激光熔覆Fe-Cr-Co-W合金系熔覆層硬質相的微觀形貌與摩擦行為

王聰, 毛從強, 王冬春, 賈麗榮, 欒程群, 隋江雷

(1.中車工業研究院(青島)有限公司，山東 青島 266000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000;3.中車青島四方機車車輛股份有限公司，國家工程實驗室，山東 青島 266000)

0 前言

在軌道車輛的使用過程中，大部分的破損發生在工件的表面部分，特別是在惡劣的工作環境中，如強摩擦、高溫高壓等，關鍵零部件的磨損失效尤其嚴重。激光熔覆技術具備解決金屬材料零部件修復的獨特優勢[1-5]。通過激光熔覆技術可以在工件表面得到與基體組織冶金結合的涂層[6-7]，與基體結合牢固，熔覆層有很強的耐磨性[8-12]，在工件表面起到保護的作用，提升了工件的使用性能,在軌道交通制造領域應用廣闊。

碳化物-金屬基復合材料對所有類型的磨損都有較高的磨損抗力，這是因為硬質顆粒鑲嵌在韌性的基體之中，在摩擦中起到支撐的作用，從而減少了組織的磨損[13-16]。采用激光熔覆工藝將不同含量的Fe-Cr-Co-W系合金粉末熔覆在Q235鋼表面，獲得高性能且與基體組織結合牢固的熔覆層，觀察分析了熔覆層的微觀組織，并對基體、熔覆層和金屬摩擦材料組成的摩擦副的摩擦性能進行了研究。

1 試驗方法

試驗基材為100 mm×60 mm×6 mm的Q235鋼板，表面熔覆用粉末為不同含量的Fe-Cr-Co-W系合金粉末，成分見表1。采用激光熔覆工藝將合金粉末熔覆在Q235表面，工藝參數為：發射功率3.0 kW，激光光斑直徑5 mm，掃描速度650 mm/min，單道熔覆，工作氣體選用氬氣，送粉氣壓為280 MPa，保護氣壓為700～800 MPa。

表1 不同含量Fe-Cr-Co-W系合金粉末化學成分(質量分數，%)

獲得激光熔覆層后切割成標準試件，用掃描電鏡觀察熔覆層的物相，并通過X射線衍射儀對熔覆層進行物相分析。通過顯微硬度儀測量熔覆層硬質相的硬度值，載荷9.807 N，持續加載10 s。在M-200磨損試驗機上采用環-塊式滑動摩擦，在干摩擦的條件下，首先將標準試樣用酒精清洗干凈，并干燥后稱量，對磨的鋼環為高耐磨的GCr15，法向載荷20 N，對磨時間為40 min，通過計算試驗后清洗、干燥的試樣磨損失重量評價熔覆層的相對耐磨性，通過計算試驗過程的摩擦系數評價硬質相的減磨作用，利用掃描電鏡觀察磨損后的表面形貌，分析熔覆層耐磨機理。

2 結果及分析

2.1 熔覆層的組織及顯微硬度

對不同含量的Fe-Cr-Co-W系熔覆涂層進行光學顯微鏡分析，如圖1所示，在1號試樣表面主要分布著胞狀晶，如圖1a所示，隨著Co和W元素的加入，并溶入基體鐵基合金，使得晶粒的生長方向的過冷度發生改變，形成成分過冷，金相組織由胞狀晶開始生長為樹枝晶，并且隨著WC含量的增加，樹枝晶組織更加明顯。2號和3號試樣的主要晶相組織為樹枝晶，如圖1b，1c所示，4號試樣由于W元素和Co元素在鐵基中有限固溶，高溫下在共晶點附近液相組織中開始析出MxC硬質相，晶粒的周圍開始出現共晶組織，如圖1d所示。5號～7號試樣表面則主要分布著葉脈狀的硬質相，由4號試樣表面的初生共晶相生長而來，如圖1e，1f,1g所示。

圖1 不同含量的Fe-Cr-Co-W系熔覆涂層金相組織形貌

圖2為6號試樣Fe-Cr-Co-W系合金熔覆層低倍下(圖2a)和高倍下(圖2b)的掃描電鏡照片，從圖2a中可以看出，熔覆層表面組織均勻，無縮孔、裂紋等缺陷，灰色的γ-Fe基體上均勻的分布著葉脈狀共晶相，在圖2b中可以看出，葉脈狀共晶相的清晰組織，葉脈規則完整，在王水的腐蝕下保留著完整的形貌，有良好的耐蝕性。

圖2 激光熔覆Fe-Cr-Co-W系合金熔覆層掃描電鏡照片

圖3為6號試樣熔覆層表面X射線衍射分析結果，表明熔覆層表面主要由γ-Fe,(Fe,Cr)7C3,Co3W3C和Fe6W6C相組成，圖4為掃描電鏡能譜分析結果，W和Fe元素處于互補的位置，且在葉脈狀共晶相處Fe元素含量極少，Cr和Fe元素則是在相同的區域，可以確定葉脈狀共晶相為Co3W3C，而基體為γ-Fe和固溶于其中的(Fe,Cr)7C3相。用顯微硬度儀測得熔覆層的平均硬度值為888 HV，葉脈狀硬質相最高硬度值達到1 097 HV，而基體Q235鋼硬度值只有150 HV，大大提升了熔覆層的表面硬度，提升了零部件的使用性能。

圖3 熔覆層X射線衍射分析結果

圖4 葉脈狀硬質相能譜分析結果

2.2 熔覆層耐磨性分析

圖5為激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系合金涂層在M-200磨損試驗機上40 min的磨損量，在磨損中未出現任何熔覆層脫落現象，熔覆層與Q235基體冶金結合牢固。圖5可以看出，Fe-Cr系合金熔覆層1號試樣在相同的摩擦條件和摩擦時間下的磨損量最大，達到0.199 6 g，且高于加入W與Co元素的磨損量，這說明W和Co元素的加入改善了鐵基熔覆層的耐磨性。隨著W和Co元素含量的增加，磨損量呈現減小的趨勢，而6號試樣磨損量最小。結合熔覆層金相組織分析可得，1號試樣即純Fe-Cr系合金熔覆層中，主要的金相組織為規則的胞狀晶，耐磨性最差，隨著W和Co元素含量的增加，熔覆層的耐磨性得到顯著的提升。到達5號試樣即熔覆層的主要晶相變為葉脈狀硬質相時，磨損量又有一個較大的降低，磨損量最低的6號Fe-Cr-Co-W系合金涂層的磨損量僅為0.003 2 g，相當磨損量為Fe-Cr系合金涂層的1/60。可以看出，隨著W和Co元素的加入，使得Fe-Cr-Co-W系合金涂層熔覆層的耐磨性得到了極大程度的提升。

圖5 激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系合金涂層磨損量

圖6為磨損試驗中不同含量Fe-Cr-Co-W系合金熔覆層表面摩擦系數穩定后的平均值變化規律，可以看出隨著W和Co元素含量的增加，摩擦系數有減小的趨勢，且每個試樣在摩擦試驗的開始階段，摩擦系數均處于動態的變化過程。在摩擦開始時，熔覆層表面與GCr15接觸，硬質相和基體同時參與摩擦，摩擦系數較高，且變化較大，隨著試驗的進行，熔覆層的摩擦系數開始趨于穩定。6號試樣平均摩擦系數達到了最低值0.354，1號試樣純Fe-Cr合金熔覆層摩擦系數在0.495達到穩定。W和Co元素含量高的試樣強化相為葉脈狀的Co3W3C，在磨損試驗中，接觸面處的軟質基體率先被磨損，葉脈狀的硬質相逐漸浮凸于接觸面，起到摩擦的骨架作用，與GCr15對磨，兩種硬度很高的材料相摩擦，磨損類型由開始的黏著磨損轉化為磨粒磨損，摩擦系數有一定程度的降低，葉脈狀硬質相Co3W3C起到了減磨的作用，且對熔覆層的表面有一定的自潤滑作用，使得熔覆層的摩擦系數降低且穩定。

圖6 激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系熔覆層摩擦系數

圖7為Fe-Cr-Co-W系合金涂層摩擦后的表面形貌，圖7a，7b為1號試樣磨損形貌，摩擦面有明顯的大面積剝落，為典型的黏著磨損，磨損量和摩擦系數均為最高。圖7c，7d為4號試樣磨損形貌，在晶相分析中看到，從4號試樣開始出現葉脈狀硬質相的初生相，在磨損試驗中，表面形貌為磨粒磨損，在圖7d中可以看出，只有少量的葉脈狀硬質相的初生相存在于摩擦面，由于硬質相未完全形成，會有少部分的磨損，首先摩擦下來的硬質相顆粒夾雜于GCr15摩擦環與試樣表面，形成三體摩擦，磨痕十分明顯。圖7e，7f為5號試樣磨損形貌，從圖7e可以看出，磨損面磨痕明顯減少，在圖7f中可以清晰的看到已經成形的葉脈狀硬質相，形貌比較完整，但是數量比較少，在磨損中，葉脈狀硬質相生長完全，不易被磨損，所以磨損掉的硬質顆粒減少，磨損面磨痕減少。葉脈狀硬質相在磨損中起到一定的骨架作用，降低了試樣的磨損量和摩擦系數。

圖7g，7h為6號試樣磨損形貌，圖7g與圖7e對比明顯的看出，6號摩擦樣表面的磨痕已經很難被觀察到，Co3W3C大范圍均勻的分布于摩擦面的表層，在磨損試驗后形貌完整，沒有斷裂和脫落，大面積的 Co3W3C硬質相浮凸于摩擦面上，分布均勻且鑲嵌牢固，在磨損試驗中，起到骨架的作用，與GCr15摩擦副直接接觸摩擦，從而減少了硬質相周圍的基體組織的磨損，起到減磨的作用。硬質相和GCr15對磨降低了摩擦系數，從而降低了磨損中的剪切應力，從而減少了摩擦應力，降低了試樣的磨損量，提升了耐磨性，使試樣的磨損量和摩擦系數都達到了最低值。

圖7 Fe-Cr-Co-W系合金涂層磨損形貌

圖8為7號試樣的磨損形貌，由1號～6號試樣的磨損試驗結果證明，隨著W和Co元素含量的增加，試樣的磨損量和摩擦系數都會降低，但是7號試樣磨損量和摩擦系數都有一定程度的提升。在磨損形貌中，幾乎看不到磨痕，因為葉脈狀硬質相范圍的分布使得磨損成為硬質相與GCr15的對磨。但是在圖8中可以看到葉脈狀硬質相上有裂紋存在，使得本身完整的硬質相被分為兩半，有的甚至在葉骨處發生斷裂，在磨損試驗中降低了葉脈狀硬質相的支撐作用，從而使得7號試樣的摩擦系數和磨損量都有了一定程度的提升，性能較6號試樣有一定程度的降低。

圖8 7號試樣磨損形貌

3 結論

(1)1號試樣主要金相組織為胞狀晶，隨著W和Co元素含量的增加，改變了晶粒生長方向的過冷度，形成成分過冷，金相組織開始成長為樹枝晶。4號試樣出現葉脈狀硬質相Co3W3C的初生相，進一步增加W和Co元素含量，試樣組織以葉脈狀硬質相Co3W3C為主。

(2)6號試樣磨損量和摩擦系數均達到最低，性能最優，在磨損試驗中葉脈狀硬質相起到骨架的作用，與GCr15摩擦副對磨，降低基體組織的磨損量，兩種高硬度相相摩擦，降低了摩擦系數，提升了試樣的耐磨性。

(3)隨著W和Co元素含量的提升，磨損類型由1號試樣的黏著磨損轉變為磨粒磨損，在葉脈狀硬質相未完全形成時，硬質相初生相易磨損，與摩擦副形成三體磨損，摩擦面磨痕明顯。硬質相生長完全時，與GCr15摩擦副直接對磨，試樣表面磨痕很少。W和Co含量過高會引起葉脈狀硬質相的脆斷，對熔覆層的耐磨性又有一定程度的降低。