激光熔覆HSS涂層滾滑動摩擦磨損及熱疲勞損傷研究

何云斌, 柯慶鏑, 蔚 辰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

軋輥作為軋鋼設(shè)備的核心消耗部件,軋輥的狀態(tài)和壽命決定著軋鋼效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 由于熱軋輥在軋制過程中承受巨大的擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力及冷熱循環(huán)造成的熱應(yīng)力,軋輥極易產(chǎn)生疲勞失效,降低使用壽命。 因此軋輥必須具備耐磨、耐蝕、抗熱疲勞等綜合性能,以保證軋制效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 軋輥失效部位主要分布在表面,且工作層只占軋輥總質(zhì)量的10%～15%,因此退役后的軋輥具有很高的再制造價值,對其進行再制造修復(fù)具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

目前常用的再制造修復(fù)方法有等離子噴焊、熱噴涂、堆焊、激光熔覆等,其中利用激光熔覆技術(shù)制備的涂層具有稀釋率低、熱影響區(qū)小、與基體呈冶金結(jié)合、成形質(zhì)量好等優(yōu)點,可顯著提高基體的耐磨性、耐蝕性、耐熱性。 文獻[1]通過激光熔覆技術(shù)制備的高速鋼(high-speed steel,HSS)涂層組織致密、無氣孔、裂紋,且具有較強的耐磨性;文獻[2]在高鉻鑄鐵軋輥上激光熔覆50%Cr3C2和50%的Ni-Cr合金粉末,優(yōu)化工藝參數(shù)后熔覆層硬度和耐磨性得到顯著提高;文獻[3]為延長軋輥使用壽命,通過正交試驗和灰色關(guān)聯(lián)分析法得到激光熔覆再制造最優(yōu)工藝參數(shù),結(jié)果表明優(yōu)化參數(shù)后的涂層稀釋率降低、硬度和耐磨性明顯提高;文獻[4]為提高鑄軋輥輥套的使用壽命,在輥套表面激光熔覆鈷基合金,結(jié)果表明熔覆層具有優(yōu)異的耐高溫摩擦磨損性能。

磨損作為軋輥的主要失效形式,目前已有學(xué)者對軋輥磨損行為進行了研究。 文獻[5-6]研究高釩高速鋼在常溫軋制條件下的磨損行為,研究表明高釩高速鋼主要是接觸疲勞磨損,且滑動率對其摩擦磨損行為有顯著影響;文獻[7]研究滾滑動熱磨損條件下離心鑄造生產(chǎn)的高速鋼和鑄鐵的磨損性能,結(jié)果表明高接觸溫度導(dǎo)致硬質(zhì)氧化層的形成,可明顯降低磨損率;文獻[8]在400、500、600 ℃干燥和濕潤環(huán)境下,研究工作輥用高速鋼的摩擦磨損與氧化之間的關(guān)系;文獻[9]在25、500 ℃下研究激光熔覆HSS涂層和鑄造高速鋼的滑動磨損性能,結(jié)果表明磨損機制主要以磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損為主;文獻[10]研究熱軋工作輥不同材料的磨損情況,結(jié)果表明相比于高鉻鑄鐵、無限冷硬鑄鐵,由于HSS具有較高的熱硬度,磨損率明顯降低;文獻[11]通過激光熔覆技術(shù)在1045碳鋼上制備M2高速鋼涂層,利用銷盤磨損試驗機研究了M2高速鋼涂層耐磨性和磨損機理,結(jié)果表明M2高速鋼涂層的磨損以磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損為主;文獻[12]研究CaTi改性高硼高速鋼的高溫磨損行為,結(jié)果表明,在常溫和200 ℃下高速鋼主要是粘著剝落,在600 ℃高溫下主要是氧化剝落。

雖然不少學(xué)者對軋輥用高速鋼的耐磨性能做了一些研究,但關(guān)于其在滾滑動摩擦磨損及熱疲勞損傷方面的研究很少。 因此本文采用激光熔覆技術(shù)在球墨鑄鐵上制備高速鋼涂層,并通過模擬熱軋工作輥實際工況,研究表面接觸溫度對高速鋼涂層滾滑動摩擦磨損及熱疲勞損傷的影響。

1 試 驗

1.1 試驗材料

激光熔覆粉末為成都華寅粉體科技有限公司生產(chǎn)的W6Mo5Cr4V4高速鋼粉末,粒徑為53～150 μm,具體化學(xué)成分及其質(zhì)量分數(shù)見表1所列。 所用基體材料為熱軋輥芯部常用的球墨鑄鐵QT700-2,尺寸為φ37 mm×50 mm。 激光熔覆前用丙酮和無水乙醇對基體進行除污處理,暖風(fēng)吹干后預(yù)熱至200 ℃,粉末放入干燥箱內(nèi)進行干燥備用。 熔覆設(shè)備采用南京輝銳光電科技有限公司開發(fā)的激光設(shè)備,激光器為美國IPG公司生產(chǎn)的YLS-4000-S2T光纖激光器。 激光熔覆時采用正交試驗優(yōu)化后的工藝參數(shù),激光功率為1 300 W,掃描速度為720 mm/s,送粉速度為14 g/min,搭接率為50%,光斑直徑為3 mm,噴嘴高度為9 mm,保護氣體氬氣流量為4 L/min。 通過線切割將試樣進行切割,磨拋后用4%硝酸酒精侵蝕制取,并用XDS-3MET型金相顯微鏡對其顯微組織進行觀察。

表1 M4高速鋼粉末的化學(xué)成分及其質(zhì)量分數(shù) %

1.2 磨損試驗

磨損試驗在高溫滾滑動摩擦磨損與熱疲勞試驗機上進行,試驗機工作原理如圖1所示。

圖1 磨損試驗機工作原理

試件輥為560 ℃一次回火后的HSS涂層,尺寸為φ40 mm×10 mm,加載輥為45號鋼,尺寸為φ60 mm×15 mm。 采用感應(yīng)加熱銅管將加載輥加熱至950 ℃左右,采用紅外測溫槍和紅外熱成像儀進行測溫。 試驗載荷為2 500 N,此時接觸應(yīng)力約為700 MPa,與實際軋制壓力接近。 軋制過程中存在軋輥轉(zhuǎn)動、軋件運動及自身金屬塑性變形流動,會導(dǎo)致滑動現(xiàn)象的出現(xiàn),本文取滑滾比為5%。 通過前期試驗,高速鋼涂層分別在軋制轉(zhuǎn)速為5、10、20 r/min的條件下進行磨損試驗,此時涂層表面接觸溫度分別約為440、525、580 ℃,與熱軋工作輥實際表面接觸溫度一致[13]。 試驗過程為5 000 r/次,共計20 000 r。 采用3D激光測量顯微鏡測量和觀察磨損表面輪廓及粗糙度。 使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)進行磨損表面形貌的表征,應(yīng)用SEM上配備的能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)測定磨損表面的化學(xué)成分。

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織與維氏硬度

回火后的高速鋼涂層橫截面顯微組織如圖2所示。 從圖2可以看出,涂層無孔洞、裂紋等缺陷,涂層和基體呈良好的冶金結(jié)合。 采用SEM和EDS表征高速鋼涂層中不同碳化物的尺寸、形態(tài)、元素分布,如圖3所示。

圖2 高速鋼涂層顯微形貌

圖3 涂層SEM照片和EDS面掃描圖像

由圖3可知:涂層顯微組織主要由馬氏體基體、殘余奧氏體和MC和M2C碳化物等組成;其中MC碳化物呈粒狀、條狀,富含V;而M2C碳化物呈塊狀、層狀形態(tài),富含W、Mo。

HSS涂層回火后橫截面的維氏硬度HV0.5分布如圖4所示。

圖4 涂層維氏硬度分布

從圖4可以看出,涂層維氏硬度分為熔覆區(qū)、熱影響區(qū)及基體3部分。 涂層維氏硬度明顯高于熱影響區(qū)和基體的硬度,分布較為均勻,平均維氏硬度為823 HV0.5。 涂層維氏硬度較高的原因是其在快速冷凝過程晶粒生長較慢,細小且致密。 此外涂層內(nèi)固溶了較多合金元素,組織為大小均勻的等軸晶,且組織主要由馬氏體基體和由各種金屬元素形成的碳化物組成,如MC、M2C。 涂層結(jié)合處硬度較高,主要是在激光束高能量下基體被加熱,體內(nèi)的球狀石墨發(fā)生擴散,與涂層內(nèi)的合金元素結(jié)合生成了較硬的碳化物。 熱影響區(qū)維氏硬度較基體有所提高,主要是激光熔覆時該區(qū)域溫度迅速升高,冷卻過程中組織發(fā)生了馬氏體相變,晶粒細化,維氏硬度提高。 因此,在馬氏體強化、細晶強化、固溶強化及MC等硬質(zhì)碳化物的綜合作用下,涂層維氏硬度得到明顯提高。

2.2 摩擦因數(shù)及磨損量

HSS涂層在不同表面接觸溫度下磨損時的摩擦因數(shù)如圖5所示。

圖5 不同表面接觸溫度下涂層摩擦因數(shù)

從圖5可以看出,摩擦因數(shù)曲線均可分為2個階段:初始磨合階段和穩(wěn)定磨損階段。 在初始磨合階段,由于涂層表面存在刀痕,有較多裸露的顆粒,同時涂層表面存在一定起伏,導(dǎo)致涂層的摩擦系數(shù)較高且波動較大。 經(jīng)過一段時間的磨合后,涂層表面被磨平,在200 s左右各摩擦因數(shù)均進入了穩(wěn)定磨損階段。 通過計算磨損試驗200 s后各摩擦因數(shù)平均值,可得涂層表面接觸溫度分別為440、525、580 ℃時,穩(wěn)定磨損階段HSS涂層平均摩擦因數(shù)分別約為0.22、0.17、0.13。 表明隨涂層表面接觸溫度的升高,摩擦因數(shù)逐漸減小,這與HSS涂層表面生成的氧化膜面積增大有關(guān)。

不同表面接觸溫度下涂層磨損量隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖6所示。

圖6 不同表面接觸溫度下涂層的磨損量

由圖6可知,表面接觸溫度分別為440、525、580 ℃時,涂層總磨損量分別為166、86、55 mg,涂層在不同表面接觸溫度下的磨損量均較少,說明高速鋼涂層具有很好的高溫耐磨性。 表面接觸溫度為525、580 ℃時,涂層磨損量較小,表面接觸溫度為440 ℃時,磨損量相對較多,主要是溫度較高時涂層表面生成了氧化膜,起到保護作用,有效降低了磨損率。 在3種不同表面接觸溫度下,隨著磨損時間的推移,磨損量近似為線性關(guān)系,說明涂層處于穩(wěn)定磨損階段。

2.3 磨損機制分析

涂層初始表面三維形貌與不同表面接觸溫度下HSS涂層磨損表面三維形貌如圖7所示。 涂層初始表面粗糙度為0.838 μm。 涂層表面接觸溫度分別為440、525、580 ℃時,磨損后其表面粗糙度分別為0.756、0.494、0.255 μm。 HSS涂層磨損后的SEM形貌如圖8所示。

從圖8可以看出,表面接觸溫度為440 ℃時,涂層磨損較為嚴重,磨損表面有明顯基體被磨損后形成的黑色凹坑及裸露在外面的白色碳化物,涂層主要是疲勞磨損和輕微氧化磨損。 表面接觸溫度為525 ℃時,磨損表面主要有疲勞鱗片、顯微裂紋以及氧化剝落,其磨損機制為疲勞磨損和氧化磨損,主要是由于涂層表面部分氧化膜脫落破碎,其與45號鋼上脫落的氧化鐵皮碎片共同磨損試樣。 表面接觸溫度為580 ℃時,涂層表面生成了致密、穩(wěn)定的氧化膜,對涂層具有良好的保護作用,因此涂層磨損輕微,只有少量片狀剝落,其磨損機制以氧化磨損為主。

采用SEM附帶的EDS對涂層磨損表面進行面掃描分析可知,高速鋼涂層磨損表面發(fā)生了不同程度的氧化,表面氧化情況如圖9所示。 涂層磨損后表面主要及其質(zhì)量分數(shù)見表2所列,涂層表面接觸溫度分別為440、525、580 ℃時,磨損表面氧元素質(zhì)量分數(shù)分別為5.8%、10.9%、13.8%,這表明涂層磨損表面氧化程度隨表面接觸溫度升高而增加。

表2 涂層磨損表面主要元素質(zhì)量分數(shù) %

不同表面接觸溫度下涂層磨損表面的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知,涂層表面接觸溫度為440 ℃時,磨損表面主要由α-Fe及碳化物組成。 涂層表面接觸溫度為525、580 ℃時,由于高速鋼涂層表面生成了一定面積的氧化膜,涂層磨損表面主要由Fe2O3、Fe3O4和各種合金碳化物組成。

3 分析與討論

熱軋輥氧化膜開裂和剝落由內(nèi)因和外因組成。 內(nèi)因主要是氧化膜和金屬基體熱膨脹系數(shù)不一樣,在軋制過程中軋輥處于冷熱循環(huán)的工作環(huán)境,氧化膜容易產(chǎn)生熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力累積到一定程度后,氧化膜內(nèi)產(chǎn)生裂紋。 在擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、摩擦力的外因作用下,裂紋加速擴展,最后在軋輥與軋件間的摩擦磨損過程中逐漸脫落破碎。 在軋輥實際軋制過程中,高速鋼軋輥氧化膜的形成和剝落是一個動態(tài)的平衡過程,氧化膜的存在降低了摩擦因數(shù)、減小了磨損量,但同時氧化膜的剝落過程帶走了軋輥工作層材質(zhì),造成氧化磨損。

在不同表面接觸溫度下,高速鋼涂層試樣磨損量都比較少。 這是由于高速鋼涂層中存在大量高溫耐磨性強的MC等硬質(zhì)碳化物,其抵抗塑性變形能力強,有效防止了軋制材料對涂層基體的過度磨損。 此外,在水冷的情況下,涂層表面生成了一層水膜,導(dǎo)致涂層表面粗糙度減小,摩擦力減小,磨損減輕。

隨著表面接觸溫度的升高,涂層表面氧化程度增加,氧化膜面積增大,摩擦因數(shù)變小,磨損減輕,磨損量減少。 涂層表面接觸溫度為440 ℃時,磨損量相對較多。 主要是由于在大的接觸應(yīng)力下相對較軟的馬氏體基體磨損較多,脫落的基體金屬碎片與45號鋼脫落的氧化鐵皮碎片及其他磨粒共同磨損試樣,試樣磨損較為嚴重,涂層表面MC等硬質(zhì)碳化物逐漸裸露出來,表面粗糙度增大,摩擦力增大,涂層磨損量增多。 涂層表面接觸溫度為525、580 ℃時,磨損量少,表面粗糙度小。 主要是由于在較高溫度下涂層表面生成了較為均勻致密的氧化膜,改善了涂層表面狀態(tài),表面粗糙度減小,降低了摩擦因數(shù)、抑制了磨粒的犁削作用,涂層磨損減輕和氧化膜的生成共同降低了涂層的磨損量。 因此,涂層表面的氧化膜起到了較好的減磨作用,有效降低了磨損率。

4 結(jié) 論

本文利用激光熔覆技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備M4高速鋼涂層,并對其進行顯微組織和顯微硬度分析。 此外,通過模擬熱軋精軋軋輥實際工況,研究表面接觸溫度對高速鋼涂層摩擦磨損及熱疲勞損傷的影響,結(jié)論如下:

1) 采用激光熔覆技術(shù)制備的高速鋼涂層無孔洞、裂紋等缺陷,組織致密,與基體之間呈良好的冶金結(jié)合。 涂層主要由馬氏體基體、殘余奧氏體和MC、M2C等碳化物組成。

2) 在不同表面接觸溫度下進行磨損試驗,涂層表面均有不同程度的氧化。 在一定表面接觸溫度范圍內(nèi),溫度越高,氧化程度越高,氧化膜越均勻、致密,涂層磨損量越小。 涂層表面接觸溫度分別為440、525、580 ℃時,磨損表面氧元素質(zhì)量分數(shù)分別為5.8%、10.9%、13.8%。

3) 高速鋼涂層在表面接觸溫度為440 ℃時,磨損機制主要為疲勞磨損; 525 ℃時,涂層磨損機制表現(xiàn)為疲勞磨損、氧化磨損; 580 ℃時,涂層主要以氧化磨損為主。