陸玉兵， 權秀敏

(六安職業(yè)技術學院，安徽 六安 237158)

滑動軸承在內燃機、航空發(fā)動機等重型工業(yè)機械設備中,用以支撐傳動軸進行工作,因其結構簡單、更換便捷、配合精確高、具有良好的抗沖擊性等優(yōu)點,被廣泛應用于大功率、高速、重載荷等復雜的工作場合。因此,制造出耐摩擦性良好、較高硬度等特性,且結構簡單合理,性能可靠、壽命持久的滑動軸承,便成了軸承制造行業(yè)的共同追求。實踐證明,滑動軸承的抵抗磨損性能好壞,壽命高低,主要取決于滑動軸承材料耐摩性能的好壞。為了減少滑動軸承在實際工作中的磨損及疲勞破壞,提高滑動軸承使用壽命與性能,在現有的選材基礎上,研究出一種基于TiC-TiB增強Co基復合涂層激光熔覆增材制造技術的滑動軸承制造工藝,對提高滑動軸承的耐磨損、硬度等性能將具有十分重要的應用價值。

1 激光熔覆增材制造技術

增材制造(AM)概念是相對于傳統(tǒng)的機械加工而言的一種新型制造技術,其利用數字控制等現代制造技術,采用逐層疊加的方法,將三維模型“打印”成實物零件,習慣稱之為“3D打印技術”。以激光作為熱源的增材制造技術,稱為激光增材制造技術(LAM)。激光增材制造技術根據制造方式不同又分為定向能量沉積(DED) 和粉末熔覆(PBF) 兩種類型。激光粉末熔覆技術又被稱為激光選區(qū)熔化成形技術(SLM),激光粉末熔覆技術是利用高能量激光束照射熔覆材料,使熔覆材料與基材表面一起熔化,再迅速冷卻,形成稀釋度較低,與基體材料形成牢固冶金結合的表面涂層,從而明顯地提高基體材料表面的硬度、耐磨損、耐腐蝕等性能,其最大的優(yōu)點是能在傳統(tǒng)的基材上制備出耐磨、高硬度、耐腐蝕等高性能涂層。激光粉末熔覆技術工藝過程是:送粉裝置將金屬粉末均勻鋪敷在基體材料上,激光打印(熔覆)時,3D打印機根據設定的掃描路線對金屬粉末進行逐層熔化,再快速凝固成型。

2 滑動軸承主要材料選擇

滑動軸承通常直接與活塞銷、曲軸或凸輪軸等運動零件構成摩擦副,滑動軸承的耐摩性、耐腐蝕性將直接決定著整臺機器的工作穩(wěn)定性和使用壽命,而影響滑動軸承的工作穩(wěn)定性和使用壽命主要因素是其材料性能,特別是材料表面的硬度和耐磨性。在實際滑動軸承制造中,很難能找到一種材料能同時滿足有足夠的抗疲勞強度、良好耐磨性、足夠的導熱性等使用要求,只能根據實際使用需要,根據影響滑動軸承性能的主要因素來選擇相對合適的材料。綜述有關文獻可知,利用激光熔覆技術制備金屬基復合涂層材料,可將涂層材料的高硬度、耐磨性、化學穩(wěn)定性與基體材料的強韌性和良好的加工性能與有機結合起來,從而獲得既方便成型加工,又具有良好的表面性能機械零件。

3 激光熔覆TiC-TiB2增強Co基復合涂層試驗研究

3.1 TiC和TiB2性能特點

TiC陶瓷屬于超硬工具材料,是一種高硬度、高熔點,具有金屬光澤的鋼灰色,八面體晶體結構的化合物,其硬度僅次于金剛石。由于金屬基體材料與TiC顆粒之間有良好的界面浸潤性,因此,利用TiC顆粒改變基體金屬材料表面性能上的不足具有可行性,制備納米級TiC涂層,可使基體金屬材料表面的硬度、耐磨性、耐高溫等性能指標得到提高。TiB是一種高硬度、高熔點,化學穩(wěn)定性好,具有六方的晶體結構陶瓷材料,工程中常用作制作裝甲防護裝備,制備的納米級TiB涂層,同樣也可增強基體金屬材料表面的硬度、耐磨性、耐高溫等性能指標。將TiC和TiB兩者混合后得到的TiC-TiB混合物不僅保留了高熔點、高硬度,良好的耐磨性和化學穩(wěn)定性等原有特性,而且在高硬度,耐磨性等方面呈現出了互補混合效應。近幾年來,人們在TiCTiB混合物增強鈦基、鋁基復等合材料方面進行了大量研究,并獲得了成功,特別在鈦、鋁合金方面進行了成功應用,進而獲得良好的經濟效益。與此同時,人們在復合材料力學行為研究中發(fā)現,在高溫條件下,原位合成的TiC增強顆粒在高溫強度、硬度、拉伸率和延伸率等方面表現出了特別明顯的增強效應,TiBTiC混雜增強顆粒除在高溫強度、硬度等性能上有明顯的增強外,在抗拉、屈服強度方面也產生的混合效應,極大程度上提高或改善增強材料的性能。因此,考慮利用激光熔覆技術,采用預置粉末法,利用TiC

和TiB混合陶瓷粉末作為金屬基涂層材料,在現有滑動軸承基體材料表面原位合成TiC-TiB增強Co基復合涂層將成為可能。

3.2 試驗及結果分析

3.2.1 激光熔覆試驗

為使試驗結果方便,選用制造滑動軸承合金鋼作為研究基材,并制作成一個試樣,尺寸為80×40×20(mm)。試樣待涂覆面先用細砂紙打磨去除表面氧化層,再用無水乙醇清洗、涼干,試驗材料為鈷基合金粉(KF-Co50)和TiO、Al、BC混合粉末,熔覆粉末在研缽中充分混合后和基材一起放入120℃電熱爐中烘干2h,最后將混合好的熔覆粉末均勻地涂覆在基材表面上,涂層厚度控制在1. 1mm～1. 2mm。鈷基合金粉是作為熔覆層金屬基體,TiO、Al、BC混合粉末按3:4:1比例進行配比,用于制備出TiC、TiB陶瓷混合粉末材料(化學反應式為:3TiO+4Al+BC=TiC+2TiB+2AlO)。在高溫激光束照射下,鈷基合金粉和反應生成的TiC、TiB陶瓷混合物一起熔化凝固,即可成功制備出原位合成TiC-TiB增強Co基復合涂層。

采用德國公司生產的工業(yè)級半導體激光器作為熔覆熱源,氬氣作為保護氣體,進行單道搭接熔覆,熔覆時掃描速度3mm/s、光斑直徑φ3mm、激光器距離熔覆表面控制在15mm～20mm。熔覆試驗完成后,將整個試樣從中間位置平均切割成兩塊,經磨制拋光、清洗后,作為微觀組織分析和性能測試試樣。采用金相顯微鏡和掃描電鏡進行斷口組織微觀形貌分析及成分測定,X射線衍射儀進行物相定性與定量分析,維氏硬度計進行硬度測試。測驗時,選用測量力級數200gf(1.96N),保載時間10s。采用摩擦磨損試驗機對試樣熔覆層進行磨損試驗,下試樣軸轉速200r/min,上試樣軸轉速180r/min,壓力600N,磨損時間約為1h。

3.2.2 顯微組織形貌與結構分析

熔覆層橫截面底部與中部金相顯微組織形貌呈現出基材、白亮帶、樹枝晶形貌,如圖1所示,熔覆層與基材結合良好且無缺陷存在,在熔覆層底部與基材結合界面處,呈現平面晶形態(tài)沿熱流方向生長現象,并形成了一條明顯的波狀白亮帶,在該區(qū)域內以樹枝晶形態(tài)向熔覆層內部生長。如圖2所示,熔覆層中部彌散分布著大量細小的顆粒相,呈交錯分布的針狀和棒條狀組織。

圖1 熔覆層整體金相光學微結構

圖2 熔覆層中部金相光學微結構

在激光熔覆過程中,熔池中的TiO和Al發(fā)生鋁熱反應,生成游離狀態(tài)的Ti原子和AlO,比重較輕的AlO飄浮在熔層表面,并隨熔渣一起溢出。由于熔池溫較高,熔池中的各物質均被液化,此時BC分解成游離的B原子和C原子,并均勻地分散在熔池中。在熔池凝固過程中,Ti原子和C原子首先結合,生成TiC,接著Ti原子和B原子結合,生成TiB,由于高熔點細小TiC顆粒阻礙了初生枝晶生長,從而導致枝晶形態(tài)發(fā)生改變。TiB晶系具有沿軸擇優(yōu)生長特性,組織上多表現為棒條狀,熔覆層中部組織掃描電鏡(SEM)形貌如圖3所示,其能譜分析結果如表1所示。由表1可以看出,棒條狀枝晶交錯中心A處 Ti、C 元素相對較少,Cr、Co、Fe、Ni 元素含量相對較多,B處富含大量的Ti、C元素,運用X射線衍射儀對熔覆層的進行X射線衍射,可以看到熔覆層B處成分以TiB、TiC物質為主,在Co固溶體基體中,均勻地分布有TiC顆粒。

圖3 熔覆層中部組織掃描電鏡形貌

表1 標記區(qū)能譜分析結果 (單位:質量分數)

3.2.3 試驗結果分析

采用維氏硬度計對試樣的熔覆層縱截面不同位置進行硬度測試,得到熔覆層的縱截面的顯微硬度分布曲線,如圖4所示,硬度值隨測試點距離表面的位置距離增大而減小,在0.6mm～0.7mm位置處迅速減小,而在0.1mm～0.5mm之間具有很高的硬度,且硬度分布比較均勻,顯微硬度最高值達到790HV,最低值達到750HV,平均值約為770HV,相對于基材硬度200 HV,提高了近4倍。在摩擦磨損機上進行摩擦磨損試驗時,對已進行過激光熔覆層的試樣和基體材料分別進行摩擦磨損試驗,得出激光熔覆層的試樣磨損質量損失約為0.001g,基體材料磨損質量損失約為0.030g,熔覆層和基體磨損質量損失對比柱狀圖如圖5所示。由圖可以看出,熔覆層耐磨性與基材相比提高了近30倍,其硬度和耐磨性變化極為明顯。究其原因:1是激光熔覆處理時形成了細小涂層組織,并產生了晶粒粒度細化;2是熔覆層中均勻分布的超細TiC和TiB的硬質顆粒產生了彌散強化作用。

圖4 顯微硬度分布曲線

圖5 磨損質量損失對比

4 結束語

采用激光熔覆技術,在制造滑動軸承用合金鋼表面,利用鈷基合金粉(KF-Co50)和(TiO+Al+BC)合金粉末原位合成了TiC-TiB增強Co基復合涂層,涂層與基體呈冶金結合,熔覆層中無裂紋和氣孔等缺陷,硬度相對于基體材料的硬度提高了近4倍,耐磨性相對于基體材料提高了近30倍。