激光熔覆方法增強自卸車鋼板耐磨性能研究

周慧超 孫明政 趙冠琳

摘 要：磨損是影響自卸車車廂使用壽命的主要原因之一，研究利用激光熔覆方法，制備出含有TiC、VC增強顆粒的熔覆層。利用X射線衍射儀、電子探針、透射電鏡對增強顆粒進行微結構分析;利用滑動磨損試驗機研究了熔覆層的耐磨損性能。結果表明，激光熔覆層的耐磨性明顯好于Q235板材。

關鍵詞：激光熔覆;增強顆粒;耐磨性

中圖分類號：TB331 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-109-03

Study on the Wear Resistance of Steel plate of Dump Truck Strengthenedby Laser Cladding

Zhou Huichao¹， Sun Mingzheng²， Zhao Guanlin^3*

（ 1.Niedke Electric Machinery （Qingdao） Co. LTD， Shandong Qingdao 266000; 2.Qingdao Public Transport Group，Shandong Qingdao 266000; 3.Materials science and Engineering， Shandong University， Shandong Jinan 250061 ）

Abstract：?Wear is one of the main factors affecting the service life of dumper cars. In this study， laser cladding method was used to prepare the cladding layer containing TiC and VC reinforced particles. The microstructure of the reinforced particles was analyzed by X-ray diffractometer， EPMA and TEM. The wear resistance of the cladding layer was studied by sliding wear tester. The results show that the wear resistance of laser cladding layer is better than that of Q235 plate.

Keywords： Laser cladding; Reinforcing particles; Wear resistance

CLC NO.：?TB331 ?Document Code： A??Article ID： 1671-7988（2020）04-109-03

1 前言

磨損是材料失效的三大主要形式之一，不僅會對零部件的使用壽命、可靠性、安全性等產生較大影響，而且也會造成巨大的經濟損失^[1]。據冶金礦山、農機、煤炭、電力和建材五個工業部門的不完全統計，每年僅由于磨損就需要補充15～20億元的備件。隨著我國工業的快速發展，優質設備尤其是進口設備的迅猛增加，因磨損造成的經濟損失也日益增多。因此，減少材料的磨損、延長零件的使用壽命在經濟發展中占有舉足輕重的地位。

自卸車是指通過液壓或機械舉升而自行卸載貨物的車輛。由于裝載車廂可以自動傾翻一定角度進行卸料，大大節省了卸料時間和勞動力成本，縮短了運輸周期，提高了生產效率，是常用的運輸專用車輛。長期的使用跟蹤調查顯示，自卸車車廂因每天裝卸貨次數較多，存在很嚴重的磨損問題。目前，很多自卸車主要采用的解決辦法是選擇更耐磨的瑞典進口板材Hardox。該方法雖然可以在一定程度上延長車廂的使用壽命，但整體造價高，板材交期長，易出現斷貨情況。

激光熔覆技術是近幾十年來發展最快的現代科學技術之一，應用成果也得到業內人士的一致肯定^[2-5]。利用該技術可以將兩種或者兩種以上的材料復合到一起，實現普通基底材料的表面改性或是修復。該方法對于提高零部件的使用壽命、可靠性等以及節約材料、節約能源等各方面都具有非常重要的意義。

本研究利用激光熔覆技術在Q235鋼板表面制備出原位生成TiC和VC陶瓷顆粒增強鐵基的熔覆層，并對該熔覆層的微結構以及耐磨性進行詳細研究。旨在利用激光熔覆技術來提高自卸車車廂底板的耐磨性，達到節約材料、降低生產成本、延長部件使用壽命的目的。

2 實驗材料與方法

基體材料選用Q235鋼板，試樣尺寸為50 mm×20 mm×6 mm。激光熔覆前，需對試樣進行去銹和去油處理，以防影響熔覆層的質量。熔覆粉末選取鈦鐵粉（FeTi70）、釩鐵粉（FeV50）和石墨。激光熔覆選用的具體參數為：光斑直徑選用3mm，功率選擇2.0～2.5 kW，掃描速率為3～5 mm/s，搭接量在30～40%左右。整個熔覆過程需用氬氣進行保護。

利用X射線衍射儀、JXA-8800R型電子探針及H-800型透射電鏡對熔覆層組織進行觀察;利用M-2000型滑動磨損試驗機，采用環-塊滑動干摩擦方式進行磨損試驗。施加載荷10 kg，摩擦時間25 min。

3 實驗結果與討論

在該工藝下制備出的多道激光熔覆層，成形較好，表面平整，沒有發現裂紋或氣孔，可以滿足工程應用要求。從圖1給出的熔覆層的表面X射線衍射結果來看，熔覆層主要由α-Fe、TiC和VC組成，說明該工藝條件下制備出的熔覆層是一種鐵基陶瓷復合熔覆層。增強相TiC和VC具有高硬度、高彈性模量、高熔點和高熱穩定性能等優點，兩種增強相在耐磨損方面的應用引人注目^[6-9]。對材料來說，高硬度多對應著高脆性，但是對于鐵基陶瓷復合熔覆層來說，其基體的硬度值比較低，所以一方面可以發揮出增強顆粒的優勢，另一方面又可以保證鍍層不易出現裂紋^[10]。

圖2給出熔覆層表面的電子探針掃描圖像。從圖中可看出，在Fe基體上，分布著一系列深色的粒狀和樹枝狀的增強顆粒。從圖3給出的熔覆層透射電鏡結果還可看出，這種增強顆粒與基體的邊界非常光滑，說明增強相沒有被污染且與基體結合良好。這也證明了利用激光熔覆原位反應法可以生成高質量的TiC、VC增強顆粒。

圖4給出該熔覆層與基體材料Q235在同樣磨損條件下的5分鐘、15分鐘和25分鐘的磨損體積對比圖。從圖中可以看出，熔覆層與基體的磨損體積均隨磨損時間的延長在增大。當磨損時間相同時，基體的磨損體積遠大于熔覆層的磨損體積。通過計算可知，熔覆層的耐磨性能約為基體材料的22倍左右。

圖5給出熔覆層的磨損形貌圖。從圖中來看，熔覆層上磨痕較淺，且表面形貌都比較平整，沒有出現明顯的阻礙磨痕的平臺或小丘，但可以看到一些凸顯出來的增強硬質點。對這種含有增強相的材料來說，在磨損過程中，首先被磨損的是硬度較低的基體組織，隨著基體組織磨損量的增加，增強顆粒逐漸暴露到摩擦面上。此時，與磨輪表面接觸更多的就是暴露出來的增強顆粒，僅有少量的基體組織參與摩擦過程。本研究利用激光熔覆原位反應生成的TiC、VC顆粒數量較多，且在熔覆層表面的分布也很均勻。此外，磨損過程中，由于原位生成的增強相與基體間較高的結合強度，增強顆粒不宜脫落。所以，在整個磨損過程中，生成的一系列彌散分布的增強顆粒可以較為均勻地承受與磨輪之間的摩擦力，從而提高熔覆層的整體耐磨性，且磨損表面磨痕較淺且較平整。

4 結論

在Q235鋼板上，通過選用一定比例的合金粉末和激光熔覆工藝，可以利用激光熔覆技術制備出含有TiC和VC增強顆粒的激光熔覆層。增強顆粒數量較多，且在整個熔覆層中呈彌散分布狀態，與基體之間具有良好的結合強度，這些都有助于提高熔覆層的耐磨性能。通過比較可知，該熔覆層的耐磨性能約為基體材料的22倍左右。

參考文獻

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