45 鋼表面激光熔覆鐵基合金涂層的顯微組織與滑動磨損性能

劉楊彬(中國礦業大學，北京 100083)

激光熔覆的研究始于70年代初，到80年代已發展成為表面工程、摩擦學、應用激光等領域的前沿性課題。進入90年代后，呈現出了科學研究與應用開發蓬勃發展的大好局面[1]。激光熔覆技術通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束快速加熱，使熔覆材料和基底材料表層發生熔化。并通過基底的激冷作用實現快速凝固。從而形成與基底冶金結合且稀釋率極低的表面涂層，具有較高的表面性能[2]。目前，常用的熔覆材料有鐵基、鈷基和鎳基合金粉末。鈷基、鎳基合金雖有較佳的高溫性能與耐蝕性能，但價格昂貴，很難廣泛使用。現在廣泛使用的工程構件基體材料絕大部分都是鋼鐵材料，激光熔覆鐵基合金因與基材成分相近，界面結合牢固，且可降低成本，因而受到廣泛重視囡。我們選擇45 鋼為基材對其進行鐵基合金粉未的激光熔覆工藝研究，實驗顯示，熔覆層與基體具有良好的冶金結合、組織細密均勻。并有硬質點彌散分布，具有較高的硬度和耐磨性。

摩擦學是研究摩擦表面或界面行為、損傷與控制的技術學科。材料摩擦學性能通常是指摩擦磨損性能。摩擦是摩擦副表面在相互滑動中發生能量轉換，并產生能量損耗的過程；而磨損則是由摩擦副之間力學、物理、化學作用造成的表面損傷和材料剝落。摩擦與磨損密切相關，但并不存在確定的量化關系[3]。從20 世紀90年代初期開始，我國的納米摩擦學研究進入了飛速發展階段[4]，生物摩擦學研究亦應運而生；在納米顆粒潤滑油添加劑以及摩擦學表面工程等方面取得了一系列重要的理論和應用研究成果，為解決我國制造業、交通運輸和高技術領域的一系列關鍵潤滑材料與技術問題奠定了基礎[5-6]。

1 實驗材料與方法

基體材料為45 鋼；涂層材料是以鐵基(Fe62、Fe901、Fe33-37 等)為基體并摻雜碳化物:WC(鑄 造)、WC(Co 包)、Cr3C2 等。Fe 基合金粉與基體材料成分相似故結合程度很好，而且可獲得性能較好的熔覆層。熔覆的功率選為2.5kw，粉末涂層的厚度1.5mm，進行二次重疊熔覆。用金像切割機將×16×10(mm)的試樣塊中一面上開長×寬×高=12×10×2.5(mm)的槽，用丙酮洗凈后轉進試樣袋。對將要進行激光熔覆的基體試樣塊噴砂，在凹槽中覆上調好的合金粉末。對試樣進行激光熔覆，熔覆兩次，第一次涂層高度在1.5mm 左右，熔覆后噴砂并把熔覆表面磨的相對平整，第二次涂層高度略高于凹槽頂，進行激光熔覆。把熔覆好的試樣冷卻后去磨床統一把有涂層的那一面磨成平面并保證試樣塊有相同的高度。熔覆后進行打磨，并在金相拋光機上進行拋光。拋光后，立即用無水乙醇清洗并用吹風機吹干。測定熔覆試樣的絡氏硬度(載荷為1471N)，放在丙酮溶液中清洗五分鐘，晾干后放入試樣袋；用電子天平對洗凈的試樣進行磨損前稱重并記錄下質量，將試樣放回原試樣袋；用M-200 磨損試驗機對試樣進行滑動磨損試驗，磨環的硬度HRC＞60，加載為50kg，油潤滑磨損，每5 秒鐘左右滴一次油，每個試塊做摩擦磨損的實驗時間為半小時；將磨好的試塊用丙酮溶液洗凈后裝入準備好的試樣袋，用電子天平對磨損洗凈后的試樣進行稱重，并記錄下質量；將各個試樣前后的質量進行對比，得出失重，算出每個試樣的失重率，進而求得各個粉末配比所對應的平均失重率；用掃描電鏡觀察激光熔覆涂層的組織，熔覆層和基體界面上的結合情況，并在2000 倍左右的放大倍數下觀察磨損試樣表面的磨痕情況；通過對相同粉末不同配比以及不同粉末的的熔覆試樣的失重率或者磨痕寬度進行對比，評價熔覆試樣的磨損程度和耐磨性；通過對組織的分析，結合其硬度和耐磨性，判斷各種不同成分配比的粉末的應用可行性。

表1 各組粉末的配比

表2 各試樣的硬度和磨痕寬度

2 實驗數據和組織分析

2.1 試驗數據對比分析

1)實驗基體粉為Fe33-37，加入Fe62，以及KFNi60B、Cr3C2、WC(Co 包)、WC(鑄造)等碳化物或者增強基體性能的粉末,配比如下表1。

2)第一小組配比為Fe33-37:Fe62:KFNi60B=4.35:4.35:1.3。如下表2。

3)第二小組配比為Fe33-37:Fe62:WC(含Co):鑄造WC：Cr3C2:KFNi60B=3.6:3.6:0.5:0.5:0.5:1.3,實驗結果如下表3。

表3 各試樣的硬度和磨痕寬度

4) 第 三組 配 比 為Fe33-37:Fe62:WC(含Co):KFNi60B=3.6:3.6:1.5:1.3，實驗結果如下表4。

5)三組試樣的平均硬度和磨痕寬度如下表5。

表4 各試樣的硬度和磨痕寬度

表5 各組試樣的平均硬度和磨痕寬度

通過對比第一組與二、三組可知,在基體粉配比是1:1的情況下,在一定范圍內,基體粉所占總體粉末的含量越高,熔覆層的硬度越高；通過對比上表中的二、三組得出,在基體粉配比相同且加入碳化物配比也相同的情況下，加入多種碳化物WC(鑄造)、WC(Co 包)以及Cr3C2要比加入單一的碳化物WC 其硬度要高一些，耐磨性要好一些,因為WC 硬度高，而Cr3C2的耐磨性和耐蝕性都很好。

2.2 最優配比的組織分析

最優配比為Fe33-37:Fe62:WC(Co 包):WC(鑄造):Cr3C2:KFNi60B=36:36:5:5:5:13，其中主要含有Fe、Cr、C、Ni、W，另外還含有Si、B、Mo 等。本次配比中Cr29.6%左右，C1.4%左右。

圖1 Fe33-37:Fe62:WC(Co 包)

圖1 中兩圖是掃面電鏡在2000 倍下所拍，從圖中可看出兩圖組織都成枝狀晶，右圖中有粗大的枝晶組織，致使其硬度下降，一般情況下，粉末中的WC 會熔解，重新凝固過程中多種形式的初生碳化物產生第二相強化；硬質顆粒在重新凝固過程中析出的碳化物對熔覆層組織的枝晶起到細晶強化作用。但是，經過100 倍下的掃面電鏡照片發現其中有未熔的大顆粒WC，所以粗大的樹枝晶可能是由于碳化物的未熔所造成。

從合金元素角度分析，Ni的含量高含且有一定量的Mo，所以熔覆層的表觀質量好，但是由于其中的C 含量少，形成碳化物的量有限，而且WC 部分未熔(如右圖2 所示)，進一步減小碳化物含量，導致熔覆層的硬度較低，耐磨性一般。由圖2 可發現，其中有未熔的大顆粒WC，經對比分析為鑄造WC。

綜合相圖和合金元素影響分析圖2-3，圖中的黑色箭頭表示熔覆方向，右側為熔覆層表層，左側為熔覆層靠近基體的部分，從圖中可以和明顯的看到由于冷卻速度相對慢些，左邊的枝狀晶大一些，而右側部分由于靠近表面，冷卻速度快，所以枝狀晶小但密度大。也或許是因為未熔的WC 在熔覆是下沉，來到靠近基體的表面(即圖3的左側部分)，這樣不僅再次凝固的WC 量變少了，而且由于C 含量的減少使其結晶時析出的碳化物減少，從而第二項強化減弱，所以此處枝狀晶相對來說粗大；而右側則因為有熔融WC(Co 包和部分鑄造)的凝固形核使初生二次相增多，固溶強化等使此處的晶體細小。

圖2 掃描電鏡100×

圖3 掃描電鏡500×下的組織

圖4 試樣表面磨痕圖

圖4 右下側的大圖中可以可到裂紋，比第一組配比的裂紋要明顯些，這可能與熔覆過程(在第一組中已談到)有關，如果從組著和元素上分析，則與Ni 含量降低(相對于第一組配比)有關，另外硬質顆粒的增多，以及熔覆后存在未熔的WC也可能與裂紋產生有關。

經XRD 衍射分析，本組配比中含有的主相是γ-(Fe，Ni)共晶，即圖3 中的魚骨狀組織，本組的Ni 含量高，在一定程度上阻止了γ →α，所以γ-(Fe，Ni)占了很大比重，經分析，M7C3最有可能是Cr7C3，其中有的Cr 被少量Fe 置換，形成(Cr，Fe)7C3，圖3 中的陰影部分主要就是這種碳化物。初生Cr7C3 相是硬質相，大部分成長條狀(圖1 中的右圖)，截面為六角形，如圖1中右圖可看到一個明顯的密排六方的碳化物組織，右圖中的碳化物顆粒有長條狀有六邊形可能是由于Cr7C3 排列特別不規則所致。本組中沒有檢測到M23C6 極有可能還是因為激光熔覆后冷速過快，Cr 來不及聚集熔覆層就以凝固，所以Cr 主要以M7C3 形式存在。

3 結論

圖5 本組最優配比的XRD 分析

雖然Fe33-37 有良好的防開裂性能，但由于Fe33-37 本身的硬度偏低，所以雖然加入Fe62、WC 等使其硬度有了提高，裂紋卻增多，影響其綜合使用性能;第五組所加入的Cr3C2是最多的，而且由于其鑄造WC 多(在一般激光熔覆條件下，鑄造WC 不能完全溶解，仍然以碳化物顆粒的形式存在于熔覆層中)，熔覆過程中WC 粉末未能完全溶解，在熔覆層中產生裂紋等不良因素，致使熔覆層的硬度普遍下降。

1)Fe 基合金激光熔翟層由熔覆區、結合區和基底熱影響區組成，結合區為白亮組織，在靠近結合區的熔覆層底部為胞狀晶和柱狀晶，在熔覆層中部為細小的樹枝晶，靠近表層為細小等軸晶。

2)激光功率和燒結速度、熔覆層粉末的厚度對試樣的表觀質量有影響，在激光功率為2.5kw，粉末涂層厚度為1.5mm 時，熔覆層的裂紋明顯變少，表觀質量好。

3)激光熔覆層的顯微硬度、耐磨性顯著提高。Cr的含量對最后的組織即性能有很大影響，而且適量的Mo 對表觀質量起到了積極的影響。

[1]張三川，姚建銓，梁二軍.激光熔覆進展與熔覆合金設計.激光技術[J]，2002，26(3):204

[2]張永康,激光加工技術[M].北京:化學工業出版杜,2004

[3]溫詩鑄,材料磨損研究的進展與思考[J].摩擦學學報.2008，28(1)：1-5

[4]宋天虎.我國摩擦學發展回顧—在第八屆全國摩擦學大會上的致辭[J].摩擦學學報，2008，28(1)：94-96

[5]何雪.從《摩擦學學報》刊出論文的被引用情況分析我國摩擦學領域的研究熱點.摩擦學學報，2008，28(3)：289-291

[6]劉維民，薛群基.創新潤滑材料，服務國家需求—固體潤滑國家重點實驗室發展歷程[J].摩擦學學報，2008，28(1)：189-191