孟麗娜 劉丹丹 羅玉梅

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 新鄭 451100)

作為一種常用的機(jī)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(chǎn)生摩擦和磨損，所以軸承是否耐磨損對于機(jī)械使用壽命有著十分重要的影響。為減少機(jī)械軸承的磨損程度，保障機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行，很多研究人員開始對軸承表面改性方法進(jìn)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(guān)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(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)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(jìn)行詳細(xì)研究，并為機(jī)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(xiàng)改性技術(shù)的推廣和應(yīng)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(chǎn)生高溫/使其溫度升高到熔點(diǎn)以上，然后迅速降溫，使金屬熔化和被覆的一種高級(jí)加工技術(shù)。激光熔覆法能夠?qū)崿F(xiàn)不同材質(zhì)、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(diǎn)[1]。

該技術(shù)的工作機(jī)理是通過同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)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(shù)具有高能量密度、較快工作時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，可保證在物質(zhì)熔融之前其溫度就已超過熔融點(diǎn)，從而可以防止其在熔融前發(fā)生過加熱、變形等現(xiàn)象。在熔化后金屬會(huì)變成液體，而在此過程中，激光可以改變?nèi)鄢氐姆较?，從而將需要的位置填滿[2]。當(dāng)激光結(jié)束后，金屬表面的液體會(huì)在一瞬間凝固。該方法能在較短的時(shí)間內(nèi)完成部分融化，并能迅速冷卻，以獲得具有良好的微觀結(jié)構(gòu)和高精度的產(chǎn)品。

激光熔覆特性：熔覆層具有較低的稀釋程度和較高的結(jié)合力，并與基體形成一種冶金性結(jié)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(shí)現(xiàn)對表面的修飾和修補(bǔ)，在滿足對物質(zhì)表面特殊性質(zhì)需求情況下，節(jié)省大量材料費(fèi)用。與傳統(tǒng)的堆焊、噴涂、電鍍、氣相沉積等方法進(jìn)行比較，激光熔覆法的熔覆量小、組織致密、涂層與基體的結(jié)合力好、適用材料種類多、粒度和含量變化較大、應(yīng)用前景良好。

根據(jù)目前激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，可以分為以下三大類。

第一類是對燃?xì)廨啓C(jī)葉片、滾子、齒輪等進(jìn)行表面處理。

第二類是工件的表面修補(bǔ)，如轉(zhuǎn)子、沖模等。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，修理后的零件的強(qiáng)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(yè)中的轉(zhuǎn)動(dòng)零件快速搶修問題[3]。另外，在關(guān)鍵構(gòu)件表面進(jìn)行超高抗磨、耐腐蝕合金化可大幅提升構(gòu)件的服役壽命，且構(gòu)件表面不產(chǎn)生任何變形。在此基礎(chǔ)上，采用激光熔敷技術(shù)，不但可以提高鑄型的強(qiáng)度，而且可以使鑄型的生產(chǎn)成本減少2/3，生產(chǎn)周期減少4/5。

第三類是激光技術(shù)的應(yīng)用。采用同步輸送粉末或金屬絲的方法，實(shí)現(xiàn)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(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝[4]。隨著人類社會(huì)由石器向青銅器、鐵器的發(fā)展，熱處理對人類社會(huì)的影響日益顯現(xiàn)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次開展試驗(yàn)所選用的材料為GCr15 機(jī)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(jī)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(tǒng)上進(jìn)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(jī)械軸承本身的化學(xué)成分如表1所示。且該軸承的內(nèi)徑與外徑分別為φ40 mm和φ68 mm，高度為15 mm。

表1 機(jī)械軸承化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（單位：%）

本次熱處理工藝選擇在工業(yè)熱處理爐中進(jìn)行，本次試驗(yàn)共選擇6個(gè)試樣，分別以300 ℃、450 ℃、600 ℃、675 ℃、750 ℃、900 ℃的溫度進(jìn)行試樣的熱處理，處理時(shí)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(jī)械軸承熱處理工藝

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)圖1 中所標(biāo)注的位置（正方形和菱形）分析，使用線切割方法在本機(jī)械軸承上切取6 個(gè)磨損試件，尺寸均為φ30 mm×10 mm。試驗(yàn)選擇在MMUD-5B型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上實(shí)施，轉(zhuǎn)速為250 r/min，磨損時(shí)間為15 min，磨損載荷為100 N，相對滑動(dòng)速度為90 mm/min。將這6個(gè)試件分成兩組，每組3個(gè)，分別以25 ℃的室溫和500 ℃的高溫進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行拍照記錄。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jīng)過激光熔覆表面處理的GCr15 機(jī)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(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在300 ℃的熱處理?xiàng)l件下，軸承在室溫下的磨損量達(dá)到19×10-3mm3，達(dá)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(shí)相比減少68%，使其在室溫下的耐磨性最好。若繼續(xù)升高熱處理溫度，則會(huì)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(dá)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(jī)械軸承的室溫耐磨損性能，熱處理溫度不應(yīng)設(shè)定得過低或過高，優(yōu)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(jī)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(shí)（圖3（a）），軸承在室溫摩擦后，其表面會(huì)產(chǎn)生較多的磨粒和較粗的磨痕，并且會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損現(xiàn)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(shí)，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(jīng)激光熔覆表面處理后的GCr15 機(jī)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(xiàn)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?xiàng)l件下，軸承產(chǎn)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(dá)11×10-3mm3。若繼續(xù)升高熱處理溫度，則會(huì)使高溫磨損體積逐漸增大，在900 ℃時(shí)，其高溫磨損體積會(huì)驟增到34×10-3mm3，且耐磨性大幅降低[8]。因此，熱處理溫度不應(yīng)設(shè)定得太低也不應(yīng)設(shè)定得太高，最好是675 ℃，以便盡可能地提高激光熔覆GCr15機(jī)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(jī)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(xiàn)。

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

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過對激光熔覆的GCr15 機(jī)械軸承的熱處理結(jié)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(jié)論如下。

（1）在25 ℃下，隨著熱處理溫度由300～900 ℃升高，GCr15 機(jī)械軸承在室溫下的磨損量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。在常溫條件下，軸承的抗磨性呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在300 ℃的熱處理?xiàng)l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?xiàng)l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(shí)，隨著熱處理溫度由300 ℃升至900 ℃，在500 ℃時(shí)，GCr15 機(jī)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?xiàng)l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?xiàng)l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(jī)械軸承而言，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，最好在675 ℃下進(jìn)行熱處理。