劉芳,郭子銘,尚純,陸興

(大連交通大學 材料科學與工程學院,遼寧 大連 116028)

牽引銷作為電力機車牽引裝置中重要組成部分,在機車運行過程中承受牽引桿體的摩擦和沖擊作用。某公司生產(chǎn)的和諧電3C型電力機車(HXD3C)的牽引銷材質是ZG230-450(25號鋼),鑄造過程中,在其近表面處常產(chǎn)生零星的砂眼、氣孔等缺陷[1],易使牽引銷在未達到服役壽命的情況下失效,因此需要對其近表面處缺陷進行局部修復。

激光熔覆層因其優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性、抗疲勞等優(yōu)點[2-4],使得激光熔覆技術得到了快速發(fā)展[5]。與傳統(tǒng)的堆焊技術(如弧焊和熱噴涂)相比[6-8],激光熔覆可以產(chǎn)生更好的涂層,如致密的微觀結構[9]、高耐磨性[10-11]、低稀釋率和與基材冶金結合的特性,該技術成為零部件表面修復和改性的重要方法。

本文以25號鋼為基體,采用激光熔覆技術制備了奧氏體不銹鋼涂層,并對涂層組織結構、顯微硬度和磨損性能進行了分析和測試。

1 實驗方法

實驗基材為25號鋼,預先用砂紙磨制表面進行除銹。以奧氏體不銹鋼粉末為激光熔覆材料,其粒徑范圍為50～100 μm,奧氏體不銹鋼粉末的微觀形貌見圖1。其化學成為(質量分數(shù))如下:C為0.02%、Si為0.82%、Mn為1.68%、Mo為0.08%、Cr為19.34%、Ni為9.97%、Fe為68.09%。

圖1 奧氏體不銹鋼粉末的微觀形貌

激光熔覆實驗前將奧氏體不銹鋼粉末經(jīng)干燥箱120 ℃充分干燥1 h。為了最大限度模擬牽引銷近表面處砂眼的缺陷特征,激光熔覆前對25號鋼表面進行機械挖孔處理,孔徑為4 mm,孔深為0.5 mm。

本文使用YLS-6000光纖激光器,采用同軸送粉法進行激光熔覆。優(yōu)化后工藝參數(shù):負離焦量為30 mm,光斑直徑為3 mm,單道激光熔覆實驗時激光功率為2 600 W,掃描速率為6 mm/s,送粉率為18.9 g/min;多道單層激光熔覆實驗時激光功率為2 500 W,掃描速率為6 mm/s,搭接率為40%,送粉率為18.9 g/min。

利用Leica DMi8 A型光學顯微鏡、荷蘭帕納科Empyrean X-射線衍射儀、Zeiss Supra 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡和JEM 2100F透射電子顯微鏡對涂層的組織和結構進行分析和表征。

采用型號為HV-1000B的顯微硬度計測試基體與熔覆層的硬度,加載時間為15 s,實驗載荷為100 g。沿縱向熔覆層厚度方向從涂層表面開始測試至25號鋼基體處,縱向同一厚度處橫向測試3點硬度,并取其平均值。

磨損實驗采用 UMT TriboLab 摩擦磨損測試儀,磨球為直徑 5 mm 的GCr15材料,磨球硬度為62 HRC,磨損載荷為 100 N,磨球往復距離為6 mm,往復速率為4 mm/s。用電子天平分別稱出基體和涂層磨損前后的質量。

2 實驗結果與討論

2.1 顯微組織分析

圖2為熔覆層(CL)組織的掃描電鏡圖像。在激光熔覆過程中,激光束是一個能量分布不均勻的高斯熱源。在加熱和冷卻過程中,不同的加熱和冷卻速率會導致每個區(qū)域的組織形態(tài)不同。根據(jù)凝固理論,固液界面穩(wěn)定性(G/R)因子決定了熔覆層組織的生長形態(tài),其中G為溫度梯度,R為凝固速率。從熔覆層上部與底部的顯微組織可以看出,熔覆層上部主要由等軸晶和樹枝晶組成,熔覆層底部主要由單一粗大的柱狀晶組成,其生長方向基本垂直于熔合線,這是因為在熔覆的過程中垂直于熔合線的方向散熱更快,熔合線區(qū)域的組織由平面晶組成。

(a) 上部

圖3為單道熔覆試樣熱影響區(qū)顯微組織,由于各個位置在熔覆過程中經(jīng)歷的最高溫度不同,其組織結構也有所差異,可分為淬火區(qū)和正火區(qū)。淬火區(qū)由片狀馬氏體組成,熔覆過程中,靠近熔池的基材快速升溫至Ac1以上奧氏體化,隨后又快速冷卻形成片狀馬氏體。正火區(qū)組織與基材組織基本相同,只是相對于基體組織,正火區(qū)組織為更細小的索氏體。

圖3 試樣熱影響區(qū)顯微組織

2.2 X射線衍射分析

熔覆層的XRD衍射圖譜見圖4,由圖4可見,奧氏體不銹鋼熔覆層由單一的奧氏體(γ)相組成,無其他衍射峰出現(xiàn)。

圖4 熔覆層的 XRD 衍射譜

2.3 熔覆層TEM分析

圖5為奧氏體不銹鋼熔覆層顯微組織及選區(qū)衍射斑點。其中圖5(a)為熔覆層顯微組織的掃描電鏡照片;圖5(b)、圖5(c)分別為b和c區(qū)域的透射電鏡明場像;圖5(d)、圖5(e)給出了d(枝晶內)和e區(qū)域(枝晶間)選區(qū)電子衍射斑點。圖5(a)中樹枝晶內組織在透射電鏡下呈現(xiàn)為白色基體,其對應的圖5(d)衍射斑點為FCC結構的晶帶軸為[113]的γ相,這與圖4中XRD衍射結果相吻合。對圖5(e)組合斑點進行標定,確定其條狀組織為正交晶系的Cr3C2(晶帶軸為[631]),周圍白色基體為面心立方晶系的γ相(晶帶軸為[122])。這說明激光熔覆奧氏體不銹鋼粉末時,先從液相中析出了γ相,然后發(fā)生了共晶反應,形成了γ相和碳化鉻片層相間的共晶組織。由于上述X射線分析的是熔覆層表層,極有可能是表層位置碳化物的含量低于5%,所以未顯示出有Cr3C2的存在。

(a) SEM形貌

2.4 顯微硬度分布

圖6為熔覆層至25號鋼基體的顯微硬度曲線,從圖6可以看出,自熔覆層—熱影響區(qū)—基體其硬度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。從圖中也可以看出,最上層由于其溫度處于粉末熔點的臨界值,導致粉末附著在熔池表面未完全熔透,顯微硬度略有波動;隨著距離的增大,熔覆層質量趨于穩(wěn)定,最大顯微硬度值為314 HV0.1,顯微硬度穩(wěn)定在310 HV0.1左右。

圖6 熔覆層的顯微硬度曲線

激光熔覆過程中,熱影響區(qū)各位置所經(jīng)歷的最高溫度不同,奧氏體化的程度也有所不同,接近熔合線的熱影響區(qū)淬火區(qū)在熔覆過程中溫度高于液相線,在快速冷卻后得到了強度較高的馬氏體組織,使其顯微硬度維持在280 HV0.1左右。隨著表面距離的增大,馬氏體組織的占比逐步降低。到達熱影響區(qū)正火區(qū),其組織主要為細小的鐵素體與索氏體,隨著深度的增大,熔覆后冷卻速率逐漸變慢,其顯微硬度也逐步穩(wěn)定的下降至25號鋼基體的硬度,即170 HV0.1。

2.5 摩擦磨損實驗分析

圖7為基體與奧氏體不銹鋼激光熔覆層在干摩擦條件下的質量磨損隨時間的變化曲線。在同等磨損時間下,熔覆層的磨損失重始終比基體少,且隨著磨損時間的增大,二者的差距也越來越大,在磨損30 min后基體的磨損失重約為熔覆層的1.5倍;在磨損1 h后基體的磨損失重約為熔覆層的2倍。這說明激光熔覆奧氏體不銹鋼涂層后,耐磨性能顯著提高。

圖7 25號鋼基體與奧氏體不銹鋼熔覆層失重曲線

按照磨損機理可以將磨損分為疲勞磨損、沖蝕磨損、黏著磨損、磨料磨損等。一般來說,磨損行為往往是某一種機理起主要作用,多種機理同時進行的。圖8分別為基體與奧氏體不銹鋼熔覆層磨損1 h后的磨損形貌。從圖8可以看出,基體材料磨損后的犁溝較深且有一定程度的塑性變形,邊緣部位黏著現(xiàn)象比較明顯,是典型的黏著磨損和磨料磨損特征,這是因為基體硬度較低,在磨損過程中出現(xiàn)剝落坑。奧氏體不銹鋼熔覆層的磨痕較淺,有少量脫落痕跡,主要為磨料磨損,這是由于激光熔覆快速冷卻使奧氏體不銹鋼熔覆層組織變細,在磨損過程中起到了支撐和連接耐磨增強相的作用,熔覆層中韌性較好的γ相和硬質相Cr3C2聯(lián)合作用,提高了其耐磨性能。

(a) 基體

3 結論

(1) 奧氏體不銹鋼熔覆層由等軸晶、樹枝晶和平面晶組成,熱影響區(qū)由馬氏體和索氏體組成。熔覆層樹枝晶內為γ相,樹枝晶間由γ相和碳化物Cr3C2構成。

(2) 顯微硬度自熔覆層—熱影響區(qū)—基體,逐漸遞減為310 HV0.1—280 HV0.1—170 HV0.1。

(3) 25號鋼基體為黏著磨損和磨料磨損,熔覆層為磨料磨損。磨損1 h后基體的磨損失重約為熔覆層的2倍,即奧氏體不銹鋼熔覆層的耐磨性能是25號鋼基體的2倍。