原位自生(Ti，V)C堆焊層的耐磨性能

2023-02-09 03:31:50魏來，李丹，董振

沈陽工業大學學報 2023年1期

魏來，李丹，董振

(1.沈陽工業大學后勤處，沈陽 110870；2.遼寧中科力勒檢測技術服務有限公司，沈陽 110170)

曲軸是大型往復壓縮機的關鍵部件，在高速運轉過程中受到的載荷非常復雜，曲軸靜動特性對壓縮機的整體性能具有重要影響.扭曲、裂紋和磨損是曲軸的常見故障，需要尋找有效方法對曲軸進行修復.激光堆焊是一種利用高能密度激光束作為熱源將覆于表面的合金粉末熔化使得熔敷材料與基體形成冶金結合從而獲得高性能合金層的表面熔敷技術[1-2].由于TiC具有高硬度、高彈性模量、高熔點、良好耐熱穩定性等優點以及在組織中呈彌散分布的特點，在耐磨損和耐高溫領域得到廣泛應用[3-4].鈦鐵在世界上的儲量非常豐富，價格又很低廉，可以使生產成本大大降低[5].有些情況下僅靠TiC來提高熔敷層的耐磨性和硬度不夠理想，熔敷過程中Ti對O具有很強的親和力，Ti-Fe中大量Ti被燒損[6-8].

隨著現代化工業和高科技的發展，機械設備的磨損問題日趨嚴重，造成了能源和經濟損失[9-11].學者們探討選用耐磨材料來有效解決機械設備耐磨損問題.張輝等[12]研究了不同石墨添加量對Fe-Ti-V-C涂層組織及耐磨性的影響并發現，隨著涂層中石墨的增加，熔覆層硬度和耐磨性呈先增大后減小的趨勢，當石墨添加量過多時，涂層出現殘余奧氏體.王曉榮等[13]研究了硼對激光熔Fe-Ti-V-C合金組織及性能的影響并發現，硼的加入細化了涂層中陶瓷相顆粒，當硼加入量增加時，涂層硬度顯著增加，當涂層加入量達到25%時，涂層會產生裂紋.張蕾濤等[14]利用CO2激光器對45#鋼表面進行激光熔覆和重熔處理，觀察熔覆層的微觀組織結構，利用顯微硬度計及濕砂磨損試驗機等測試熔覆層的硬度和耐磨性，以愈合Ni60/50%WC熔覆層裂紋并消除孔洞等缺陷.朱繼祥等[15]研究了WC含量對鐵基復合涂層組織及磨損性能的影響，對不同含量WC熔覆層的晶相組織與耐磨性等進行了分析，結果表明隨著熔覆層W含量的增加，磨損量呈先減小后變大的趨勢.張堅等[16]研究了稀土Ce對高硼貝氏體涂層微觀組織及性能的影響并發現，隨著涂層中Ce含量的增加，涂層韌性先增大后減小，而涂層的摩擦因數呈先減小后增大趨勢.張煜等[17]利用超高速激光熔覆技術制備了鎳基WC涂層，觀察表面微觀組織并發現，與低速激光熔覆相比涂層表面質量變好，涂層與基體具有更好的冶金結合，殘余應力顯著降低，避免了裂紋的出現，其涂層耐磨性也得到了提升.

本文在Fe-Ti-C合金堆焊層中加入微量釩，通過試驗分析探討釩含量對堆焊層宏觀耐磨性與硬度的影響.

1 試驗測試

1.1 試驗材料

以20#鋼作為母材，在其表面制備堆焊層，母材尺寸為120 mm×100 mm×12 mm，制備粉末原料由鈦鐵(Ti-Fe)、釩鐵(V-Fe)、石墨和鐵粉組成.為了便于比較不同含量試件之間的硬度和耐磨性，提供了4種不同試驗配方.20#鋼、合金粉末化學成分和堆焊粉末配方分別如表1～3所示.

表1 20#鋼化學成分(w)

1.2 試驗設備及方法

利用SIM-FX-100角向磨光機將基體材料表面附著的氧化膜去掉.稱取總量為100 g的粉末，分為4種分配方式.將粉末放入薄紙上攪拌至均勻，利用經高錳酸鉀鈍化的水玻璃為粘接劑，壓制成尺寸為80 mm×30 mm×2 mm的合金粉末塊并粘結在基體材料試板上.放置在陰涼處自然風干24 h后，采用自控遠紅外電焊條烘干爐烘干.將試件在50 ℃保溫10 min，在100 ℃保溫10 min，再升溫至200 ℃保溫1 h.利用DL-HM-T5000型CO2激光器對試件進行表面堆焊處理.在激光熔覆過程中為了防止涂層被氧化，采用氬氣進行保護.激光堆焊試驗主要參數如表4所示.

表2 合金粉末化學成分(w)

表3 堆焊粉末配方(w)

表4 激光堆焊試驗主要參數

采用金相試驗觀察不同含量粉末形成的堆焊層中(Ti，V)C增強相的數量、形態和分布特征.利用HRD-150洛氏硬度計測量堆焊層表面宏觀硬度.利用磨損試驗機測試堆焊層耐磨性，并分析硬質相的形態、分布特征對堆焊層耐磨性能的影響.磨損試驗在MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機上進行.采用OK7750數控制線切割機床將測試完硬度的堆焊試板加工成尺寸為56 mm×27 mm的試塊，利用分析天平精確測量其磨損前質量.磨損試驗主要參數如表5所示.磨損試驗完成后，立即清洗砂漿并吹干，防止試塊腐蝕氧化.然后將試塊放在分析天平上測量其質量，獲得試塊磨損后的質量，并計算出試塊的磨損量.

表5 磨料磨損試驗主要參數

2 結果與分析

2.1 硬度試驗數據分析

硬度測量中在堆焊層表面選取三個不同位置分別進行測量，取其平均值來衡量堆焊層表面硬度.硬度試驗數據如表6所示，硬度值變化曲線如圖1所示.由圖1可見，隨著釩鐵含量的增加，硬度值逐漸增大，釩鐵含量達到32.6%時硬度值最大.這是由于堆焊層粉末中的鈦鐵和釩鐵在激光堆焊條件的高溫作用下熔化分解，Ti和V熔化在液相鐵中，而Ti和V都屬于強碳化物形成元素，而石墨的作用就是為此反應提供C原子，因而存在以下反應：Ti+C→TiC，V+C→VC.因為Ti∶C=1∶1，V∶C=1∶1，其摩爾比相同，在熔池凝固過程中很容易依附成長，從而形成TiC和VC的互溶體碳化物結構，因此，堆焊層中的硬質相為(Ti,V)C復合顆粒.

表6 硬度試驗數據

圖1 堆焊層硬度分布

隨著堆焊層中釩鐵含量的增加，(Ti，V)C硬質相數量增多.這是因為1號試件基體組織晶粒數量較少、分布不均勻且晶粒較為細小；2號試件晶粒數目增加且分布較均勻；3號試件晶粒數目更多，硬度也較大；4號試件晶粒大小適中且分布均勻，因而硬度最大.

2.2 磨損試驗數據分析

磨損試驗結果如表7所示，堆焊層磨損量分布情況如圖2所示.

表7 磨損試驗數據

圖2 堆焊層磨損量分布

由圖2可見，隨著釩鐵含量的增多，磨損量逐漸減少，這是因為在堆焊過程中TiC和VC分布在板條馬氏體基體中的數量增加，使得(Ti，V)C硬質相含量增加，即復合增強相數量增加，顆粒尺寸變大，對磨粒切削運動起到了明顯阻礙作用，因而磨損量減小.當釩鐵含量為32.6%時，磨損量僅為0.436 7 g.

2.3 SEM顯微組織分析

4種不同試件堆焊層金相顯微組織如圖3所示.堆焊層顯微組織由鐵素體+奧氏體+馬氏體+(Ti，V)C硬質相組成.由圖3可見，隨著釩鐵含量的增加，形成了更多的VC，從而使得(Ti，V)C硬質復合相逐漸增多.圖3a中白色小顆粒為(Ti，V)C硬質相，其數量較少且分布不均勻，因而堆焊層硬度小且耐磨損性差；圖3b中(Ti，V)C硬質相增多且分布均勻了許多，堆焊層硬度增大且耐磨損性升高；圖3c中(Ti，V)C硬質相均勻、密集分布在基體中，說明隨著釩鐵含量的增加，(Ti，V)C硬質相含量增多，堆焊層硬度增大，磨損量逐漸減少；圖3d中(Ti，V)C硬質相晶粒大小適中，數量較多且分布很均勻.因為在磨損過程中磨料硬度很高，如果晶粒過于細小容易被磨損掉，所以晶粒適中時耐磨性較好.