40Cr軋輥表面激光熔覆涂層的組織及性能研究

吳 鵬，雷 聲，李 帥，朱繼祥，梁 棟，顧晨晨

(1.合肥東方節能科技股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學 機械與電氣工程學院，安徽 合肥 230601)

激光熔覆對于解決軋輥等基材硬度低，耐磨性差的問題提供了一種較為先進的方法，用性能較為優越的材料作為涂層覆于基材表面，在激光照射下，使涂層與金屬基體的外表面層熔化結合，形成與基體冶金結合的功能涂層[1-2]。軋輥是軋鋼機的關鍵部件，軋輥一般在高溫高應力下進行連續工作，不但需要承受由加熱軋材反復加熱和冷卻的熱疲勞效應，而且會受到由于軋鋼對軋輥反作用力的摩擦和軋制力導致摩擦磨損[3-4]。因此對軋輥的要求主要表現為高溫耐磨性、低熱膨脹系數以及良好的抗氧化性。本項目主要是利用激光熔覆表面改性技術顯著提升軋輥的硬度和高溫耐磨性，為強化和修復輥面提供理論指導[5]。

目前大多數科研學者采用Fe基自熔合金粉末作為熔覆材料，激光熔覆中通常采用Fe-Ni基合金作為涂層材料[6]。但通常的Fe-Ni基涂層存在硬度不高、耐磨性較差且熔覆層頻繁出現裂紋的問題。楊膠溪[7]等人在材質為9Cr2Mo的冷軋輥上，采用Fe基合金粉末添加Cr的碳化物進行激光熔覆后發現，激光熔覆層的平均硬度值為830HV0.1，相比基材782HV0.1的硬度值提高了約5%～6%。且熔覆層的劃痕較基材的劃痕淺，這很好地說明了激光熔覆有效地提高了試樣的耐磨性。本文采用40Cr作為軋輥基板，優化設計了激光熔覆鐵基合金粉末組合物成分，表面采用激光熔覆改性技術，對比研究了軋輥基體與激光熔覆層的硬度、微觀結構和耐磨性。

1 試驗材料及方法

1.1 材料及樣品制備

軋輥母材選用40Cr，通過調整Fe-Cr-Ni系合金粉末成分配比配置出新型激光熔覆粉末，在母材上進行熔覆。為增強其硬度和耐磨性，主要加入了Cr元素[8]；同時加入具有強烈脫氧和自熔作用的Si[9]；為細化晶粒和形成耐磨相，我們也加入了Ca、Ni、Mo等元素[10-11]，熔覆合金元素主要成分如表1所示。試樣表面采用大功率CO2激光器進行激光合金化處理，熔覆方式采用同步送粉[12]，熔覆時氬氣作為送粉動力源，熔覆工藝參數見表2，熔覆層數為5層。

表1 激光熔覆層主要化學成分(wt./%)

表2 激光熔覆工藝參數

1.2 組織形貌觀察及性能測試

使用日立SU8230高新場發射掃描電子顯微鏡，觀察熔覆層-熔合區-母材的組織結構情況，并分析樣品中合金元素含量的分布及對組織結構的影響。使用Smart Lab X射線衍射儀對試樣熔覆層進行物相組成研究。掃描角度大小設置為30°～120°，電壓是40kV，電流是100mA，并結合Jade-6.5軟件對熔覆層物相進行分析。在截面上從熔覆層向基體每隔0.2mm取一個點進行顯微硬度測試，實驗在常溫下進行3次，實驗數據取平均值。在磨損試驗機(MMW-1)上對試樣在恒定加載條件下的摩擦磨損性能進行分析研究。在20℃下進行20min的干摩擦磨損試驗，加載負荷為200N，機器速度設置為243轉/分。每300s用電子天平對試樣的失重進行稱重，記錄失重量。

2 試驗結果與討論

2.1 金相組織分析

觀察試驗中樣品的顯微形貌可以發現，經腐蝕后的樣品截面明顯可以劃分為三個區域：熔覆區、熔合區與母材區，如圖1所示。其中熔覆區是由熔覆粉末經激光高溫熔化再冷卻后形成的區域，熔合區是由金屬母材與熔覆粉末元素高溫熔化后互相滲透形成的區域。

(a)母材區(a)based area

(b)熔覆區(b)cladding area

(c)熔合區(c)fusion area

(d)熔合區局部放大(d)Partial enlargement of the fusion zone

由圖1可以看出熔覆層、熔合區、母材有較為明顯微觀組織差異。熔覆層與軋輥基體熔合無裂紋和空洞等缺陷。粗枝晶從界面向熔池中心方向生長，靠近熔池中心，在粗枝晶之間形成了明顯界面的胞狀枝晶和等軸晶[13]。熔合線較為凹凸不平的一側為母材區，如圖1(a)所示，該區域顯微組織由部分相變鐵素體與珠光體組成。熔合線較為平整一側為熔覆層，如圖1(b)所示，熔覆層成型較好、致密美觀，可以看到明顯的晶界。該區域Cr、C的含量較高，熔覆層頂部組織與外界進行熱量交換，凝固過程中與空氣接觸冷卻速度較快，生長時間短，因此成分組成主要為細小板條狀馬氏體和細小碳化物[14-15]。圖1(c)與3(d)展現了熔融情況良好的熔合區，熔合無明顯缺陷。

2.2 成分變化分析

利用EDS線掃描分析試樣中Cr與Al元素含量變化，結果如圖2所示。從熔覆層到母材的區域，Al元素含量少且變化不大；而Cr元素含量逐漸下降，其中在熔合線附近下降最明顯，從而基體的硬度較熔合區和熔覆區有大幅下降。

圖3是試樣從熔覆層到基體的EDS線掃描結果圖。從圖中可以看出，除熔合線附近有較大差異外，大部分元素在掃描起點和終點處的分布都比較均勻。針對熔合區附近元素變化趨勢可以看出：C元素的含量基本不發生改變，往母材方向有輕微的升高；熔覆層中Cr元素含量最高，越往熔合區與母材方向Cr的含量越少，且在熔合區附近Cr元素分布不均勻。這說明在熔合區處金屬基材元素對涂層元素有少量稀釋作用，也充分證明在涂層和金屬母材之間實現了良好的冶金結合。

圖3 熔覆層到基體的EDS結果圖Figure 3 EDS results of the cladding layer to the substrate

2.3 物相分析

從圖4可以看出，激光熔覆合金層X射線衍射圖譜共出現三個主要峰值，其中最高的峰值是FeNi、Fe-Cr-Ni和Fe-Cr化合物，還有幾個相對較低的峰。可知熔覆層組織中Cr含量較多，形成部分Fe-Cr-Ni和Fe-Cr硬化相[16]。熔覆層中基體組織仍舊為α-Fe，較軟的α-Fe基體與較硬的金屬間化合物骨架相結合，這種復雜的軟硬相間組織有助于提高熔覆層的硬度和耐磨的性能[17]。X射線能譜分析說明，在熔覆層共晶組織中的碳化物并非單一元素所生成的碳化物，是兩種甚至更多元素所共同生成的復合碳化物[18]。

圖4 軋輥激光熔覆合金表層X射線衍射圖譜Figure 4 X-ray diffraction pattern of roll laser cladding alloy surface

2.4 顯微硬度分析

由圖5可以發現，基體區的硬度最低，平均硬度為300HV0.2。熔覆層最高硬度可達709HV0.2，平均硬度在660HV0.2左右，比基材區高出大約330HV0.2。高硬度可認為是由合金化層內細小馬氏體與C、Cr元素帶來的固溶強化快速凝固形成硬化相的結果。表面熔覆層組織較為細小，隨著熔覆層厚度的增多，稀釋作用減弱，其轉變組織的缺陷密度較高，內應力較大，因此硬度值一般會升高[19]。但熔覆層硬度的波動主要由碳化物和母材硬度差異較大所致，也可能導致熔覆外層的硬度比內層低；熔合區硬度在550HV0.2左右，主要是形成了較多馬氏體組織而使硬度顯著提升。

圖5 基體及熔覆層顯微硬度分布Figure 5 Microhardness distribution of matrix and cladding layer

2.5摩擦磨損分析

使用激光熔覆試樣磨損失重量來研究熔覆涂層的耐磨性，激光熔覆涂層與試樣基材每5min的失重量如表3所示。可以看出，每5min摩擦磨損后基材的失重量比熔覆涂層的失重量多約30～35mg，熔覆層的總失重量為103.8mg，相比基材總失重量少123.8mg，磨損量減少了54.4%。每5min磨損后，基材的失重量要比熔覆層合金的平均失重量多30.95mg。涂層在摩擦磨損過程中與磨損材料接觸的硬化相有效地保護了軟基體，從而使涂層具有更好的耐磨性。

表3 熔覆層及基材的失重量ΔG(mg)數據表

2.6 磨損表面形貌

使用掃描電鏡對熔覆層和基體摩擦磨損表面的磨損形貌進行觀察，結果如圖6所示。基體的磨損主要為磨料磨損，其中碎屑作為磨損顆粒。磨損表面具有較深且較長的連續凹槽，這些凹槽深而長，并且排列密集走向一致，如圖6(a)所示，磨損表面存在沿滑動方向的犁溝，以及輕微的塑性變形，它們可能是由磨損過程中產生的顆粒碎片形成的。圖6(a)這說明基體受磨粒的磨削作用影響較大，產生了嚴重的塑性變形和顯微切削去除。由于基體中碳化物較少，硬度較低，磨粒很容易壓入到母材組織中進行顯微切削運動，并且共晶硬質相較少，因而耐磨損性較差[20]。

(a)母材(a)base material

(b)熔覆層(b)cladding layer

熔覆層的磨損主要為磨粒磨損。磨損表面也有少量或切削磨損凹槽，但凹槽體積遠小于基體，如圖6(b)所示，這是由于堆焊層中形成較多的硬質相Fe-Cr-Ni和Fe-Cr等，呈連續狀態分布在殘余奧氏體和馬氏體周圍，說明磨料耐磨性得到了改善[21]，由此熔覆層相對于基材具有更好的耐磨性。

3 結論

(1)使用新型鐵基粉末對40Cr軋輥基材進行激光熔覆后發現，熔覆層區域成型美觀、致密無缺陷，熔合良好。熔覆層組織較為細小，含Cr、C量較高，主要含有FeNi，還有部分Fe-Cr-Ni和FeCr等硬化相，富鉻類碳化物可以有效提高硬度。

(2)細小板條狀馬氏體及細小碳化物有助于提高熔覆層的耐磨性和韌性，熔覆層的最高硬度可達709HV0.2，平均硬度為660HV0.2左右，比基材區高出大約330HV0.2，是基體硬度的2.9倍。

(3)基體的劃痕較密而深，而熔覆層磨損形貌中的磨痕較淺，耐磨性較基體要好；基體的總失重量為227.6mg，而熔覆層的失重量為103.8mg，相比前者總失重量ΔG少123.8mg，耐磨性提高了54.4%。高硬度和耐磨性良好的熔覆涂層有助于提高軋輥的高溫耐磨性和使用壽命。