黃光燦,郭 純,李 云,李文清,陳艷艷

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

45鋼具有較高的強(qiáng)度和抗變形能力,其以良好的綜合機(jī)械加工性能[1],被廣泛應(yīng)用于軋機(jī)的軋輥等重要零部件上。以軋輥為例,其工作環(huán)境為高溫、高壓、冷熱交替,機(jī)座輥筒在機(jī)械應(yīng)力、摩擦、熱應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生磨損、開裂等問題,極大地縮減了其使用壽命[2]。激光熔覆對于解決軋輥等基材硬度低,耐磨性差的問題提供了一種較為先進(jìn)的方法,用性能較為優(yōu)越的材料作為涂層覆于基材表面,在激光照射下,使涂層與金屬基體的外表面層熔化結(jié)合,形成與基體冶金結(jié)合的功能涂層[3]。因此,研究人員嘗試用激光熔覆技術(shù)對45鋼表面進(jìn)行修復(fù),以提高45鋼的綜合使用性能。王勝等利用激光熔覆技術(shù)在液壓立柱用45鋼材料表面制備了Fe35A合金,熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)良好,晶粒小而均勻,與基材的結(jié)合良好,熔覆層的表面硬度可以達(dá)到42HRC,熔覆層截面的平均顯微硬度為643HV。激光熔覆層的復(fù)合力學(xué)性能遠(yuǎn)高于基材的力學(xué)性能[4]。陳菊芳等在45鋼表面制備了Fe901激光熔覆層,檢測了熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)、物相和硬度,并對激光熔覆層和45鋼進(jìn)行了干摩擦磨損試驗(yàn)。熔覆層的平均硬度為718HV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體材料的硬度。45鋼的磨損機(jī)制主要是磨蝕磨損、疲勞剝落和氧化磨損,熔覆層的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損,激光熔覆Fe901合金極大提升了45鋼的耐磨性能[5]。

激光熔覆技術(shù)是通過高能激光束在金屬表面制備具有所需性能熔覆層的一種表面強(qiáng)化技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在于能量密度高、稀釋率低、熱影響區(qū)小,目前已成為表面強(qiáng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù),在航空、汽車、石油化工等行業(yè)備受關(guān)注[6-7]。激光熔覆技術(shù)可以在成本低廉的金屬基材表面形成高性能的合金涂層,在滿足操作要求的同時最大限度地提高材料成本。理論和實(shí)踐數(shù)據(jù)表明,由于激光熔覆具有應(yīng)力小、附著力好、質(zhì)量穩(wěn)定和成本高等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛用于汽車、鑄造、軍事和航空航天等行業(yè)。在用于激光熔覆的粉末中,Fe基合金粉末具有品類全、性能好、成本低的優(yōu)點(diǎn),因此激光熔覆Fe基合金熔覆層具有良好的綜合力學(xué)性能,可作為45鋼的表面保護(hù)層,提高耐磨性、硬度和延長壽命[8]。

1 試驗(yàn)流程

1.1 制備Fe基合金激光熔覆層

將Fe基合金粉末以同軸方式送粉,化學(xué)元素含量見表1。

表1 鐵基粉末的化學(xué)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

使用IPG-4000W光纖激光熔覆設(shè)備,熔覆區(qū)域尺寸:50mm×50mm。經(jīng)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出其他熔覆固定參數(shù):搭接:1.5mm、激光掃描速度10mm/s、激光焦距40mm、光斑直徑5mm、送粉轉(zhuǎn)速2r/min、保護(hù)氣流量15L/min。分別在激光功率為1500W、2000W、2500W、3000W和3500W下進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)。對應(yīng)的樣品編號分別為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4、樣品5。圖1為不同工藝參數(shù)下的激光熔覆樣品。

(a)樣品1-激光功率1500W涂層形貌

(b)樣品2-激光功率2000W涂層形貌

(c)樣品3-激光功率2500W涂層形貌

(d)樣品4-激光功率3000W涂層形貌

(e)樣品5-激光功率3500W涂層形貌

由圖1可以明顯看出,樣品1、樣品2、樣品3熔覆涂層均勻,平整度較高,有金屬光澤,熔覆層表面光滑,無熱裂紋、氣孔等缺陷。樣品4、樣品5表面有些許因激光功率過高導(dǎo)致的熔覆凹陷,平整度相對較差。

1.2 試驗(yàn)方法

利用射線衍射儀,型號XD-3,進(jìn)行XRD實(shí)驗(yàn)以分析試樣熔覆層的物相組成,掃描速度為4°/min,采樣步寬為0.02度,掃描范圍為10°～90°;金相試樣依次用240目、600目、1000目、2000目砂紙打磨后拋光至表面光潔,使用王水溶液(濃鹽酸、濃硝酸按照3:1的比例配置)腐蝕7s,用無水乙醇進(jìn)行沖洗,干燥后使用金相顯微鏡,型號為4XC觀察試樣的顯微組織結(jié)構(gòu);使用顯微硬度計,型號為HV-1000Z,載荷1.96N,保時10s,沿著截面從熔覆層向基材每隔0.2mm檢測一次;使用摩擦試驗(yàn)機(jī),型號為CHMT23,用GCr15小球?qū)θ鄹矊舆M(jìn)行球盤摩擦,轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/min,載荷30N,時間20min,使用0.1mg精度的電子天平型號為FA2004B測量樣品磨損前后質(zhì)量差,重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖2為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4、樣品5的XRD圖譜。

圖2 不同激光功率下樣品的XRD圖譜

由圖2可見激光熔覆層主要由Fe和Cr組成。由于粉末中的Cr含量較高,熔覆層的淬透性較好。隨著激光功率的增加,主峰的下半部分逐漸增加,沒有形成非晶態(tài)相的光束峰,表明熔覆層完全結(jié)晶。Gr元素導(dǎo)致材料的硬度和耐磨性顯著增加,提高了材料的耐摩擦性能。分析顯示,在2θ為44°～50°之間存在一個寬泛的散射峰,表明該熔覆層內(nèi)存在非晶相結(jié)構(gòu)。熔覆層的XRD特征表明,根據(jù)布拉格方程:2dsinθ=nλ,其中λ為波長,n為反射級數(shù),d為晶面間距,θ為入射光線和反射線之間的夾角[9]。2θ值變化表示相應(yīng)晶體平面的晶面間距d在變化。在熔覆過程中一些元素及其化合物會在晶間析出,表明在熔覆的過程中引起了組織晶化現(xiàn)象,并且是大程度的晶化轉(zhuǎn)變,造成了晶格膨脹[10]。對比標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖與XRD測試得到的衍射峰可知,本次制備的熔覆層中存在Fe和Fe-Cr兩種組織成分。分析表明,2θ為60°～65°之間與80°～85°之間的部位分別對應(yīng)Fe與Fe-Cr的晶面衍射峰。隨著Cr含量的增加,衍射峰向左移動。隨著激光熔化功率的增加,更多的結(jié)晶相形成。在加工過程中,隨著激光功率的增加,激光熔覆熱量增加,以至于熔池的穩(wěn)定時間更長,微觀結(jié)構(gòu)的溫度梯度更小,冷卻速度更低。在冷卻速率低于臨界冷卻速率的條件下,熔融金屬在冷卻過程中會產(chǎn)生晶體組織。在激光快速凝固的條件下,形成Fe-Cr固溶體相,Fe-Cr固溶體形成具有良好耐蝕性的載體相和高硬度的固溶體相組合的熔覆層,硬化后可具有一定的耐蝕性[11]。

2.2 顯微組織結(jié)構(gòu)分析

圖3為不同激光功率下樣品的金相圖。熔覆層成形是在高能激光的作用下通過快速加熱和固化過程形成的。根據(jù)快速凝固理論,顯微結(jié)構(gòu)由G/R值決定(G-溫度梯度;R-凝固速率)。當(dāng)熔池開始凝固時,由于熔體和冷基體金屬的直接接觸,G值非常高,在界面熔化開始時,R值非常小,G/R值趨于無限大,熔覆層的底部是一個平面生長的薄帶。隨著熔覆層的凝固,在熔覆層中間,離界面稍遠(yuǎn)的地方,R值變大,G/R值逐漸變小,固液界面在非平衡狀態(tài)下凝固,成分的過冷現(xiàn)象變得更加明顯,少量的樹枝狀晶體出現(xiàn),形成蜂窩狀晶體。在熔覆層的上部,表面均勻地導(dǎo)熱,此時G最低,R最高,說明晶體成核率大于晶體生長率,顯微結(jié)構(gòu)較密,在熔覆層的上部形成許多大的等軸晶并均勻分布[12]。

(a)樣品1-激光功率1500W金相

(b)樣品2-激光功率2000W金相

(c)樣品3-激光功率2500W金相

(d)樣品4-激光功率3000W金相

(e)樣品5-激光功率3500W金相

因激光功率不同其顯微組織的晶粒形態(tài)存在較大的差異,由圖3樣品1可以看出當(dāng)激光功率為1500W時熔覆層主要為樹枝狀晶結(jié)構(gòu)組成,由圖3樣品2可以看出隨著激光功率增加到2000W,析出的枝晶數(shù)量逐漸變多,形成更加細(xì)小致密的胞晶組織,熔覆層的顯微組織由樹枝狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹ЫY(jié)構(gòu),這是由于熔覆層熔池冷卻速度加快,凝固速度不斷增大,成分過冷逐漸增大,促使形成更加致密的胞晶組織。由圖3樣品3、樣品4、樣品5可以看出,過高的激光功率隨之帶來過多的熱量積累,所以熔覆層為較大的等軸晶和柱狀晶結(jié)構(gòu)組成[13]。

2.3 顯微硬度分析

圖4為不同激光功率下的樣品維氏硬度。

圖4 不同激光功率下的樣品維氏硬度

由圖4可以看出,5個樣品的顯微硬度分布較為相似,分別為熔覆層、熱影響區(qū)和基材,熔覆層的顯微硬度最高約為500HV0.2～680HV0.2,熱影響區(qū)的顯微硬度下降趨勢明顯400HV0.2～460HV0.2,基材的顯微硬度最低200HV0.2～280HV0.2。激光功率1500W時平均硬度為488.5HV0.2;激光功率2000W時平均硬度出現(xiàn)最大值為567.4HV0.2;激光功率2500W時平均硬度為519.2HV0.2;激光功率3000W時平均硬度為496.3HV0.2;激光功率3500W時平均硬度為459.8HV0.2。當(dāng)激光功率為2000W時熔覆層平均硬度約為基材的2.5倍左右,明顯優(yōu)于基材。

在基體和熔覆層的連接處,存在著相互的原子滲透,這增加了熱影響區(qū)以上的稀釋區(qū)的顯微硬度,并在熔覆層與基體的結(jié)合中起著過渡作用。激光熔覆的功率越大,熔融金屬的溫度越高,沉積層的晶粒生長越細(xì)。從圖3不同激光功率下樣品的金相圖也可以看出。由于激光熔覆層的中心受外部環(huán)境的影響較小,熔覆層中心的熔融金屬會硬化成更細(xì)的晶粒,從而使微硬度高于下部和上部的熔覆層。熔池的熱效應(yīng)使基材熔化,基材表面發(fā)生改性,由于結(jié)合區(qū)的原子擴(kuò)散,導(dǎo)致比基材的顯微硬度更高[14]。根據(jù)分析得出當(dāng)激光功率為2000W時熔覆層的顯微硬度值最高。

2.4 摩擦磨損行為分析

表2為熔覆層的平均摩擦系數(shù)和磨損率。圖5為不同激光功率下的樣品摩擦系數(shù)圖。圖6為不同激光功率下的樣品磨損量。

表2 熔覆層摩擦磨損行為數(shù)據(jù)

圖6 不同激光功率下的樣品磨損量

由圖5可以看出,在磨損的早期階段,磨球和試樣的剪切和研磨產(chǎn)生了少量的磨屑,沿切線方向的部分運(yùn)動拋出,剩余的磨屑直接參與摩擦行為,加劇了磨損。由于球、試樣和磨屑之間的相互作用,摩擦系數(shù)很容易發(fā)生明顯變化,一段時間后,摩擦系數(shù)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段[15]。摩擦系數(shù)主要由表面粗糙度、載荷、滑動速度、溫度、摩擦副材料等因素決定,磨損率公式如式(1)所示。

磨損率:A=△w/(S·P)

(1)

式(1)中,△w為摩擦前后的質(zhì)量差;S為滑動距離;P為所加載荷。

樣品1、樣品2、樣品3、樣品4、樣品5的摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢,樣品1的平均摩擦系數(shù)為0.44,磨損量為11.1mg,磨損率為0.98×10-6g/(N·m);樣品2的平均摩擦系數(shù)為0.54,磨損量為14.8mg,磨損率為1.31×10-6g/(N·m);樣品3的平均摩擦系數(shù)為0.62,磨損量為37.8mg,磨損率為3.34×10-6g/(N·m);樣品4的平均摩擦系數(shù)為0.64,磨損量為35.6mg,磨損率為3.14×10-6g/(N·m);樣品5的平均摩擦系數(shù)為0.6,磨損量為33.8mg,磨損率為2.98×10-6g/(N·m)。從圖6反映出磨損量呈上升趨勢,當(dāng)激光功率為1500W時熔覆層的耐磨性能最佳。磨損率也常用于評估材料的耐磨性能。質(zhì)量磨損率是在摩擦磨損試驗(yàn)中損失的質(zhì)量與負(fù)載載荷和滑動距離的比率。它表示在單位滑動距離后,每單位載荷所磨損的質(zhì)量。磨損率可以直接反映出材料的耐磨性能[16],從磨損率來看五組樣品的磨損率都在10-6級。

熔覆層具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)組成,硬度高,研磨碎屑少,以至于摩擦系數(shù)上下波動小。熔覆層的摩擦系數(shù)以類似的方式變化:在短暫的初始磨損階段和小幅波動之后,摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定,變得更加穩(wěn)定。熔覆層的摩擦系數(shù)變動可分為兩個階段:當(dāng)摩擦副接觸面積不平坦時,波紋程度較大,熔覆層表面容易發(fā)生疲勞造成犁溝切削而剝落,從而表面產(chǎn)生犁削現(xiàn)象,導(dǎo)致摩擦系數(shù)極速上升;穩(wěn)定磨損階段,熔覆層的表面變得更平坦,摩擦副匹配和實(shí)際接觸面積變得更大,以此類推。在穩(wěn)定磨損階段,沉積層表面變平,摩擦副匹配和實(shí)際接觸面積變大,因此磨損減少,摩擦系數(shù)穩(wěn)定,在小范圍內(nèi)波動[16]。隨著激光功率的增加,熔覆層和基材之間的能量吸收增加,基材的微熔化量增加,微硬度降低,熔覆層吸收能量,熔體的停留時間增加,微結(jié)構(gòu)變得更粗更薄,熔覆層的耐磨性降低。結(jié)合圖4、圖5來看,激光功率為2000W時,顯微組織致密細(xì)小,熔覆層硬度較高,從而在磨損過程中不容易被磨粒磨削,綜合耐磨性較好。

3 結(jié)論

本文采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面成功制備了Fe基致密均勻熔覆層,通過改變激光功率研究了對基材性能改變的影響,尋找出最佳的工藝參數(shù),得到結(jié)論如下。

(1)在45鋼上激光熔覆Fe粉末能夠提高其表面各項(xiàng)性能,增加材料的硬度,提高耐磨性。

(2)物相以Fe和Cr為主,熔覆層由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成。在激光快速凝固冷卻條件下,形成Fe-Cr固溶體,Fe-Cr固溶體形成了耐腐蝕性較好的支撐相和硬度較高的硬質(zhì)相相結(jié)合的熔覆層,使得熔覆層在達(dá)到較高硬度的同時具備了一定的耐腐蝕性,熔覆層組織主要為樹枝狀晶、胞狀晶結(jié)構(gòu)和柱狀晶結(jié)構(gòu)。

(3)激光功率為2000W時制備合金熔覆層的宏觀成形質(zhì)量均較好,熔覆層平均硬度最高為567.4HV0.2,達(dá)到基材硬度的約2.5倍,耐磨性能同時達(dá)到最佳。

結(jié)合試驗(yàn)分析得出,當(dāng)激光功率為2000W時制備的Fe基激光熔覆層的綜合性能最優(yōu)。