Fe-C合金表面激光熔覆制備耐磨涂層的研究

文/王維榮 蚌埠技師學院

前言

金屬材料的磨損、腐蝕問題一直的材料科學工作者致力于解決的難題，為滿足工作在復雜工況條件下耐蝕、抗磨性能的要求，除努力改善材質和優化結構設計外，更多的工作是研究在零件表面制備具有特殊性能的強化層。激光熔覆作為一種同時改變零件表面成分和性能的技術，兼具激光加工與表面涂層技術的優點，是目前改性領域研究最為活躍的一種新技術。Fe基合金激光熔覆是研究較多、經濟性較好的一種方法。本文以Fe基合金熔覆粉末為熔覆材料，用激光熔覆在Fe-C合金表面制備耐磨性良好的熔覆層。

1 實驗過程

在灰鑄鐵、45鋼表面做單道預置粉激光熔覆實驗。把按一定配比配制的熔覆粉末研磨均勻，調制成糊狀預涂覆在加工清洗過的試樣表面，預涂覆厚度1.4～2.0mm，干燥待用。實驗采用3KWCO2激光器，光斑直徑D=3.5～5mm，側吹保護氣保護熔池。

用電火花切割機沿垂直激光掃描方向切下小塊試樣，制備金相試樣供金相組織觀察和硬度測試。將實驗中不同激光熔覆方案制備的環塊磨損試樣完成精磨加工，在MHK-500環塊磨損試驗機上按標準規范做摩擦學對比實驗，試驗用環為淬火態GCr15鋼（洛氏硬度HRC58～62）。

2 實驗結果

2.1 組織形貌

實驗表明，在鋼和鑄鐵表面激光熔覆均能獲得連續、光滑、缺陷少或無缺陷的激光熔覆層。熔覆層堆高一般為0.9～1.4mm，單道寬度4.5mm。圖1為熔覆道橫截面形貌，自上而下分別為熔覆區、熔合區、熱影響區和基體。金相顯微鏡下觀察熔覆層組織為細小的近共晶介穩組織（圖2），奧氏體枝晶逆熱流方向由熔池底部向熔池內生長，個別粗大枝晶從熔池底部一直長到熔池中部。

圖1-熔覆層橫斷面形貌（17X）

圖2-熔覆層近共晶組織（200X）

2.2 顯微硬度

所有熔覆層顯微硬度測試均在HX-200型顯微硬度計上進行，加載200g，加載時間20秒，保載時間15秒。沿熔覆層深度方向，從表面每隔0.05～0.1mm左右的距離測量2～3點，取這些點的算術平均值作為該深度的顯微硬度值。

圖3～5為Fe基合金激光熔覆層顯微硬度縱深分布曲線。熔覆層顯微硬度分布比較均勻，平均顯微硬度在HV0.2700以上，其中共晶組織熔覆層顯微硬度分布非常均勻，這與其均勻細化的組織特征相適應。

圖3-過共晶組織熔覆層顯微硬度縱深分布

圖4-共晶組織熔覆層顯微硬度縱深分布

圖5-亞共晶組織熔覆層顯微硬度縱深分布

2.3 耐磨性研究

圖6（a、b、c）為典型的環塊磨損試驗的磨痕橫截面圖（曲線水平放大2000X，水平放大50X）。基體磨痕最深最寬（圖6.a），滲碳淬火層次之（圖6.b），激光熔覆處理層的磨痕最淺最窄（圖6.c）。

圖6-環塊磨損試驗磨痕截面圖

表1為三種試塊表面磨痕截面積統計結果。激光熔覆處理層耐磨性比基體提高了8.4倍，比滲碳淬火層提高了5.2倍。

表1——不同表面強化狀態的環塊磨損試驗結果

3 結論

1、利用激光熔覆在Fe-C合金表面獲得的近共晶介穩組織。

2、熔覆層平均顯微硬度在HV0.2700以上且分布均勻，其中共晶組織熔覆層顯微硬度高而且分布非常均勻。

3、激光熔覆層耐磨性比基體提高了8倍多，比滲碳淬火層提高了5倍多。