鐵基激光熔覆層的微觀結構和摩擦磨損性能研究①

李聰瑋，劉 澤，王 明，張佳豪，杜雙明，劉二勇

（1.西安科技大學 材料與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團神南產業發展有限公司，陜西 榆林 719300）

液壓支架作為必不可少的煤礦綜采設備，長期處于井下復雜惡劣的工況環境，面臨堅硬的煤矸石等顆粒撞擊導致的腐蝕、磨損等多種損傷［1－3］。傳統液壓支架缸體表面處理方法為電鍍硬鉻，但鍍鉻層與基體結合力較弱，且容易出現銹蝕和剝落等缺陷，嚴重影響液壓支架的使用壽命。激光熔覆是利用高能量密度的激光熱源在基體表面熔覆粉末材料，通過快速融化和凝固形成具有低稀釋率、高質量及良好冶金結合涂層的技術，近年來在煤機裝備表面強化及再制造領域獲得了廣泛應用［4－6］。鐵基熔覆層的服役性能較45鋼、27SiMn等有大幅度提升［7－10］。但針對液壓支架用鋼的鐵基熔覆涂層微觀結構及服役性能研究尚不充分，且其與電鍍硬鉻的性能對比鮮有報道。

本文選擇3種市場常用液壓支架鐵基粉末X1、X2和X3作為原料，利用激光熔覆技術在45鋼表面分別制備了熔覆層，系統研究熔覆層的微觀結構及摩擦磨損性能，以期為液壓支架為代表的煤機裝備表面強化及再制造提供技術支持。

1 實驗材料及方法

選擇45鋼為激光熔覆基體材料，尺寸為200 mm×200 mm×10 mm。選擇3種鐵基粉末X1～X3作為熔覆材料，如圖1所示。由激光粒度儀分析可知，3種鐵基粉末的粒徑約為50～150μm。3種鐵基粉末化學組成如表1所示。

圖1 鐵基粉末形貌

表1 鐵基粉末化學成分（質量分數）／%

選擇西安必盛激光科技有限公司3 000 W光纖激光器進行激光熔覆。激光器輸出波長1 080 nm，光斑尺寸15 mm×2 mm。激光熔覆工藝為：激光功率3 000 W，掃描速度6 mm／s，送粉速率29.4 g／min，搭接率40%。

利用線切割技術將熔覆層加工成金相試樣和摩擦磨損試樣，隨后進行切割、打磨拋光和侵蝕處理。利用金相顯微鏡（OM）觀察顯微組織，利用XRD－7000X射線衍射儀（XRD）分析熔覆層的物相組成。

利用MRT－R4000摩擦磨損試驗儀分析激光熔覆層的摩擦磨損性能。測試條件為：干摩擦工況，摩擦副為Φ6 mm的GCr15鋼球，磨痕長度10 mm，載荷30 N，頻率2 Hz，磨損時間60 min。摩擦測試后，通過質量損失計算試樣的磨損率，利用SEM進行磨損形貌分析。

2 實驗結果與分析

2.1 激光熔覆層的顯微組織

激光熔覆過程中，鐵基粉末在激光熱作用下熔化形成合金熔池，當激光熱源移開以后，合金熔池快速凝固形成熔覆層。圖2為3種粉末形成的熔覆層微觀形貌。由圖2可以看出，3種鐵基熔覆層組織致密，與基材形成良好的冶金結合。熔覆層除了基體界面附近呈平面晶，其余區域主要為枝晶組織。此外，表1顯示X1鐵基粉末的碳、鎳和鉻含量高，有利于熔覆層形成發達的樹枝晶，且晶粒更細小。

圖2 鐵基粉末熔覆層微觀形貌

激光熔覆層的組織形態與熔池凝固過程中的成分過冷有關。凝固開始時，由于熔池底部溫度梯度很大，凝固速度很慢，界面處的成分過冷度很小，形核速度大于生長速度，在界面處形成呈平面生長的薄帶；隨著凝固過程繼續進行，熔池中部溫度梯度降低，凝固速度逐漸加快，成分過冷區域增大，以柱狀樹枝晶形式生長［11］。此外，與X2、X3粉末相比，X1粉末碳含量和鎳、鉻含量較高，成分過冷傾向更大，更易形成特征明顯且晶粒細小的樹枝晶。

2.2 激光熔覆層的物相分析

圖3是3種鐵基熔覆層的X射線衍射圖。由圖3可見，3種鐵基粉末熔覆層在相同衍射角度顯示出衍射峰，表明3種熔覆層具有基本相同的物相組成，均為α′馬氏體，γ奧氏體及δ鐵素體。一般來說，從液態直接凝固形成的熔覆層組織為奧氏體，但由于熔覆層冷卻速度很快，奧氏體在析出少量鐵素體的同時更易于轉變為馬氏體和殘余奧氏體。

圖3 鐵基粉末熔覆層XRD圖譜

2.3 激光熔覆層的硬度

3種熔覆層硬度隨深度變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，X1熔覆層的硬度在697.6～723.8HV區間，平均硬度為707.4HV；X2、X3粉末熔覆層的硬度分別在642.4～677.5HV和638.2～662.3HV區間，平均硬度為653.6HV和649.3HV。X1熔覆層的平均硬度比X2、X3熔覆層的硬度高7.6%和8.2%，但3種熔覆層的硬度均低于電鍍硬鉻（826.8HV）。熔覆層的硬度與熔覆層中馬氏體的硬度和馬氏體的含量有關［12］。在相同激光熔覆條件下，與X2、X3粉末相比，X1粉末中碳含量（0.18%）和鉻含量較高，淬透傾向較大，導致熔覆層中馬氏體相對含量較多且馬氏體硬度較大。

圖4 熔覆層硬度曲線

2.4 激光熔覆層的摩擦磨損性能

選擇電鍍硬鉻和鐵基熔覆層進行摩擦磨損實驗，結果如圖5所示。由圖5（a）可知，3種熔覆層摩擦系數與鍍鉻較為接近（約0.4），表明鐵基熔覆層具有一定的減摩作用。圖5（b）表明，3種熔覆層磨損率明顯低于電鍍硬鉻，X1熔覆層磨損率僅為電鍍硬鉻的16.9%，呈現出優異的抗磨損性能。與X2、X3熔覆層相比，X1熔覆層磨損率更低，原因可能是熔覆層在往復載荷和摩擦熱共同作用下發生了殘余奧氏體向馬氏體的轉變，以及磨損過程中的加工硬化作用［13－14］。可見，熔覆層的抗磨損性能與其硬度呈正相關關系。

圖5 熔覆層與鍍鉻層的摩擦磨損性能

3種鐵基熔覆層與鍍鉻層的磨損表面形貌如圖6所示。X1熔覆層磨痕表面存在片狀剝落，呈現疲勞磨損；X2熔覆層磨痕明顯變寬，剝落面積加大；X3熔覆層磨損程度進一步加重。3種材料的磨損機理均以疲勞磨損和磨粒磨損為主。Cr鍍層在磨損過程中與摩擦副相互黏著、切削、疲勞，造成應力集中，引起了鍍層的嚴重磨損［15］。磨痕表面化學成分見表2。由表2可見，3種熔覆層磨痕表面均出現了O元素，說明磨損表面在往復載荷和摩擦熱的作用下發生了氧化。氧化反應一方面促進了熔覆層表面形成保護性氧化膜，減小磨損程度；另一方面，硬度較高的氧化層大大降低了熔覆層與摩擦副的接觸面積［16］。

圖6 3種熔覆層與鍍鉻層的磨損形貌

表2 磨痕表面化學成分（質量分數）／%

3 結 論

1）3種鐵基粉末X1～X3形成的激光熔覆層組織致密，由α′馬氏體、γ奧氏體和δ鐵素體組成，其中碳、鎳和鉻含量高的X1熔覆層的樹枝晶更發達，晶粒更細小。

2）X1熔覆層的硬度明顯高于X2、X3熔覆層的硬度，但低于電鍍硬鉻的硬度。

3）鐵基激光熔覆層的干摩擦系數與電鍍硬鉻涂層接近，但磨損率明顯低于電鍍硬鉻涂層；不同熔覆層耐磨性與其硬度呈正相關關系，磨損機理均以磨粒磨損和疲勞磨損為主。

4）利用激光熔覆技術可在45鋼表面制備組織致密、與基體形成冶金結合的鐵基熔覆層，其中熔覆層組織由α′馬氏體、γ奧氏體和δ鐵素體組成。與電鍍硬鉻涂層相比，激光熔覆層雖硬度稍低，但表現出了優異的耐磨性，相關研究必將推動代硬鉻技術的發展。