輪軌激光熔覆Ni60基合金粉末材料涂層與磨損性能研究

鄧曉云，花 超

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616)

0 引言

激光熔覆技術作為一種先進的表面處理技術，是將激光熔覆粉末材料通過添料方式或者預制粉末法，在激光照射下使得粉末材料在基體材料表面發生熔化，快速冷卻凝固，在基體材料表面呈現良好的冶金結合涂層，可顯著提高材料表面的綜合性能，這已逐步成為當代材料表面改性的研究熱點[1]。激光熔覆的過程實質上是激光與粉末、粉末與基體材料、激光與基體材料三者之間的化學作用[2-3]。目前激光熔覆粉末材料主要是自熔性合金材料，其主要包括Fe基合金粉末、Ni基合金粉末、Co基合金粉末材料[4-6]。激光熔覆技術目前已取得了不少的進展和研究成果，在各大領域都有很多的研究應用，如在航天飛機的應用方面，其加工制造的零件綜合性能明顯高于其他加工的零件，能減少成本的20%～40%，而且大大縮短生產周期[7-8]；在汽車工業的應用方面，其修復的曲軸、傳動軸、凸輪軸的硬度、抗磨損性能均得到了很大的提高，使用壽命提高了3～4倍；在模具行業方面，經激光熔覆處理的軋鋼機導向板不僅可以延長3～4倍的使用壽命，而且能減少成本[9-10]。

1 激光熔覆試驗

1.1 試驗材料

本試驗選用的基體材料是來自南寧鐵路局的ER8車輪和鋼軌，對輪軌材料采用線切割技術取樣兩組，其中車輪材料尺寸為φ60 mm×15 mm，鋼軌材料尺寸為φ60 mm×25 mm。線切割前用砂紙和電磨機在材料表面進行打磨除銹，去除雜質，烘干處理備用。

車輪和鋼軌基體材料化學元素成分如表1所示。對比兩種材料成分發現，車輪和鋼軌化學元素種類差別不大。

表1 輪軌材料化學成分表(%)

本試驗采用的是激光熔覆Ni60基合金粉末材料，其化學元素成分如表2所示。試驗前利用球磨機對Ni60基合金粉末材料進行均勻混合、干燥處理，其粒度為200～350目。對Ni60基合金粉末材料進行金相顯微鏡(OM)觀察，發現材料表面形貌主要為球狀和棒狀顆粒形態，此形態有利于粉末正常流動，有助于激光熔覆試驗。

表2 Ni60基合金粉末化學成分表(%)

1.2 試驗方法

試驗前通過多次激光熔覆正交試驗，確定其最佳的工藝參數，其中激光功率為1.6 kW，掃描速度為5 mm/s，離焦量為15 mm，工件轉動速度為180 mm/min，激光束圓形光斑直徑D為4 mm。激光熔覆過程中引入惰性氣體Ar(純度≥99%)起層流保護作用，以防止試驗過程中粉末材料的氧化，影響激光熔覆層的質量。在激光熔覆YLC-I光纖設備上對一組輪軌試樣進行激光熔覆處理，另一組輪軌試樣不做處理。

1.3 激光熔覆層性能的測試

試驗后分別對熔覆的基體材料和未作處理的基體材料沿垂直熔覆層的方向線切割為6 mm×7 mm×8 mm的若干塊，用于試樣后續剖面硬度測量。金相組織觀察和掃描電鏡觀察(SEM)。分別對兩組輪軌材料在滾動接觸疲勞試驗機上進行模擬摩擦磨損試驗。輪軌材料均為圓環形試樣，兩者采用線接觸方式，接觸寬度為10 mm，模擬滾動摩擦磨損試驗時間24 h。

1.3.1 激光熔覆層的組織

線切割的樣品用鑲樣機鑲嵌成金相試樣，用不同目數的砂紙磨金相，利用拋光機對金相進行表面拋光和干燥處理，并配制王水(濃鹽酸和濃硝酸體積3∶1)進行腐蝕，用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察熔覆層組織(如圖1所示)，發現激光熔覆層組織主要由熔覆區(CL)、結合區(BZ)、熱影響區(HAZ)這3個區域組成，其中熔覆區的組織形態主要由共晶組織和枝晶組織組成，中上部組織有細小樹枝晶，中下部有胞狀晶和粗大的樹枝晶，下部有柱狀晶生成。

圖1 激光熔覆層組織電鏡圖

1.3.2 激光熔覆層的硬度

輪軌試樣在激光熔覆處理后，沿著熔覆層垂直深度方向取點測量剖面硬度各5次，求其平均值，作為最后的硬度值。以輪軌最表面0～1.8 mm處為熔覆層，其中車輪硬度約為604 HV，鋼軌硬度約為780 HV；以1.8～0.27 mm作為過渡區(結合區與熱影響區)，其中車輪硬度約為350 HV，鋼軌硬度約為450 HV；以0.27～0.36 mm為基體，其中車輪硬度約為300 HV，鋼軌硬度約為400 HV。從測量結果看，處理后輪軌材料的硬度均得到很大的提高，究其原因是輪軌試樣經過激光熔覆處理后，熔覆層組織會發生強化現象，產生Fe-Ni固溶體，使熔覆層的強度得到提高。另外，在激光熔覆試驗過程中，由于熔覆材料快速熔化快速冷卻的特點，晶粒來不及迅速長大，產生很多細小枝晶組織，達到晶粒強化的作用，使熔覆層的硬度得到突升，因而車輪和鋼軌試樣表面硬度均得到很大的提高。

1.3.3 摩擦磨損的磨粒形貌和磨損量

經過24 h滾動摩擦磨損試驗后，及時收集摩擦磨損后的磨粒磨屑，并及時測量兩組試樣磨粒的重量作為磨損量，發現未處理的輪軌試樣的磨損量明顯增多。用光學顯微鏡觀察磨粒形貌，發現未處理的輪軌試樣主要以大塊狀結構為主，這是由于未處理輪軌試樣在長期循環接觸應力的作用下，表面變得粗糙，試樣表面產生疲勞裂紋，裂紋擴展到一定程度后會造成大塊的剝落，最終產生大塊的磨屑。而經過激光熔覆處理后的輪軌試樣磨屑主要是以小塊和少量較大塊狀存在，其原因是在經過激光熔覆處理后的輪軌材料表層組織的硬度、強度和塑韌性均得到很大的提高，使材料抗疲勞、抗剝離能力得到提高，從而延長使用壽命。

1.3.4 摩擦系數

如圖2所示為兩組輪軌試樣在經過32 h(4次×8 h)摩擦滾動、轉數高達400 000 r試驗條件下的摩擦系數變化情況。當滾動磨損試驗在第1次8 h時，輪軌試樣表面相對光滑，表面粗糙度相對較小，摩擦系數也相對較低；未熔覆處理試樣摩擦系數明顯偏高，而熔覆處理后的試樣摩擦系數偏低。隨著試驗進行，輪軌試樣表面粗糙度增大，摩擦系數也在上升，且隨著試驗的進行，摩擦系數也逐漸變得相對穩定。未熔覆處理試樣在滾動摩擦后，硬度和強度韌性都要低于熔覆處理的試樣；熔覆處理的試樣表面相對光滑，表面粗糙度比較小，而未處理的輪軌試樣表面變得粗糙，試樣表面產生更多的磨屑從而引起摩擦系數增大。未處理輪軌試樣的摩擦系數在第4次8 h約為0.4，見圖2(a)；而處理后的試樣第4次8 h摩擦系數約為0.2。其原因是激光熔覆處理輪軌試樣表面硬度、強度均得到提高，表面相對比較光滑，粗糙度較小，摩擦系數偏低，而熔覆層組織中Fe-Ni起固溶強化作用，晶格畸變。

(a)未處理試樣

(b)處理后試樣

2 結語

激光熔覆技術作為一種先進的加工技術，可以明顯改善輪軌材料表面的綜合性能，增加輪軌材料的硬度和強度，減少其表面摩擦系數，提高輪軌材料表面抗磨損性能，延長其使用壽命，減少使用成本。