球墨铸铁摩擦副激光熔覆处理层摩擦磨损研究.doc

球墨铸铁摩擦副激光熔覆处理层摩擦磨损研究刘安民1 ，汪新衡1 ，匡建新1，朱航生2(1. 湖南工学院机械工程系；2. 衡阳丰顺车桥有限公司产品部，湖南衡阳 421002)摘要：采用激光熔覆技术在球墨铸铁表面制备了原位析出颗粒增强金属基复合材料表层。以激光强化的球墨铸铁为上试样、灰铸铁为下试样，进行了标准的SRV快速磨损试验。结果表明：熔覆层致密，冶金结合良好，与灰铸铁配副，磨损深度分别为0.84m 、1.79m，摩擦系数在0.0650.078内变化，摩擦系数随摩擦时间的增加呈逐渐降低的趋势；表现出了良好的耐磨性和配副性。关键词：激光熔覆；原位析出；球墨铸铁；摩擦系数；摩擦磨损Study on Friction and Wear of the Cast Iron Friction Surface Layer by Laser Cladding LIU An-min1, WANG Xin-heng1 , KANG Jian-xin1, ZHU Hang-sheng2 (1. Dept. of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology,; 2. Products Division ofHengyang Fengshun Automotive Axle CO.LTD, Hengyang Hunan 421002, China)Abstract: The situ precipitation particle reinforced metal matrix composite clad layer was fabricated on ductile iron surface by laser cladding using preplaced FeC-SiB alloy powders. The Optimal SRV tests were carried out by using laser clad layers as upper samples and grey cast iron as low samples. The tests show that the clad layer is dense, metallurgical bond is fine. The wear depth is 0.84m, 1.79m and friction coefficient is 0.065 0.078 when it is composed of friction with gray cast iron. The friction coefficient is decrease with the increase of wear time , That show they have good wear resistance and pair of.Key words: laser cladding; situ precipitation ; ductile iron ; friction coefficient; Friction and wear1引言激光强化技术可以直接作用在基体表面或通过添加高性能的材料，利用激光束的高功率密度以及极高的加热和冷却速度，使材料产生相变，获得微晶、非晶和亚稳态合金组织，从而在低等级材料表面制备具有优异性能的表层。其中通过激光熔覆工艺制备原位析出颗粒增强金属基复合材料表层是众多制备原位自生颗粒增强金属基复合材料技术中最经济、有效的方法之一12。相关的研究成果已有较多的报道，在熔覆合金成分设计、工艺参数的优化、颗粒原位析出的机制及其分布控制、裂纹的成因及控制等方面取得了重大的进展35，但针对其提高零件的抗磨和抗擦伤性能的具体工业化应用研究很少。本文以提高和改善内燃机活塞环-汽缸套关键摩擦副磨损性能和配副性为工程应用的背景，利用激光熔覆技术在球墨铸铁表面制备原位析出颗粒增强金属基复合表层，以目前汽缸套广泛应用的灰铸铁材料为配副，模拟活塞环-汽缸套的工作环境，测量摩擦副磨损量和摩擦系数；利用扫描电子显微镜观察磨痕形貌，探索磨损机制；为进一步推动激光表面处理技术在内燃机关键零部件的应用提供工业参考。2试验材料及方法2.1试验材料激光熔覆强化工艺用基体材料为球墨铸铁，SRV摩擦学试验的缸套材料为灰铸铁，激光熔覆材料为自制的具有良好成型性的FeC-SiB系合金粉末7，添加适当比例的强碳化物形成元素Zr和V及少量的稀土氧化物CeO2。2.2试验方法采用HJ-4横流CO2激光器、国产数控激光加工机床进行激光熔覆试验，在试验过程中侧吹Ar气保护熔池。优化的激光工艺参数如下：输出功率为1.52 kW，光斑直径为34 mm，透镜焦距为300 mm，扫描速度为35mm/s。实验完成后将试样置于空气中缓冷。激光熔覆试棒为15.5mm150 mm，强化带位置开槽宽为2.5 mm、深为0.5 mm。在进行激光熔覆处理前，试棒上预置FeC-SiB+Zr+Ti合金粉末，预置粉末层堆高0.81.5 mm。激光熔覆后，精磨，切断，制备成标准的SRV磨损试验上试样，试样为15 mm22 mm。缸套试样是直接从离心铸造的缸套上截取的，试样毛坯为12.5 mm12.5 mm30 mm，为满足SRV实验下试样的要求，加工成18 mm12 mm7.88 mm的试块，同时需要设计下试样的卡具，以达到SRV试验机的要求。设计的卡具材料选用普通低碳钢。上下试样及卡具的加工精度按照SRV试验机要求的标准完成，以确保上下试样的装配精度。磨损试验在Optimal SRV高速往复磨损试验机完成，试验参数见表1。采用Taly-surf 5120表面形貌仪测量试样磨痕断面曲线上各点纵坐标，每点间距1.25m，测量范围1500个点。在计算机上使用AutoCAD软件完成磨痕断面曲线的精确还原，再与初始表面拟合，最终利用AutoCAD编程计算出径向磨损量。以上试样和配对气缸套的最大径向磨损量作为评价绝对磨损量的标准。Optimal SRV磨损试验机自动全程记录并显示摩擦系数。以进入正常磨损试验后至试验结束前(30 min)的数据，列出摩擦系数的范围和平均值。在SEM下观察经Optimal SRV摩擦磨损试验后的表面微观形貌，分析划伤、犁沟及因金属粘着的转移、脱落状态，探索摩擦副的磨损机制。表1SRV磨损试验参数Table 1 SRV test parameters for measuring wear performances负荷/N 时间/min 频率/Hz 行程/ mm 润滑剂 150（1） 10（1） 50 1.2 机油 300（2） 30（2） 50 1.2 机油（1）运行状态 ；（2）稳定状态3试验结果以灰铸铁为配副的SRV磨损试验结果表明，在高速磨损过程中，磨损机运转平稳，无噪声，摩擦系数在0.0650.078内变化，摩擦力21.04 N；激光熔覆层及其配副的灰铸铁试样的绝对磨损深度分别为0.84m 、1.79m。当摩擦副进入稳定磨损期以后，激光熔覆强化后的试样与配副间的摩擦系数随磨损时间的增加呈下降的趋势，显示了其优异的摩擦磨损性能，如图1示。图1摩擦系数与磨损时间变化的关系曲线Fig.1The cure of friction coefficient and wear time对激光熔覆试样和灰铸铁缸套配副的磨痕形貌进行电子显微镜下观察，分析表明，激光熔覆试样的磨痕是比较浅的，试样表面非常光洁，以至于在电镜下的表面呈现出类似抛光浸蚀后所观察到的金相组织，如图2(a)示。这也表明激光熔覆处理有利于降低球墨铸铁试样的表面粗糙度。由2(a)图清晰还可见激光熔覆层表面共晶莱氏体网络骨架和弥散分布微细的凹坑。与其配副的灰铸铁下试样没有明显的磨痕及塑性变形，并且具有很高的光洁度，由图2(b)可以清晰地看到铸铁组织中的片状石墨。SEM显微观察表明，激光熔覆强化球墨铸铁上试样及其配副的灰铸铁之间的磨损机制为微切削。 (a) 激光熔覆层 (b) 灰铸铁图2磨痕的SEM形貌Fig.2SEM micrographs of wear scars4讨论球墨铸铁表面激光熔覆制备的原位析出颗粒增强金属基复合材料与基体呈冶金结合，组织致密，结合强度高，显微硬度HV0.2960HV0.21420。熔覆层横截面显微硬度分布如图3示。经激光熔覆处理后的球墨铸铁表面层硬度大幅地提高，其原因在于，激光辐照过程中，式样表面在高温作用下发生熔融并迅速冷却，导致辐照区域位错密度急剧增大，从而形成具有高硬度和超细组织的改性层。图3熔覆层显微硬度Fig.3Microhardness of laser clad coatings激光熔覆强化层显微组织特征是以细小的共晶莱氏体为基底，上面分布着先共晶渗碳体，有少量的原位颗粒析出，如图4示。从垂直于磨损表面的方向可以看到，激光熔覆层的过共晶组织，大量的合金渗碳体形成网架结构，起到了支撑磨损表面的作用和屏蔽、遮挡的作用，形成非光滑的第1磨损面。弥散析出的细小颗粒起定扎位错的作用，强化了基体。另一方面，经过磨合期后，灰铸铁表面在高硬度熔覆层的磨损下，片状的石墨出现在摩擦的表面，起到良好的润滑作用，如图2示。进一步研究结果表明，其强化层中不仅含有大量的合金渗碳体，而且还有马氏体、残余奥氏体和原位析出的颗粒，原位析出德颗粒为复合碳化物，颗粒尺寸在m级，弥散分布在枝晶间的枝晶内。马氏体增加了基体的硬度和强度，对摩擦副的早期磨损有一定的抵抗作用，此外，对细小颗粒还有支撑作用。磨损表面由这些细小的渗碳体支撑，可以有效地防止磨粒磨损的产生；强化层中的奥氏体在磨损过程中，最先磨损，成为凹坑，可以保证油膜的连续性，也防止了粘着磨损的产生。奥氏体的另一作用是作为软相，可作为能量吸收单元。当吸收一定的能量后，转变为马氏体，使应力得以释放，阻止了裂纹的形成与扩展。 (a) Upper zones (b) Bottom图4激光熔覆层SEM显微组织形貌Fig.4SEM micrographs of laser cladding灰铸铁显微组织形貌观察表明，显微组织为片状的珠光体和石墨组成，如图5示。摩擦副这种软、硬相结合的组织相似于滑动轴承合金的组织特征，硬的质点比较抗磨便突出在基体上，支撑所施加的压力，而凹坑能储存润滑油，降低摩擦副之间的摩擦系数，减少活塞环与气缸套的磨损。同时，软基体具有抗冲击、抗振动和较好的磨合性6。因此，球墨铸铁表面激光熔覆层和灰铸铁组成的摩擦副，由于表面形成凸凹结构，能够保护油膜的连续性和完整性，随着磨损时间的增加，摩擦系数逐渐降低，表现出良好的配副性和优异的磨损性能。图5灰铸铁SEM显微组织形貌Fig.5SEM microstructure of grey cast iron5结论对模拟条件下的激光熔覆层和灰铸铁配副磨痕采用SEM静态观察分析表明，球墨铸铁激光熔覆强化与灰铸铁缸套配副时，表现出了良好的耐磨性和配副性，配副双方的磨损都大幅度降低。磨损机制为微切削。在磨损过程中，摩擦系数随磨损时间的增加，呈逐渐下降的趋势，摩擦系数在0.0650.078内变化，摩擦力随着降低，这种变化规律对激光表面熔覆处理在内燃机关键摩擦副的强化应用领域提供了重要的技术支持。参考文献:1 王悔改,宋延沛,等.原位自生Ti2AlC/Ti-40Al复合材料的高温氧化行为J.热加工工艺,2008,38(10):37-40.2 杜宝帅,李清明,王新洪,邹增大. 激光熔覆原位自生TiC-VC颗粒增强Fe基金属陶瓷涂层 J. 焊接学报, 2007, (04):65-68.3 汪新衡,匡建新. 激光熔覆镍及金属陶瓷涂层组织与高温磨损性能的研究J.热加工工艺, 2007, 36（7）:45-47.4 张维平,刘硕,马玉涛.激光熔覆原位生成TiB2及其组织结构研究J.大连理工大学学报, 2004, 44（3）: 402-406.5 朱文慧,徐江,陈哲源,刘文今. 铝合金表面激光熔覆原位自生TiB颗粒增强耐磨涂层的研究 J.材料热处理学报, 2007, 28（8）:222-227.6 高为国. 机械工程材料基础M. 长沙：中南大学出版社, 20