熱處理溫度對激光熔覆機械軸承耐磨損性能的影響

孟麗娜 劉丹丹 羅玉梅

(鄭州工業應用技術學院 河南 新鄭 451100)

作為一種常用的機械零部件，軸承在使用期間不可避免地要與其他部件碰撞產生摩擦和磨損，所以軸承是否耐磨損對于機械使用壽命有著十分重要的影響。為減少機械軸承的磨損程度，保障機械設備安全運行，很多研究人員開始對軸承表面改性方法進行研究，其中的激光熔覆是目前使用最為頻繁的改性方法，能夠有效提升軸承的耐磨損性能。但是目前關于此方法的研究較少，如何去處理激光熔覆后軸承的研究更是少之又少，這種狀況難以促進該項技術的發展和創新。因此，本文基于上述背景，對激光熔覆軸承耐磨損性能受到熱處理溫度的影響情況進行詳細研究，并為機械軸承的激光熔覆后處理和改性提供新思路，希望能夠幫助該項改性技術的推廣和應用。

1 激光熔覆與熱處理的原理分析

1.1 激光熔覆

激光熔覆是通過集中的激光使金屬表面產生高溫/使其溫度升高到熔點以上，然后迅速降溫，使金屬熔化和被覆的一種高級加工技術。激光熔覆法能夠實現不同材質、不同形狀和不同尺寸的工件表面的高效率、高精度、非接觸性和無污染等特點[1]。

該技術的工作機理是通過同步或預置材料的方式，將外部材料添加至基體經激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層。此外，該技術具有高能量密度、較快工作時間等優點，可保證在物質熔融之前其溫度就已超過熔融點，從而可以防止其在熔融前發生過加熱、變形等現象。在熔化后金屬會變成液體，而在此過程中，激光可以改變熔池的方向，從而將需要的位置填滿[2]。當激光結束后，金屬表面的液體會在一瞬間凝固。該方法能在較短的時間內完成部分融化，并能迅速冷卻，以獲得具有良好的微觀結構和高精度的產品。

激光熔覆特性：熔覆層具有較低的稀釋程度和較高的結合力，并與基體形成一種冶金性結合，能明顯提高基體表面的耐磨性、耐蝕性和耐熱性；其具有良好的抗氧化和電性能，可以實現對表面的修飾和修補，在滿足對物質表面特殊性質需求情況下，節省大量材料費用。與傳統的堆焊、噴涂、電鍍、氣相沉積等方法進行比較，激光熔覆法的熔覆量小、組織致密、涂層與基體的結合力好、適用材料種類多、粒度和含量變化較大、應用前景良好。

根據目前激光熔覆技術的應用現狀，可以分為以下三大類。

第一類是對燃氣輪機葉片、滾子、齒輪等進行表面處理。

第二類是工件的表面修補，如轉子、沖模等。相關數據顯示，修理后的零件的強度可以保持在原來的90%以上，修理成本還不到重置成本的1/5，而且還可以有效地減少修理周期，從而解決在大型企業中的轉動零件快速搶修問題[3]。另外，在關鍵構件表面進行超高抗磨、耐腐蝕合金化可大幅提升構件的服役壽命，且構件表面不產生任何變形。在此基礎上，采用激光熔敷技術，不但可以提高鑄型的強度，而且可以使鑄型的生產成本減少2/3，生產周期減少4/5。

第三類是激光技術的應用。采用同步輸送粉末或金屬絲的方法，實現多次的激光熔覆層，得到一次成形的3D零件。這一工藝也被稱作激光熔融沉積、激光金屬淀積、激光直接熔融沉積等。

1.2 熱處理

熱處理是指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝[4]。隨著人類社會由石器向青銅器、鐵器的發展，熱處理對人類社會的影響日益顯現。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本次開展試驗所選用的材料為GCr15 機械軸承，該軸承為被激光熔覆處理后的試樣，如圖1所示。

圖1 GCr15機械軸承被激光熔覆處理后圖示

本次激光熔覆處理選擇CO2激光器在HUSTJKR5170 型激光加工系統上進行，該激光器最大功率為5 kW。熔覆材料選擇Ni∶WC 為4∶1 體積比的混合物。其中，激光功率為3.2 kW；掃描速度為5.1 mm/s，光斑直徑為2.8 mm，氣體流量為15 L/min，涂層厚度為（80±5）μm，搭接率為35%。

機械軸承本身的化學成分如表1所示。且該軸承的內徑與外徑分別為φ40 mm和φ68 mm，高度為15 mm。

表1 機械軸承化學成分數據統計（單位：%）

本次熱處理工藝選擇在工業熱處理爐中進行，本次試驗共選擇6個試樣，分別以300 ℃、450 ℃、600 ℃、675 ℃、750 ℃、900 ℃的溫度進行試樣的熱處理，處理時間均為2 h，且冷卻方式均選擇“爐冷-200 ℃空冷”。具體見表2。

表2 機械軸承熱處理工藝

2.2 試驗方法

根據圖1 中所標注的位置（正方形和菱形）分析，使用線切割方法在本機械軸承上切取6 個磨損試件，尺寸均為φ30 mm×10 mm。試驗選擇在MMUD-5B型摩擦磨損試驗機上實施，轉速為250 r/min，磨損時間為15 min，磨損載荷為100 N，相對滑動速度為90 mm/min。將這6個試件分成兩組，每組3個，分別以25 ℃的室溫和500 ℃的高溫進行試驗熱處理，隨后使用PG18型的金相顯微鏡與EV018型的掃描電子顯微鏡下觀察軸承試樣磨損之后的表面情況，并且對其進行拍照記錄。

3 實驗結果與深度分析

3.1 室溫磨損性能

在圖2中顯示熱處理溫度對軸承樣品在室溫（25 ℃）下的抗磨性的影響。由圖2 可知，經過激光熔覆表面處理的GCr15 機械軸承，熱處理溫度對其室溫抗磨損性能有較大影響。隨著熱處理溫度在300～900 ℃之間逐漸升高，其室溫磨損量呈先減少后增加的趨勢，其耐磨性呈現出先增加后降低的趨勢。在300 ℃的熱處理條件下，軸承在室溫下的磨損量達到19×10-3mm3，達到最大值[5]。若將熱處理溫度提升至675 ℃，則軸承在室溫下的磨損量最小，與300 ℃熱處理時相比減少68%，使其在室溫下的耐磨性最好。若繼續升高熱處理溫度，則會使其室溫磨損體積不斷增大，在900 ℃以上其室溫磨損體積可達14×10-3mm3，且其室溫耐磨性降低。因此為盡可能地提高激光熔覆GCr15機械軸承的室溫耐磨損性能，熱處理溫度不應設定得過低或過高，優選為675 ℃。

圖2 熱處理溫度對于軸承試樣室溫磨損性能的影響

如圖3所示，其顯示的是不同溫度熱處理的GCr15型機械軸承試樣室溫磨損表面形貌。由圖3 可以看到，在熱處理溫度低到300 ℃時（圖3（a）），軸承在室溫摩擦后，其表面會產生較多的磨粒和較粗的磨痕，并且會產生比較嚴重的磨損現象。將熱處理溫度提升到675 ℃（圖3（b）），在室溫摩擦后，軸承的表面沒有顯著的磨粒，也沒有粗大的磨痕，只有很小的磨痕。與300 ℃下的熱處理相比，該合金的耐磨性有明顯的提高[6]。

圖3 不同溫度熱處理的軸承試樣室溫磨損表面形貌

3.2 高溫磨損性能

在500 ℃時，熱處理溫度對軸承樣品的抗磨性的影響見圖4。由圖4 可知，經激光熔覆表面處理后的GCr15 機械軸承，其高耐磨性受熱處理溫度的影響較大。隨著熱處理溫度由300 ℃逐漸升高至900 ℃，其高溫磨損量呈現出先大幅降低后大幅增加的趨勢，且在高溫條件下耐磨性先是大幅度提高，然后又大幅度降低[7]。在300 ℃的熱處理條件下，軸承產生了42×10-3mm3的最大高溫磨損量。若將熱處理溫度提升至675 ℃，則軸承在300 ℃下的耐磨性最好，其耐磨性可達11×10-3mm3。若繼續升高熱處理溫度，則會使高溫磨損體積逐漸增大，在900 ℃時，其高溫磨損體積會驟增到34×10-3mm3，且耐磨性大幅降低[8]。因此，熱處理溫度不應設定得太低也不應設定得太高，最好是675 ℃，以便盡可能地提高激光熔覆GCr15機械軸承的高溫耐磨性。

圖4 熱處理溫度對于軸承試樣500℃高溫磨損性能的影響

如圖5 所示，其所表示的是在不同溫度的熱處理下激光熔覆GCr15機械軸承試樣500 ℃高溫磨損表面的形貌SEM照片，該照片是由掃描電子顯微鏡所呈現。

圖5 不同溫度熱處理的軸承試樣500 ℃高溫磨損表面形貌的SEM照片

由圖5 可以看出，當熱處理溫度低到300 ℃（圖5（a））時，試樣出現的磨損現象較為嚴重，軸承本身的高溫耐磨損性能較差；當把溫度提升到675 ℃（圖5（b））時，軸承在高溫磨損之后其表面并沒有發現較為明顯的起皮或者脫落現象，只有較為均勻的磨痕布滿其表面，磨損的現象較300 ℃的溫度相比較得到明顯的改善。

4 結論

綜上所述，本文通過對激光熔覆的GCr15 機械軸承的熱處理結果分析，探討熱處理溫度對于其耐磨損性能的影響，主要得出的結論如下。

（1）在25 ℃下，隨著熱處理溫度由300～900 ℃升高，GCr15 機械軸承在室溫下的磨損量呈現出先減少后增加的趨勢。在常溫條件下，軸承的抗磨性呈現出先增加后降低的趨勢。在300 ℃的熱處理條件下，軸承在室溫下的磨損量最大，耐磨性最差。在675 ℃的熱處理條件下，軸承的耐磨性和耐磨性都得到了最大程度的改善，與300 ℃的熱處理相比，軸承的耐磨性降低68%。

（2）在500 ℃時，隨著熱處理溫度由300 ℃升至900 ℃，在500 ℃時，GCr15 機械軸承的磨損量先是迅速減少，然后又迅速增加。在高溫條件下，軸承的抗磨性先有明顯改善，然后迅速降低。在300 ℃的熱處理條件下，軸承具有最大的高溫磨損量和最小的耐磨性。在675 ℃的熱處理條件下，軸承的耐磨性和耐磨性都得到了很好的改善，與300 ℃的熱處理相比，軸承的耐磨性降低74%。

（3）對于GCr15 機械軸承而言，在進行激光熔覆時，最好在675 ℃下進行熱處理。