采煤機(jī)滑靴激光熔覆鐵鎳基涂層的抗磨性能*

韓文鵬 崔功軍 崔昊天 趙虎成 寇子明

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 山西太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實(shí)驗室 山西太原 030024；3.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室 山西太原 030024)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展以及能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動的實(shí)施，對煤炭開發(fā)效率及智能化水平的提升逐漸成為了研究重點(diǎn)，這意味著對包括三機(jī)一架在內(nèi)的諸多礦山裝備及其部件的各項性能和使用效率提出了越來越高的要求[1]。采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴是負(fù)責(zé)采煤機(jī)行走的關(guān)鍵支撐部件，同時起著重要的導(dǎo)向作用。然而，導(dǎo)向滑靴工作在極其惡劣的環(huán)境中，且在工作過程中受到交變載荷的作用，故極易造成嚴(yán)重的磨損甚至斷裂現(xiàn)象[2-3]。導(dǎo)向滑靴的磨損對采煤機(jī)的工作效率和壽命有極其不利的影響，而且一旦出現(xiàn)因其故障導(dǎo)致的停產(chǎn)，將直接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用表面技術(shù)對采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行強(qiáng)化處理來改善其耐磨性顯得尤為重要。

目前，對于提升采煤機(jī)滑靴的耐磨性的研究已經(jīng)有許多相關(guān)報道，且主要以開發(fā)耐磨材料及對表面進(jìn)行特殊工藝處理為主。XUAN和CUI[4]制備了一種Fe-Cr-B合金材料來替代傳統(tǒng)的滑靴材料，同時研究并比較了該合金與ASTM 5140和3316兩種鋼在干滑動條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-B合金在干滑動條件下表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能，是一種可以提高采煤機(jī)滑靴使用壽命的潛在材料。但是，整體更換滑靴導(dǎo)致成本偏高。戴建平[5]研究了DG09、HD01、HS02和SA03四種不同堆焊材料對ZG35CrMnSi制成的導(dǎo)向滑靴的耐磨性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HS02耐磨堆焊焊絲有最好的耐磨性能，且進(jìn)一步分析出當(dāng)堆焊材料中Cr與C的成分比值約為8時耐磨性能較好。然而，采用堆焊的方式修復(fù)滑靴雖加工方便且成本相對較低，但在實(shí)際中卻達(dá)不到修復(fù)前的工作時間，故不能從根本上解決導(dǎo)向滑靴存在的磨損問題[6]。劉文生等[7]在調(diào)質(zhì)45鋼表面等離子熔覆高鉻鐵基涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層組織中生成的細(xì)小板條馬氏體、碳化物等在一定程度上提高了45鋼承載能力，且熔覆層的抗磨損能力較強(qiáng)，可以基本滿足實(shí)際工況下對采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的抗磨要求。總體來看，對于滑靴耐磨材料的研究多為FeCr基合金，而對FeNi基合金材料的研究鮮有報道。此外，大多數(shù)研究只集中于載荷變化對摩擦磨損性能的影響，而對摩擦磨損性能隨滑動速度變化的研究卻很少。與堆焊等其他表面技術(shù)相比，激光熔覆具有冶金結(jié)合良好和組織致密等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦機(jī)械的零部件修復(fù)與再制造方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，故通過激光熔覆涂層來提高采煤機(jī)滑靴的耐磨性有著很大的發(fā)展前景[8-10]。

本文作者采用激光熔覆技術(shù)在45鋼基體表面制備了FeNiMo和FeNiMoSi兩種鐵基合金涂層，對熔覆涂層在不同載荷和滑動速度下的干滑動摩擦學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并詳細(xì)闡釋了其磨損機(jī)制，旨在為采煤機(jī)滑靴的表面改性工作提供參考。

1 試驗部分

試驗選用Fe粉(純度：99.99%)、Ni粉(純度：99.99%)、Mo粉(純度：99.99%)、Si粉(純度：99.99%)為原料，按表1所示2種涂層材料具體成分配比，使用V型混粉器將粉末混合均勻(時間：2 h；轉(zhuǎn)速：24 r/min)，并烘干備用。選用45鋼為基材，熔覆前將基體表面拋光至Ra1.2 μm，并用丙酮清洗，然后激光熔覆在其表面分別制備FeNiMo和FeNiMoSi兩種涂層。為便于表述，下文將制備的FeNiMo和FeNiMoSi涂層分別簡記為FNM和FNMS。

表1 激光熔覆涂層的成分 單位：%

采用陜西中美激光科技有限公司生產(chǎn)的CO2同軸激光熔覆系統(tǒng)(最大功率：2 kW)來制備涂層，具體的激光熔覆工藝參數(shù)見表2。采用往復(fù)式球-盤摩擦磨損試驗機(jī)(CFT-I型，蘭州中科凱華公司)測試涂層的摩擦磨損性能。測試前先將試樣表面用砂紙逐級打磨至Ra0.2 μm，并在丙酮中進(jìn)行超聲清洗。測試條件如下：施加載荷分別為5、10、15和20 N；滑動速度分別為0.025、0.033、0.042和0.050 m/s；測試時間為20 min；往復(fù)距離設(shè)定為5 mm。試驗選用GCr15鋼球作為配副，其直徑和硬度分別為6 mm和751HV。為確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個條件點(diǎn)分別進(jìn)行3次試驗。摩擦因數(shù)值由計算機(jī)軟件自動記錄。最后，通過表面輪廓儀測算出磨痕截面面積A，并使用以下公式分別計算出磨損體積V和磨損率W：

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

V=A·L

(1)

W=V/(F·S)

(2)

式中：L為磨痕長度；F為施加載荷；S為總滑動距離。

使用HVS-1000Z型維氏硬度計測量涂層的截面硬度(載荷：2.94 N，停留時間：10 s)，測試5次并取平均值。采用XRD-6100型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相組成分析。通過IT-300型掃描電子顯微鏡(SEM)和X-MAX-50型能譜分析儀(EDS)來觀測試樣的微觀組織及磨損表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織與硬度

圖1所示為激光熔覆FNM和FNMS涂層的XRD圖譜。可以看出，2種涂層的主要物相基本一致，主要由FeNi3和Fe9.7Mo0.3金屬間化合物相組成。加入Si元素后，F(xiàn)NMS涂層中新生成了FeSi金屬間化合物相，涂層中硬質(zhì)金屬化合物相的均勻分布以及元素的固溶強(qiáng)化作用對涂層硬度和耐磨性的提升可以起到重要的作用。綜上，F(xiàn)NMS的物相組成主要包括FeNi3、Fe9.7Mo0.3以及FeSi相。

圖1 FNM和FNMS涂層的XRD圖譜

圖2(a)和(b)分別示出了2種涂層橫截面形貌，可以看出，激光熔覆涂層的厚度約1 100 μm；涂層界面處呈蜿蜒狀，且均未出現(xiàn)明顯的孔隙和裂紋，說明熔覆質(zhì)量較高，涂層與基體之間的冶金結(jié)合良好。圖2(c)顯示了沿FNMS涂層截面EDS線掃描分析結(jié)果，可以看出，涂層中元素Fe、Ni、Mo和Si在界面處均有一定程度的擴(kuò)散，且存在著過渡區(qū)；從涂層過渡到基體，F(xiàn)e元素含量升高，Ni元素和Mo元素含量降低，Si元素含量略微降低，表明未出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。此外，圖中顯示出較短的過渡區(qū)說明了涂層較低的稀釋率[11]。

圖2 涂層橫截面形貌及FNMS涂層界面EDS線掃描分析結(jié)果

圖3顯示了2種涂層試樣沿與涂層垂直方向的顯微硬度分布曲線。可以看出，硬度分布明顯分為涂層區(qū)、熱影響區(qū)和基體區(qū)，3個區(qū)域的硬度呈階梯狀分布，且涂層的硬度明顯高于基體。基體和FNM涂層的平均硬度分別為153HV和385HV。FNMS涂層的平均硬度為438HV，即分別為基體和FNM涂層的2.8倍和1.1倍，充分說明了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7% Si元素的添加明顯提高了涂層的顯微硬度。一方面是由于Si元素的添加可以起到細(xì)化晶粒的作用，晶粒尺寸的減小使得涂層的強(qiáng)度和硬度得到提高[12]。另一方面，F(xiàn)eSi金屬間化合物的生成進(jìn)一步提高了涂層的硬度[13]。一般情況下，涂層的硬度是衡量其摩擦磨損性能的關(guān)鍵指標(biāo)，故有望使得FNMS具有良好的抗磨損性能。

圖3 FNM和FNMS涂層顯微硬度分布曲線

2.2 摩擦磨損性能

圖4(a)和(b)分別給出了當(dāng)滑動速度為0.033 m/s時，2種涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨施加載荷的變化曲線。可知，隨著載荷的增大，2種涂層的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，而磨損率則呈現(xiàn)出相反的趨勢，且在任意載荷條件下，F(xiàn)NMS的摩擦因數(shù)及磨損率均小于FNM。當(dāng)載荷較低時，涂層試樣表面的微凸體不能夠被去除，使得對摩球與涂層表面接觸面積較小，接觸應(yīng)力較大，故在載荷為5 N時摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出最大值。隨著載荷的進(jìn)一步增大，試樣表面的微凸體被逐漸磨平，對摩球與試樣之間的接觸面積增大，同時加工硬化程度的提高降低了兩接觸面間的黏合作用，最終導(dǎo)致涂層摩擦因數(shù)逐漸減小[7,14]。此外，涂層表面受到的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨之增大，使得涂層中的硬質(zhì)化合物顆粒被剝離，造成了磨損現(xiàn)象加劇，磨損率提高[7,15]。這同樣與Archard的研究結(jié)果相一致。Archard磨損模型由下式給出：

圖4 滑動速度為0.033 m/s時FNM和FNMS涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷的變化

Q=KF/H

(3)

式中：Q為單位滑動距離的磨損體積；F為施加載荷；H為材料的硬度；K為磨損常數(shù)。

由式(3)可知，在一般情況下，金屬材料的磨損率與施加的壓力成正比關(guān)系[16-17]。此外，材料的摩擦學(xué)性能與硬度有著密切的聯(lián)系，材料的硬度值一般與其耐磨性成正比關(guān)系[18]。由于FNMS的硬度相對較高，可以更好地抵抗外部載荷的作用，故FNMS在所有試驗載荷下的磨損率均小于FNM，即FNMS涂層在干摩擦條件下顯示出較好的摩擦學(xué)性能。

圖5(a)和(b)分別給出了當(dāng)施加載荷為10 N時，2種涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動速度的變化曲線。

圖5 載荷為10 N時FNM和FNMS涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動速度的變化

由圖5可以看出，隨著滑動速度的增大，2種涂層的摩擦因數(shù)均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)滑動速度從0.025 m/s增長到0.033 m/s時，摩擦因數(shù)隨之增大；而當(dāng)滑動速度超過0.033 m/s時，摩擦因數(shù)隨著滑動速度的增大逐漸減小。這是由于隨著滑動速度的不斷增加，摩擦表面的溫度逐漸升高，材料軟化現(xiàn)象變得嚴(yán)重，造成了材料強(qiáng)度的降低，故摩擦因數(shù)迅速下降[19-20]。此外，由于摩擦熱的作用溫度不斷升高，磨損表面發(fā)生明顯的氧化作用，生成的氧化物由于具有一定的潤滑作用，進(jìn)一步促進(jìn)了摩擦因數(shù)的減小。然而，由于亞表面FNM基體材料硬度相對較低，使得摩擦層不連續(xù)且結(jié)合強(qiáng)度低，極易受到對摩球的剪切作用而破裂。氧化摩擦層不斷被生成和破壞，如此反復(fù)，使得涂層的磨損率升高，故FNM的磨損率在0.033 m/s后出現(xiàn)上升趨勢[21]。而FNMS具有相對較高的硬度，表面形成的氧化摩擦層不容易被破壞，在一定程度上減少了對摩球和試樣表面的直接接觸，故磨損率呈現(xiàn)一直下降的趨勢[22]。

2.3 磨損機(jī)制

圖6給出了在載荷為20 N，滑動速度為0.033 m/s條件下2種涂層的磨損表面形貌。可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NM涂層表面出現(xiàn)了犁溝和嚴(yán)重的塑性變形，并有大量的磨屑附著在表面(見圖6(a))，呈現(xiàn)出典型的磨粒磨損特征。在大載荷作用下，接觸表面的微凸體發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，之后被迅速磨平，導(dǎo)致了磨粒的產(chǎn)生，這些可以自由運(yùn)動的磨粒進(jìn)一步加重了對接觸表面的犁削作用，從而造成了犁溝和塑性變形，并產(chǎn)生大量磨屑，磨損被進(jìn)一步加劇[22]。然而，由于FNMS涂層硬度相對較高，故其磨損表面相對比較平整(見圖6(b))，表面只有較少的磨屑和輕微的塑性變形，表明了涂層抗磨粒磨損的能力較強(qiáng)。此外，可以發(fā)現(xiàn)FNMS涂層磨損表面有不完整的片狀磨屑層的出現(xiàn)，這是由于在往復(fù)循環(huán)作用下，部分磨屑被反復(fù)碾壓后發(fā)生黏著所形成的，它在一定程度上減輕了磨損過程中對摩球和磨損表面的直接接觸，從而使磨損率相對較小[23]。此外，圖7中對磨損表面EDS分析的結(jié)果證明了表面出現(xiàn)了氧化反應(yīng)，生成的氧化層同樣是導(dǎo)致摩擦因數(shù)隨載荷增大而下降的原因之一[24]。綜上，F(xiàn)NM和FNMS涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形及輕微的氧化磨損。

圖6 載荷20 N、速度0.033 m/s下FNM和FNMS涂層的磨損形貌

圖7 FNM和FNMS涂層磨損表面EDS分析結(jié)果(20 N、0.033 m/s)

圖8給出了2種涂層在載荷為10 N，滑動速度為0.05 m/s的條件下的磨損表面形貌。可以明顯看出，F(xiàn)NM涂層磨損表面堆積了大量的磨屑以及沿運(yùn)動方向的犁溝痕跡，甚至出現(xiàn)大的磨屑顆粒，這是顯著的磨粒磨損特征。在較高的滑動速度下，材料表面產(chǎn)生的摩擦熱增多，導(dǎo)致材料變得軟化，硬度降低，磨損變得嚴(yán)重。此外，由涂層磨損表面的EDS分析結(jié)果可知(見圖9)，摩擦熱的增加促進(jìn)了涂層磨損表面的氧化，加劇了氧化磨損，且氧化物磨屑主要成分應(yīng)為氧化鐵[25]。然而，由于FNM涂層的承載能力較低，氧化摩擦層極不穩(wěn)定，很容易脫落，在氧化作用及往復(fù)作用下不斷地形成和被破壞，造成了表面磨屑的堆積。同時形成的氧化物磨屑促進(jìn)了三體磨損，使得涂層表面變得越來越粗糙[4,21,23]。然而，由于FNMS具有較高的硬度，表面形成的摩擦層破壞程度相對較輕，仍具有良好的減摩作用，可以很好地保護(hù)涂層表面，故表面只有相對較少的磨屑及輕微的塑性變形。綜上，F(xiàn)NM和FNMS涂層在該條件下的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形以及氧化磨損。

圖8 載荷10 N、速度0.05 m/s下FNM和FNMS涂層的磨損形貌

圖9 FNM和FNMS涂層磨損表面EDS分析結(jié)果(10 N、0.05 m/s)

圖10所示為載荷20 N，滑動速度0.033 m/s下2種涂層對應(yīng)的GCr15對摩球的表面磨損形貌。可知，2個對摩球磨損體積相差不大。在較高載荷作用下，涂層表面受到的正應(yīng)力及剪切應(yīng)力均增大，加速了磨損表面磨屑的生成，產(chǎn)生的磨屑存在于涂層和對摩球之間，造成了三體磨損，使得對摩球表面出現(xiàn)輕微的犁溝痕跡和塑性變形，故GCr15對摩球在該條件下的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。

圖10 載荷20 N、速度0.033 m/s時與FNM和FNMS涂層對摩后GCr15球的磨損形貌

3 結(jié)論

(1)采用激光熔覆技術(shù)設(shè)計制備了FeNiMo和FeNiMoSi兩種涂層，涂層的組織致密且冶金結(jié)合良好。FeNiMo涂層的物相為FeNi3和Fe9.7Mo0.3，而FeNiMoSi涂層主要包括FeNi3、Fe9.7Mo0.3和FeSi相。此外，F(xiàn)eNiMoSi涂層的平均硬度為438HV，約為基體硬度的2.8倍和FeNiMo涂層的1.1倍。

(2)總體上看，2種涂層的摩擦因數(shù)均隨滑動速度和載荷的增大而逐漸減小，磨損率隨著載荷的增大逐漸升高。FeNiMo涂層的磨損率隨著滑動速度的增大先下降后上升，而FeNiMoSi涂層的磨損率隨著滑動速度的增大逐漸下降。

(3)在高載荷條件下，涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形及輕微的氧化磨損，而在高速條件下主要為磨粒磨損、塑性變形和氧化磨損。

(4)與FeNiMo涂層相比，F(xiàn)eNiMoSi涂層具有較好的摩擦磨損性能，適合作為采煤機(jī)滑靴抗磨涂層。這主要與Si元素的細(xì)晶強(qiáng)化作用、涂層中FeSi硬質(zhì)相的強(qiáng)化作用以及高速條件下摩擦表面的氧化摩擦層有關(guān)。