稀土激光熔覆層的摩擦學(xué)性能

稀土激光熔覆層的摩擦學(xué)性能

表面改性可以有效地提高機(jī)械零件或工具的使用性，延長(zhǎng)使用壽命。工程材料的磨損和腐蝕通常始于表面。因此，材料表面保護(hù)對(duì)提高材料表面的抗磨性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，激光熱涂層可以提高材料表面的抗磨性，這一點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注。稀土對(duì)各種金屬具有凈化、變質(zhì)和合金化作用，大大提高了材料的熱加工性能、力學(xué)性能、抗逆性和抗腐蝕性。因此，它被廣泛應(yīng)用于冶金、鑄造和焊接領(lǐng)域。為了在鐵粉粉中加入la，可以顯著提高金屬表面的抗磨性，擴(kuò)大其在摩擦粉應(yīng)用的范圍。在這種情況下，不同含量的la2o3la2o3被引入鐵粉粉中，以研究稀土對(duì)鐵粉中激光熔覆層的組織和抗磨性。1實(shí)驗(yàn)部分1.1fe基合金粉末試驗(yàn)基材采用100mm×30mm×10mm的16Mn鋼板,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為:0.12%~0.20%C,1.20%~1.60%Mn,0.20%~0.60%Si,其余為Fe;硬度約為250HV.以Fe基合金粉末(化學(xué)成分:0.21%C,1.18%B,3.25%Si,19.92%Cr,12.60%Ni,其余為Fe;粒徑0.085~0.246mm;流動(dòng)性<22s/50g)作為涂層材料.稀土La2O3粉末純度為99.9%;稀土加入量分別為0.0%、0.4%、0.8%、1.2%和2.0%.將稀土氧化物粉末和鐵基合金粉末通過機(jī)械攪拌混合均勻,干燥待用.采用3kW的CO2快速軸流激光器(輸出功率為1.5kW,光斑直徑4mm,掃描速度5mm/s,功率密度1.19×104W/cm2,多道熔覆搭接率30%,同軸送粉方式)進(jìn)行激光熔覆處理,熔覆層厚度約1mm.1.2顯微硬度分布的表征采用CSM950型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察熔覆層微觀組織形貌,并利用SEM所配置的能量色散X射線分析裝置(EDAX)分析熔覆層及其磨痕表面組成.采用MT-3型顯微硬度計(jì)沿熔覆層深度方向測(cè)量顯微硬度分布,載荷為1.96×10-3N,加載時(shí)間5s,取10次測(cè)量結(jié)果的平均值.1.3磨損試驗(yàn)方法選用MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)激光熔覆層的摩擦磨損性能.試驗(yàn)前采用600#砂紙精磨激光熔覆層試樣表面;偶件為45#鋼環(huán)(外徑40mm,內(nèi)徑16mm,厚10mm,硬度500HV).選用載荷分別為10N、20N、30N、40N、50N;試驗(yàn)時(shí)間15min;線速度為0.42m/s.在摩擦磨損試驗(yàn)過程中每隔1min記錄一次摩擦系數(shù);試驗(yàn)結(jié)束后用丙酮清洗激光熔覆層試樣,隨后用讀數(shù)顯微鏡測(cè)定其磨痕寬度(測(cè)量精確度0.01mm).2結(jié)果與討論2.1稀土氧化物加入可加強(qiáng)結(jié)構(gòu)織物圖1示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層組織形貌的SEM照片.可以看出,引入稀土使得激光熔覆層組織生長(zhǎng)的方向性減弱,針狀組織數(shù)量增加.與此同時(shí),引入稀土氧化物使得激光熔覆層中的枝晶分散度增大,枝晶間空隙減小,樹枝晶生長(zhǎng)受阻,并在一定程度上導(dǎo)致晶粒細(xì)化.其原因在于,具有較強(qiáng)化學(xué)活性的稀土元素容易同其它元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成穩(wěn)定的化合物,從而增加熔覆層中的形核質(zhì)點(diǎn),加快熔覆層在凝固過程中的形核速度,導(dǎo)致晶粒細(xì)化.此外,稀土還可以增加液態(tài)金屬的流動(dòng)性,減小凝固過程中的成分過冷,減弱成分偏析,從而使組織趨向均勻化.2.2稀土對(duì)激光熔覆層硬度的影響圖2示出了不同稀土含量的Fe基合金激光熔覆層顯微硬度隨深度變化的關(guān)系曲線.可以看出,16Mn鋼經(jīng)激光熔覆處理后顯微硬度顯著提高,而引入稀土可以進(jìn)一步提高激光熔覆層的硬度.同不含稀土的激光熔覆層相比,稀土含量為1.2%的熔覆層的顯微硬度有所增大,平均顯微硬度為400~450HV,而稀土含量為2.0%的熔覆層的平均硬度約為500HV.這是由于引入稀土導(dǎo)致熔覆層組織細(xì)化和硬質(zhì)金屬化合物彌散強(qiáng)化所致.2.3稀土及稀土作用機(jī)理研究圖3分別示出了摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間(載荷為50N)以及磨斑寬度隨載荷變化的關(guān)系曲線.可見,摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,引入稀土有利于降低摩擦系數(shù)[見圖3(a)],當(dāng)稀土含量較高(1.2%)時(shí)尤其如此.其原因在于,具有六方層狀結(jié)構(gòu)的La2O3稀土化合物本身具有潤(rùn)滑作用,同時(shí)稀土可以促進(jìn)Cr的碳化物和硼化物硬質(zhì)相析出,提高熔覆層的硬度,降低犁削和粘著作用,從而降低摩擦系數(shù).另一方面,同不含稀土的激光熔覆層相比,含稀土的激光熔覆層的磨斑直徑較小,且對(duì)載荷的敏感性較弱,當(dāng)載荷較高(>40N)時(shí)尤其如此[見圖3(b)].有趣的是,稀土氧化物含量較低(0.8%)的激光熔覆層的磨斑直徑相對(duì)較小,而當(dāng)稀土氧化物含量較高(1.2%)時(shí),其改善激光熔覆層抗磨性能的效果有所減弱.這同稀土在熔覆層中的作用機(jī)理有關(guān).換言之,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;當(dāng)稀土加入量較小時(shí),晶界得到強(qiáng)化,晶界附近位錯(cuò)的移動(dòng)性較強(qiáng),晶粒之間的滑移傳遞較容易,這有利于促進(jìn)摩擦過程中表面微裂紋頂部的應(yīng)力松弛,增加裂紋擴(kuò)展的阻力,從而減輕磨損.但當(dāng)晶界處稀土氧化物聚集過多時(shí),晶界處位錯(cuò)移動(dòng)受阻,晶界脆性增加,磨損過程中微突體易沿裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生脆斷,從而使磨損加劇.圖4示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面形貌SEM照片(50N,15min).可以看出,不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面存在明顯差異,不含稀土的熔覆層磨損表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的粘著和脆性斷裂剝落跡象[見圖4(a)],斷口處存在大量剝落顆粒;而含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面粘著跡象較微弱,除少量剝落顆粒外,未見大面積脆性剝落跡象[見圖4(b)].這同2種激光熔覆層相應(yīng)的抗磨性能差異相對(duì)應(yīng).3鐵基合金激光熔覆層晶圓a.在鐵基合金激光熔覆層中引入稀土可以弱化組織生長(zhǎng)的方向性,增加針狀組織的數(shù)量,減小晶須之間的空隙,限制樹枝晶生長(zhǎng),從