間的延長，摩擦因數(shù)緩慢升高，到60 min 時(shí)，增長約為24.1%；而隨著0.25%CeO2的加入，摩擦因數(shù)前期增長緩慢，在摩擦試驗(yàn)進(jìn)行約13 min后，摩擦因數(shù)迅速升高，到60 min時(shí)，增幅達(dá)到58.7%；隨著CeO2含量的進(jìn)一步增多，摩擦因數(shù)的增幅隨著CeO2含量的增加而減緩，CeO2含量為1%的試樣，摩擦因數(shù)增幅僅25.5%。

圖6 不同CeO2含量的熔覆試樣的摩擦因數(shù)Fig.6 Friction coefficient of the clad specimen with different contents of CeO2

此外，由圖6中還能發(fā)現(xiàn)，未添加CeO2的熔覆層摩擦因數(shù)最低，加入不同含量的CeO2后，熔覆層的摩擦因數(shù)均較未添加CeO2的熔覆層的摩擦因數(shù)大，且隨著CeO2含量的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，直到含量達(dá)到1%時(shí)，摩擦因數(shù)與無CeO2的熔覆層相近。這表明，CMC-P Magic2鐵基熔覆層加入少量的CeO2后，會(huì)使熔覆層的摩擦因數(shù)有所增大，但隨著CeO2含量的進(jìn)一步提高，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其原因是，第一，熔覆層在接觸載荷作用下，遭受長時(shí)間反復(fù)摩擦作用，產(chǎn)生大量摩擦熱，致使接觸區(qū)域溫度升高，進(jìn)而增強(qiáng)了Fe、C、Cr等元素的化學(xué)活性，從而易于在接觸表面形成相應(yīng)的氧化物，不利于摩擦因數(shù)的降低，因此隨著接觸作用的持續(xù)進(jìn)行，摩擦因數(shù)隨之逐漸升高[17]；第二，CeO2的加入能夠降低晶體形核時(shí)所需的臨界形核功，增加形核率，細(xì)化晶粒的同時(shí)，也在熔覆層中形成眾多硬質(zhì)點(diǎn)[18]，相較未添加CeO2的鐵基粉末，提高了接觸運(yùn)動(dòng)中的摩擦因數(shù)，然而隨著CeO2含量的提高，CeO2通過拖拽晶界進(jìn)一步限制晶粒長大，使得晶粒細(xì)小，提高界面塑性，減小摩擦因數(shù)，因此又導(dǎo)致后續(xù)CeO2含量高的試樣摩擦因數(shù)有所降低。

采用OLS5000型3D測(cè)量激光顯微鏡對(duì)上述5種試樣進(jìn)行磨損檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示，獲得不同CeO2含量的熔覆層磨損形貌云圖及磨損截面輪廓，進(jìn)而得到相應(yīng)的磨損體積。

圖7 不同CeO2含量的熔覆試樣熔覆層磨損形貌云圖及磨損截面輪廓Fig.7 Cloud images of clad layer wear morphologies and profiles of worn section of the clad specimen with different contents of CeO2(a) 0%; (b) 0.25%; (c) 0.5%; (d) 0.75%; (e) 1%

通過對(duì)比可知，其中磨損體積最多的為未添加CeO2的熔覆層，其數(shù)值為17 549.2 μm3，與之相對(duì)應(yīng)的，磨損體積最小的是1%CeO2含量的熔覆層，其數(shù)值為9887.9 μm3，0.25%、0.5%和0.75% CeO2含量的熔覆層磨損體積依次為14 836.1、11 284.9和10 118.2 μm3。不難發(fā)現(xiàn)，隨著CeO2含量的增大，熔覆層磨損體積降低，表明CeO2的加入有利于提高熔覆層材料的耐磨性。這是由于，根據(jù)Archard理論[19]，當(dāng)摩擦載荷和摩擦距離一定時(shí)，磨損量與熔覆層硬度成反比，因此熔覆層硬度越高，其耐磨性就越好；另外，添加CeO2后，有利于熔覆層組織結(jié)構(gòu)的形核，使得CeO2含量越多的試樣獲得的組織也更為細(xì)化、均勻，由霍爾-佩奇公式[20]可知，當(dāng)熔覆層晶粒細(xì)化之后，在提高熔覆層強(qiáng)度及硬度的同時(shí)，也增強(qiáng)了熔覆層金屬的塑性與韌性，從而使得試樣在受到摩擦磨損時(shí)，不易出現(xiàn)大量的剝落現(xiàn)象，因此進(jìn)一步提高了熔覆層的耐磨性能，且偏聚于晶界的CeO2在阻礙晶界移動(dòng)的同時(shí)，能夠降低晶界脆性，從而增強(qiáng)熔覆層的耐磨性[21]，這也是導(dǎo)致圖7(e)的磨損輪廓較為平滑的主要原因。

綜上，適量CeO2的加入有利于提高Cr12MoV鋼表面熔覆層的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，有利于提高汽車模具關(guān)鍵部位的工作壽命。

3 結(jié)論

1) 隨著CeO2的加入，CMC-P Magic2鐵基合金粉與Cr12MoV鋼的熱影響區(qū)寬度較未添加CeO2的試樣寬度顯著增加，且隨著CeO2含量的增加，熱影響區(qū)的增幅很小。此外，不同CeO2含量試樣的熔覆層及熔合區(qū)中的晶粒取向各異，沒有明顯一致方向。

2) CeO2含量越高，熔覆試樣的硬度也越大，當(dāng)CeO2含量為1%時(shí)，試樣熔覆層的平均硬度較未添加CeO2的試樣提高了22.1%，硬度數(shù)值波動(dòng)也越劇烈，且熱影響區(qū)的寬度也越大，基體處硬度下降越緩慢。

3) CeO2含量低于1%時(shí)，熔覆層的摩擦因數(shù)均高于未添加CeO2的熔覆層結(jié)構(gòu)。當(dāng)CeO2含量達(dá)到1%時(shí)，其熔覆層摩擦因數(shù)與未添加CeO2的熔覆層相當(dāng)，但耐磨效果有明顯提升，磨損體積相對(duì)減小了43.66%。