礦用滑靴40CrNi2Si2MoVA激光熔覆涂層的性能研究*

楊 樹 郝敬賓 王瑞明 楊海峰 劉 昊 劉新華

(1.中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116；2.太重煤機有限公司 山西太原 030032)

雙滾筒采煤機生產效率高及成本低，已成為采煤工作面的主要設備[1]。平滑靴是采煤機的重要部件，由于井下工況環境的復雜，平滑靴經常會出現磨損、失效等問題，不僅影響生產效率還可能引發安全事故。而更換平滑靴不僅操作困難而且工作量大，成本較高。采用激光熔覆技術在平滑靴表面熔覆一層具有良好抗磨性能的涂層，是解決平滑靴磨損問題的最有效、最經濟的方式。

激光熔覆作為一種表面改性技術，有著能量密度高、加工效率高、快冷快熱的優點[2-4]，利用高能量激光束將粉末熔化于基材表面，從而形成具有良好力學性能的合金涂層[5-6]，可有效提高基材的抗磨性能。研究表明，激光熔覆后會提高基體的硬度[7-8]、耐腐蝕性[9-10]、耐摩擦磨損性能[11-12]，從而影響零件的使用壽命，因此被廣泛應用于各種零件的修復和改善方面。張詩怡等[13]為提高Ti6Al4V合金的耐磨減摩性能并延長穩定服役周期，采用激光熔覆技術在其表面制備3種配比的復合涂層，結果表明合金的耐磨性均得到大幅提高。陳世鑫等[14]提出了激光熔覆制備與激光淬火相結合的復合新工藝，通過優選材料成分接近、硬度等力學性能優良的FeCrNiCu合金，實現了QT700球墨鑄鐵齒輪表面熔覆層的制備。試驗結果表明：淬火后熔覆層頂部等軸晶更加細小，晶粒粒度減小；中部樹枝晶枝干有所細化，部分枝晶分離；底部胞狀晶尺度基本保持熔覆后的形態，但界面白口組織向部分熔解、斷續分離態轉變；淬火后熔覆層硬度由473～589HV提升至666～735HV；摩擦因數由0.15～0.25降低至0.05～0.15。王蕊等人[15]在高球墨鑄鐵表面采用高速激光熔覆技術制備了Ni基合金涂層，對該涂層的物相、表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性進行分析。結果表明：Ni基合金涂層主要由γ-Ni、Cr23C6、Ni2Si及Ni3B相組成，硬度提升1.58倍，磨損量相減少65.7%，其耐蝕性明顯優于球墨鑄鐵的耐蝕性。郭士銳等[16]采用大功率半導體光纖耦合激光器在灰鑄鐵平板上制備4種不同鎳含量的鐵基合金粉末熔覆層，對熔覆層金相顯微組織、硬度、耐磨損和耐腐蝕性能進行檢測。結果表明，4種鐵基合金粉末熔覆層晶粒尺寸依次增大，晶粒數目減小，熔覆層硬度及耐磨性能降低，耐腐蝕性能提高；C鐵基合金粉末熔覆層平均硬度相對于基材提高了3倍以上，耐磨性提高了4倍，腐蝕試驗驗證了鐵基合金熔覆層耐腐蝕性能顯著增強，綜合性能滿足更多實際需求。

上述研究表明，通過激光熔覆強化后的表面擁有更好的硬度、耐摩擦磨損等性能，可以用于強化零件表面，提升零件使用壽命。因此，本文作者以平滑靴為基材，采用激光熔覆技術在平滑靴表面熔覆一層40CrNi2Si2MoVA涂層，研究不同激光掃描路徑下的熔覆層的結構及耐磨性，選擇最優的熔覆層進行了上機測試，為提高平滑靴抗磨性能和使用壽命提供理論與試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗采用激光熔覆系統如圖1所示，激光器為銳科激光生產的RLF-C3300型激光器，最大功率為3.3 kW，運動單元采用ABB機器人與兩自由度旋轉平臺，能夠輕松實現水平基板的各種路徑的激光熔覆，保護氣選擇氬氣。

圖1 激光熔覆系統

1.2 試驗材料

1.2.1 基板材料

試驗基材為使用線切割方法從平滑靴上切下來的ZG25Cr3Mo板材，該材料具有良好的耐磨性以及耐沖擊性能，在煤礦機械上有著廣泛的應用。該材料的化學成分如表1所示。

表1 ZG25Cr3Mo化學成分

1.2.2 熔覆層材料

粉末材料選用40CrNi2Si2MoVA 鋼，作為低合金超高強度鋼，其含合金元素量少，經濟性好，強度高，具有高耐疲勞性和蠕變性能，常用在壓力容器承力部件上[17]。圖2(a)示出了40CrNi2Si2MoVA粉末的形貌，粉末基本為球形，經過烘干之后具有良好的流動性，有助于熔化之后成型，圖2(b)示出了該粉末的粒徑分布，粒徑主要分布在31.1～186 μm之間。粒徑符合正態分布，可以更好地吸收激光能量，避免過大或過小的粒徑導致能量分布不均勻造成缺陷。該粉末的化學成分見表2。

圖2 40CrNi2Si2MoVA粉末的形貌(a)及粒徑分布(b)

表2 40CrNi2Si2MoVA粉末化學成分

1.3 試驗方法

激光熔覆前，先將粉末烘干以去掉其中多余的水分；同時對基板進行表面除銹，然后反復打磨，使得基板表面平整并呈現出一定的光澤。激光熔覆的主要工藝參數為：激光功率1 800 W，掃描速度180 mm/min，離焦量13 mm，多道搭接的搭接率40%，送粉量18.46 g/min。

由于平滑靴的表面是一個長方形表面，因此采用了4種將掃描方式，分別為長邊單向掃描、長邊往復式掃描、短邊單向掃描、短邊往復式掃描，如圖3所示。每種掃描方式熔覆層的長和寬保持一致，每層熔覆道熔覆16 mm×30 mm。

圖3 掃描路徑規劃

熔覆完成之后，采用線切割技術從熔覆層上面切下20 mm×20 mm×20 mm的樣塊，然后對其進行打磨拋光直至呈現出鏡面。之后使用體積比為3∶1的濃鹽酸(HCl)和濃硝酸(HNO3)混合溶液對試樣表面進行腐蝕，并在光學顯微鏡(500倍，20 μm)下，觀察熔覆層靠近搭接區的上方、中部以及熔覆層與基板的結合區的形貌。

熔覆層硬度測試采用維氏硬度計，載荷設置為2.942 N，保荷時間設置為15 s。從熔覆層上面依次向下取20個點進行測試，為減小誤差，每個點橫向水平測量層分別選取三點，取三點的平均值作為該點的硬度。

摩擦方式選擇常溫摩擦磨損，將多道熔覆涂層進行表面拋光，使用乙醇溶液清洗去除雜質。試驗載荷設置為10 N，樣品轉速為600 r/min，X軸摩擦半徑調節為4 mm，對摩材料選擇直徑為6 mm的Si3N4球，對摩時間60 min。

2 試驗結果與分析

2.1 不同掃描路徑對熔覆層表面宏觀形貌的影響

圖4示出了不同掃描路徑下的熔覆層宏觀形貌。4種掃描路徑之下，熔覆層有著很好的連續性，表面無比較明顯的氣孔以及裂紋，表面熔覆層與基體之間有著良好的冶金結合。涂層表面有部分粉末黏著，這是由于激光熔覆結束之后，涂層表面溫度仍很高，導致粉末附著在涂層表面。比較4種掃描路徑下的熔覆層宏觀形貌，可知長邊和短邊雙向掃描時，熔覆層兩端的涂層熔化相對于長邊和短邊單向掃描時來說比較徹底。這是由于激光來回掃描時，在熔覆層末端有著很強的熱積累，從而導致熔覆層兩端熔化比較徹底(見圖4(c)和(d))，而單向掃描時，熱積累會相對較小，熔覆層兩端熔化不徹底(見圖4(a)和(b))。

圖4 不同掃描路徑下熔覆層的宏觀形貌

2.2 不同掃描路徑對于熔覆層組織的影響

不同掃描路徑下熔覆層的微觀組織形貌如圖5所示。可以看出，組織中未見明顯的缺陷。熔覆層上部分接觸空氣且遠離熔池，此時溫度梯度最大，表面熱量散發比較快，因此會形成細小的枝晶或者是等軸晶，晶粒細小且組織較為致密。從圖5(a1)—(d1)中可以看出，4種掃描方式下熔覆層頂部大部分都是由等軸晶組成。熔覆層中部因為靠近熔池中心，因此向四周散熱較緩慢且穩定，有足夠的時間和溫度給柱狀晶或者柱狀樹枝晶生長。

圖5 不同掃描路徑下熔覆層的微觀組織

從圖5(a2)—(d2)中可以看出，在這種狀態下凝固，中部會出現粗大的樹枝晶。而在結合區部分，當激光掃描到基體時，基體會發生固態相變，熔池凝固過程中，熔池底部的溫度降低比較均勻，因此產生了平面晶。隨著溫度變化加快以及界面向上移動，同時由于激光束沖擊以及送氣送粉的擾動，凝固界面由平衡態轉變成為非平衡態，產生了胞狀晶、樹枝晶。從圖5(a3)—(d3)可以看出，結合區主要由胞狀晶和樹枝晶組成。

在熔覆層上方，單向掃描狀態下頂部的等軸晶相比較于雙向掃描晶粒更加細小，這是因為相比較于來回掃描，單向掃描的冷卻速度更快，得到了更多的等軸晶，長邊單向掃描冷卻速度是最快的。在熔覆層中部，大部分都是由柱狀晶組成，隨著冷卻速度的加快，柱狀晶逐漸被細化，從圖5(a2)中可以看出，右側柱狀晶部分轉化為等軸晶。而雙向掃描由于來回掃描，使熔覆轉接處溫度冷卻速度比較慢，晶粒生長時間比較長，造成晶粒偏大。掃描方式的改變相對于熔覆層底部的結合區影響不大，結合區組織主要還是由尺寸大小相近的胞狀晶和樹枝晶組成。

2.3 不同掃描路徑對于熔覆層硬度的影響

圖6示出了不同掃描路徑下熔覆層的顯微硬度變化規律。

圖6 不同掃描路徑下熔覆層的顯微硬度

由圖6可以看出，熔覆層的顯微硬度在450～550HV之間，而基體的顯微硬度在350HV左右?？梢娙鄹矊拥娘@微硬度明顯要高于基體，達到了對基體表面強化的目的。熔覆層的厚度在一定程度上對整體的硬度也有影響，覆層頂部的硬度偏大，這是由于熔覆層頂部直接接觸空氣，冷卻速率最快，形成的晶粒較小，因此顯微硬度比較大；熔覆層中部受環境影響較小，散熱較慢，晶粒偏大，硬度普遍低于熔覆層頂部。而在熱影響區上，硬度又開始上升，這是由于基體本身是退火材料，熱影響區相當于一種淬火狀態，因此硬度變大。從圖6中可以看出，4種掃描路徑中長邊單向的硬度最高，這是因為冷卻速率直接影響熔覆層的組織，而熔覆層組織對于硬度有很大的影響。4種掃描路徑中，單向掃描的顯微硬度要高于雙向掃描的顯微硬度，這是由于在來回掃描時，搭接區會出現蓄熱的情況，該處的晶粒經過二次加熱之后，會促進自身的成長，導致該位置的晶粒尺寸相比較于單向掃描的晶粒更大，因此該處的硬度會降低。而長邊掃描的硬度相對于短邊掃描的硬度更大，這是由于在相同的掃描速度下，熔覆短邊時間比長邊時間長，散熱時間相對較短，因此晶粒生長時間較長，晶粒偏大，硬度降低。

2.4 不同掃描路徑對于熔覆層耐磨性的影響

圖7示出了4種掃描路徑下熔覆層的摩擦因數。摩擦因數的大小代表了減摩性能的強弱，即材料降低磨損的性能[18]。在摩擦磨損前期，4種熔覆層會有一段短暫的低摩擦因數，隨后在很短的時間內，摩擦因數趨于穩定，并在穩定值附近波動。說明在摩擦磨損前期，磨損接觸方式主要為“點接觸”；隨著時間延長，磨損深度加深，磨損方式變為“面掃描”，從而造成所受的滑動剪切阻力增大，摩擦因數增高；最后隨試驗時間推移漸漸進入穩定磨損階段。4種掃描方式中，短邊單向掃描的摩擦因數最小、最穩定(μ=0.5)。導致摩擦因數變化的最主要的因素是微觀組織下晶粒大小的不同從而導致硬度的不同，而硬度進一步影響了不同掃描路徑下的摩擦因數和耐磨性。這是因為單向掃描的微觀組織的晶粒大小相比較于雙向掃描更加致密，從而擁有更高的硬度和耐磨性。

圖7 4種不同掃描方式下熔覆層的摩擦因數(載荷10 N，摩擦半徑4 mm)

耐磨性指材料其本身抵抗磨損的性能。采用磨損率大小來表征其耐磨性強弱，磨損率計算公式為

式中：W為體積磨損率；V為損失體積；F為載荷；L為磨損長度。

圖8示出了不同掃描方式下熔覆層的磨損率。

圖8 不同掃描方式下熔覆層的磨損率

由圖8可以看出，隨著掃描方式的改變，熔覆層的磨損率也隨之變化；單向掃描的磨損率比雙向掃描的低，這是因為按照Archard定律，耐磨性和硬度成正比，單向掃描的硬度高，因而磨損率低。其中，短邊單向掃描有著比較低的摩擦因數和最低的磨損率，相對于其他的熔覆層耐磨性有著很明顯的優勢。

圖9示出了不同掃描方式下熔覆層的磨損形貌?？梢钥闯?，摩擦試驗后，熔覆層表面都出現了嚴重的磨損，與對摩球接觸的地方最為嚴重，兩邊突出的地方為材料磨損之后在兩邊堆積從而形成的堆屑層。

圖9 不同掃描方式下熔覆層磨損表面三維形貌

2.5 現場上機測試

選擇短邊單向掃描方式制備的性能最好的熔覆層進行現場上機測試。由于平滑靴表面積較大，因此采用ZKZM-XOOOW高速熔覆光纖激光器進行激光熔覆，熔覆工藝參數和上文相同，熔覆前對平滑靴表面進行打磨以去除雜質。平滑靴表面熔覆涂層的形貌如圖10所示，熔覆層規律整齊，搭接良好，表面沒有明顯的缺陷。

圖10 平滑靴表面熔覆層宏觀形貌

在山西汾西正令煤業責任有限公司新工作面的采煤機上開展了高速激光熔覆后滑靴的耐磨性檢驗。摩擦磨損是滑靴的主要失效形式，因此主要對滑靴的磨損量進行測量和記錄。圖11所示為2種滑靴在投入礦井下使用后磨損量隨時間變化的對比?？梢钥闯觯催M行強化的表面的磨損量與激光熔覆強化表面有著很大差距，第10和第21天時，前者為后者的4倍和2倍，說明制備的涂層的耐磨性要明顯高于平滑靴本身耐磨性。導致兩者磨損量差異逐漸減小的主要原因是，由于熔覆層為單層，長時間磨損后熔覆層被磨穿，平滑靴表面直接接觸滑軌從而導致磨損量增加，這也進一步表明了通過激光熔覆制備的熔覆層可以明顯提高平滑靴的耐磨性和使用壽命。

圖11 熔覆前后磨損量對比

3 結論

(1)長邊單向、短邊單向、長邊雙向和短邊雙向4種掃描路徑之下熔覆層有著良好的冶金結合，表面無比較明顯的氣孔以及裂紋。雙向掃描會導致熔覆層末端有著很強的熱積累，從而導致熔覆層兩端相對于單向掃描熔化比較徹底。

(2)4種掃描方式下熔覆層底部主要由胞狀晶、樹枝晶組成，中間部分主要由柱狀晶、柱狀樹枝晶組成，上部主要由等軸晶組成。單向掃描狀態下頂部的等軸晶相比較于雙向掃描晶粒更加細小，當掃描方式為長邊單向時，熔覆層的晶粒更加致密，質量最好。

(3)單向掃描方式下的顯微硬度是要高于雙向掃描方式下的顯微硬度，長邊單向掃描方式下的硬度最大。短邊單向掃描方式下的磨損率最低，相對于其他的熔覆層耐磨性有著很明顯的優勢。

(4)現場上機測試結果表明，40CrNi2Si2MoVA熔覆層具有良好的耐摩擦磨損性能，激光熔覆后滑靴的使用壽命要高于普通滑靴的壽命。