利用表面改性可以有效地改善机械零件或工具的使用性能和延长其使用寿命<1>.工程材料的 磨损和腐蚀等现象大多从表面开始,因此材料表面保护具有重要的工程应用价值<2>.与此相适 应,激光熔覆在提高材料表面抗磨性能方面的应用受到了广泛关注<3>.而稀土对多种金属具有 净化、变质和合金化作用,可显著改善金属材料的热加工性能、力学性能、抗氧化性能,以及抗磨 和耐腐蚀性能,因而在冶金、铸造及焊接等领域获得了广泛应用<4～5>.我们预期,在铁基合 金激光熔覆层中引入La将可能显著改善合金表面的抗磨性能,从而扩大其摩擦学应用范围.鉴于 此,我们在铁基合金激光熔覆层中引入不同含量的La2O3,考察了稀土对铁基合金激光熔覆层 组织及抗磨性能的影响.1 实验部分1.1 材料和激光熔覆工艺试验基材采用100mm×3 0mm×10mm的16Mn钢板,化学成分(质量分数,下同)为:0.12%～0.20%C ,1.20%～1.60%Mn,0.20%～0.60%Si,其余为Fe;硬度约为250H V.以Fe基合金粉末(化学成分:0.21%C,1.18%B,3.25%Si,19.92 %Cr,12.60%Ni,其余为Fe;粒径0.085～0.246mm;流动性<22s/ 50g)作为涂层材料.稀土La2O3粉末纯度为99.9%;稀土加入量分别为0.0%、0 .4%、0.8%、1.2%和2.0%.将稀土氧化物粉末和铁基合金粉末通过机械搅拌混合均 匀,干燥待用.采用3kW的CO2快速轴流激光器(输出功率为1.5kW,光斑直径4mm, 扫描速度5mm/s,功率密度1.19×104W/cm2,多道熔覆搭接率30%,同轴送粉 方式)进行激光熔覆处理,熔覆层厚度约1mm.1.2 性能测试采用CSM950型场发射扫 描电子显微镜(SEM)观察熔覆层微观组织形貌,并利用SEM所配置的能量色散X射线分析装 置(EDAX)分析熔覆层及其磨痕表面组成.采用MT-3型显微硬度计沿熔覆层深度方向测量 显微硬度分布,载荷为1.96×10-3N,加载时间5s,取10次测量结果的平均值.1. 3 摩擦磨损试验选用MM-200型摩擦磨损试验机评价激光熔覆层的摩擦磨损性能.试验前采 用600#砂纸精磨激光熔覆层试样表面;偶件为45#钢环(外径40mm,内径16mm,厚 10mm,硬度500HV).选用载荷分别为10N、20N、30N、40N、50N;试验 时间15min;线速度为0.42m/s.在摩擦磨损试验过程中每隔1min记录一次摩擦系 数;试验结束后用丙酮清洗激光熔覆层试样,随后用读数显微镜测定其磨痕宽度(测量精确度0. 01mm).2 结果与讨论2.1 熔覆层的显微组织图1示出了不含稀土及含1.2%稀土的 激光熔Fig1 SEMmicrographsoflaser-claddedFe-bas edalloycoatingwithandwithoutLa2O3图1 不含稀土及含1 .2%稀土的Fe基合金激光熔覆层显微组织形貌SEM照片覆层组织形貌的SEM照片.可以看 出,引入稀土使得激光熔覆层组织生长的方向性减弱,针状组织数量增加.与此同时,引入稀土氧 化物使得激光熔覆层中的枝晶分散度增大,枝晶间空隙减小,树枝晶生长受阻,并在一定程度上导 致晶粒细化.其原因在于,具有较强化学活性的稀土元素容易同其它元素发生化学反应<4>,形 成稳定的化合物,从而增加熔覆层中的形核质点,加快熔覆层在凝固过程中的形核速度,导致晶粒 细化.此外,稀土还可以增加液态金属的流动性<6>,减小凝固过程中的成分过冷,减弱成分偏 析<7>,从而使组织趋向均匀化.2.2 激光熔覆层硬度分布图2示出了不同稀土含量的Fe 基合金激光熔覆Fig2 EffectofLa2O3contentonthemicroh ardnessofthelaser-claddedcoatings图2 La2O3对激 光熔覆层显微硬度的影响层显微硬度随深度变化的关系曲线.可以看出,16Mn钢经激光熔覆处 理后显微硬度显著提高,而引入稀土可以进一步提高激光熔覆层的硬度.同不含稀土的激光熔覆层 相比,稀土含量为1.2%的熔覆层的显微硬度有所增大,平均显微硬度为400～450HV, 而稀土含量为2.0%的熔覆层的平均硬度约为500HV.这是由于引入稀土导致熔覆层组织细 化和硬质金属化合物弥散强化所致<8>.2.3 激光熔覆层的摩擦磨损性能图3分别示出了摩 擦系数随试验时间(载荷为50N)以及磨斑宽度随载荷变化的关系曲线.可见,摩擦系数随试验 时间的延长而增大,引入稀土有利于降低摩擦系数<见图3(a)>,当稀土含量较高(1.2% )时尤其如此.其原因在于,具有六方层状结构的La2O3稀土化合物本身具有润滑作用<9> ,同时稀土可以促进Cr的碳化物和硼化物硬质相析出<10>,提高熔覆层的硬度,降低犁削和 粘着作用,从而降低摩擦系数.另一方面,同不含稀土的激光熔覆层相比,含稀土的激光熔覆层的 磨斑直径较小,且对载荷的敏感性较弱,当载荷较高(>40N)时尤其如此<见图3(b)>. 有趣的是,稀土氧化物含量较低(0.8%)的激光熔覆层的磨斑直径相对较小,而当稀土氧化物 含量较高(1.2%)时,其改善激光熔覆层抗磨性能的效果有所减弱.这同稀土在熔覆层中的作 用机理有关<11>.换言之,由于稀土在合金中的固溶度很小,稀土氧化物大多存在于晶界;当 稀土加入量较小时,晶界得到强化,晶界附近位错的移动性较强,晶粒之间的滑移传递较容易,这 有利于促进摩擦过程中表面微裂纹顶部的应力松弛,增加裂纹扩展的阻力,从而减轻磨损.但当晶 界处稀土氧化物聚集过多时,晶界处位错移动受阻,晶界脆性增加,磨损过程中微突体易沿裂纹扩 展方向发生脆断,从而使磨损加剧.Fig3 Variationoffrictioncoe fficientwithslidingdurationandwearscarwidth withloadforthelaser-claddedcoatingswithandw ithoutRE图3 不同稀土含量的熔覆层的摩擦系数随试验时间及磨斑宽度随载荷变化的关 系曲线 图4示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面形貌SEM照片(50N ,15min).可以看出,不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面存在明显差异,不 含稀土的熔覆层磨损表面呈现严Fig4 SEMmorphologiesoftheworn surfacesofthelaser-claddedcoatingswithandwi thoutLa2O3图4 不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面形貌SEM照片重 的粘着和脆性断裂剥落迹象<见图4(a)>,断口处存在大量剥落颗粒;而含1.2%稀土的激 光熔覆层磨损表面粘着迹象较微弱,除少量剥落颗粒外,未见大面积脆性剥落迹象<见图4(b) >.这同2种激光熔覆层相应的抗磨性能差异相对应.3 结论a. 在铁基合金激光熔覆层中引 入稀土可以弱化组织生长的方向性,增加针状组织的数量,减小晶须之间的空隙,限制树枝晶生长 ,从而细化晶粒.b. 引入稀土可以增加铁基合金激光熔覆层的平均硬度,改善其抗磨性能;当 稀土加入量为1.2%时,相应激光熔覆层的综合性能较好.c. 引入稀土使得铁基合金激光熔覆层同45#钢对摩时的粘着和脆性剥落显著减轻,这同其对激光熔覆层抗磨性能的影响相对应.稀土对Fe基合金激光熔覆层抗磨性能的影响@赵高敏$清华大学机械工程系!北京 100084
@王昆林$清华大学机械工程系!北京 100084
@李传刚$清华大学机械工程系!北京 100084
激光熔覆;;铁基合金;;
涂层;;
显微硬度 ;;摩擦磨损性能在Fe基合金粉末中引入La2O3,通过激光熔覆得到了同基材结合良好的熔 覆层,用扫描电子显微镜观察了稀土含量对熔覆层组织形貌的影响,用显微硬度计测量了熔覆层的 硬度分布,并采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了不同熔覆层在干摩擦条件下的摩擦磨损性 能.结果表明,引入稀土有利于促进晶粒细化,提高熔覆层的组织均匀性及表面硬度,从而改善熔 覆层的摩擦磨损性能.<1>IrodanovaI,SurtchevM,ForceyKS. MetallographicandSEMinvestigationfthetherma llysprayedcoatingsonsteelsubstrate
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