激光熔覆钴基合金粉的摩擦磨损性能研究

激光熔覆钴基合金粉的摩擦磨损性能研究

作为中国物资运输的动脉，铁路系统的发展是国家经济发展的中心。目前，世界上许多国家正在建设高速铁路、高速铁路和城市地铁。而轮轨之间相互作用产生的摩擦力是列车能够运行的基础,相应的轮轨间的磨损是列车运行的必然结果,因此磨损成为铁路运输中耗资最大的一个问题。列车运行时,钢轨需要承受列车的压力、冲击载荷和摩擦,要求钢轨有很好的硬度、韧性和强度,对钢轨材料质量要求较高。车轮由于与钢轨的接触应力加大也容易导致车轮轮缘磨损、热损伤、疲劳裂纹和车轮踏面磨耗等损伤,同样对车轮材料质量要求也有所提高。因此,目前许多学者都在开展提高轮轨强度和摩擦磨损性能的研究。激光熔覆作为激光加工众多领域的一个分支,是一种新的表面改性技术。激光熔覆作为一种先进制造技术,能实现激光熔覆层与基体冶金结合,可大大提高工件的使用性能和耐磨损性能。本文作者在钢轨和车轮材料表面激光熔覆钴基合金粉,考察了激光熔覆层的组织与结构,利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了熔覆层的摩擦磨损性能。1试样制备与腐蚀为了保证模拟的准确性,试验用钢轨和车轮材料由真实的轮轨材料制成,尺寸为ue78838mm×10mm。表1给出了轮轨试样材料化学成分及含量。激光熔覆合金粉为粒度为45~105的Co基合金粉末,其化学成分(质量分数)为1.1%C,1.0%Si,1.5%Fe,28.5%Cr,1.5%Ni,4.4%W,余量为Co。激光熔覆设备为TR-3000多模横流CO2激光器。光斑尺寸为ue7884mm,搭接率为30%,激光功率P=2kW,扫描速度为200mm/min,送粉速度为15g/min。熔覆前用丙酮将试样清洗干净,对试样圆周表面激光熔覆时采用同步送粉方式,并用氩气对熔池进行保护。试样经激光熔覆后机加工成MMS-2A摩擦磨损试验机所需的尺寸,如图1所示,试验按照赫兹模拟准则,采用双圆盘试样对滚形式来模拟轮轨间的接触,上试样模拟钢轨,下试样模拟车轮,上下试样转速分别为360和400r/min,滑差率为10%。摩擦磨损试验分为2组,2组摩擦副分别为激光熔覆处理后的轮轨和未激光熔覆处理的轮轨。经赫兹接触理论计算试验加载力选用170N,模拟现场25t轴重,其最大接触应力为1915MPa,试验时间为40h。按常规方法制备金相试样,用氯化铁盐酸溶液进行腐蚀,采用FEIQuanta200型扫描电子显微镜(SEM)及其自带的能谱仪(EDX)进行形貌与成分分析,采用布鲁克D8型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析,用MVK-H21型维氏硬度仪对涂层截面进行硬度测试,试验加载载荷为4.9N,保压时间为10s。用JA4103型电子天平测量试样试验的质量损失(重复测量10次取平均值),作为磨损量。2试验结果与分析2.1织物组织结构图2,3分别为车轮和钢轨激光熔覆层横断面微观组织照片和EDX能谱图。可知熔覆层组织主要由熔覆区、结合区、热影响区3部分构成,且熔覆层组织整体均匀,没有任何裂纹、气孔等缺陷。图2(a)和图3(a)中,熔覆层的右方有一条白亮带,表明合金粉与基体形成了良好的冶金结合,然后为大体上垂直于界面生长的较粗大树枝晶。车轮和钢轨表面的熔覆层组织结构基本一致,钢轨熔覆层组织更细密均匀。涂层由基体到表面分为平面晶区、胞状晶区、树枝晶区,在结合区主要由树枝晶和枝间共晶组织组成,树枝晶主干发达,并生长出明显二次枝晶。由图2(b)和图3(b)熔覆层的EDX能谱图可知车轮和钢轨的熔覆层的成分基本上一致,主要富集Cr、Co等。2.2碳化物的结构图4为车轮和钢轨激光熔覆层表面X射线衍射对比结果,可以看出,车轮和钢轨涂层相的组成基本一致,2个涂层都主要由富集的γ-Co相和碳化物Cr23C6相构成。钴是一种能同素异构转变的金属,在420℃下为稳定的密排六方结构ε-Co,高温则为面心立方结构γ-Co。因此经过激光熔覆的快速融化、凝固,迅速被激光熔化的钴基合金由于基体的快速冷却作用,使γ-Co相没有发生相变就被保留下来。由于合金粉中Cr的含量较高(28.5%),与C反应生成Cr23C6,Cr23C6也为熔池快速冷凝而形成的介稳相,其中固溶了Fe等元素。2.3显微硬度分布熔覆层截面上的显微硬度分布如图5所示,可以看出,车轮和钢轨激光熔覆层的硬度明显高于基体的HV310和HV318,平均硬度分别达到HV440和HV455,分别比基体提高了43%和45%,车轮和钢轨经激光熔覆后的硬度比较接近。车轮和钢轨的熔覆层显微硬度分布规律基本相同,熔覆层、过渡层、基体大致呈梯度分布。在熔覆层中,由于激光熔覆的快速冷却使Co基合金粉的固溶度提高,从而产生固溶强化,因此使熔覆层的硬度提高,但是车轮和钢轨熔覆层表面并不是硬度最大处,而是在靠近表面0.2mm左右的地方出现硬度峰值,分别达到HV480和HV495,但是在激光熔覆层与基体的过渡区硬度有较大的跨度,由于基体的稀释以及硬质颗粒上浮加剧的影响,颗粒相体积数量逐渐下降,硬度也不断降低,至熔覆层底部降至基体的硬度值。2.4激光熔覆对轮轨磨损性能的影响决定轮轨耐磨性能的最主要因素是硬度,DMarkov通过轮轨摩擦试验研究表明,随着硬度的上升,轮轨的总磨损量下降。图6示出了2组摩擦副经过摩擦磨损试验后的磨损量。可以看出,由于激光熔覆固溶强化以及晶粒细化等作用,导致熔覆后轮轨硬度增大,经过激光熔覆后的轮轨的耐磨性能明显好于没有激光熔覆处理的轮轨基体,激光熔覆处理后轮轨总的磨损量只有未激光熔覆处理轮轨的20%左右,2组摩擦副由于钢轨的硬度比车轮的硬度大,导致车轮的磨损量比钢轨的磨损量大。由此可知轮轨表面经激光熔覆后能够起到很好的减磨作用。经过激光熔覆的轮轨比未激光熔覆的轮轨耐磨性能提高了4倍左右。图7为2组摩擦副的摩擦因数曲线图,可知摩擦因数曲线大致可以分为3个阶段,第一阶段,滚动摩擦的初始阶段,摩擦因数快速上升,由于轮轨接触表面的保护膜和吸附膜等的作用,初始阶段摩擦因数较低。但在相对滚动作用下,保护膜很快受到剪切和挤压而破坏,摩擦副直接接触,从而出现塑性变形和黏着,摩擦因数快速上升。第二阶段,摩擦因数缓慢上升阶段。由于轮轨材料表层组织的转变和轮轨表面加工硬化的作用,材料出现颗粒的剥落,大量的颗粒出现减少黏着作用和参与承载,摩擦因数缓慢上升。第三阶段,稳定阶段。在此阶段由于磨屑滑落以及氧化以及磨屑的产生和溢出基本达平衡,摩擦因数进入稳定阶段。由图知经过激光熔覆处理后轮轨的摩擦因数明显比未激光熔覆处理的摩擦因数高,其中激光熔覆处理后的轮轨摩擦因数为0.55,而轮轨基体的为0.45。原因是轮轨表面经激光熔覆后涂层中含有一些共晶碳化物如Cr23C6提高了涂层硬度,在摩擦磨损试验中起到了阻磨作用,以及由于这些硬质相与对偶件摩擦时,形成的啮合点较多,造成摩擦因数较高。图8,9分别示出了2组摩擦副磨痕SEM形貌。轮轨表面经激光熔覆后,改变了轮轨的表面硬度,导致轮轨摩擦副的摩擦磨损性能出现差异。由图8可看出,经过熔覆后的车轮和钢轨磨痕比较整齐、光滑。激光熔覆处理后车轮表面非常光滑,有轻微的犁沟现象,但不严重,且犁沟比较平滑,只有少量磨屑被压平粘附在表面,无明显的损伤痕迹,此时主要为磨粒磨损。与之对磨的激光熔覆处理后钢轨磨痕表面也比较整齐,有很轻微的犁沟现象,但已不明显,有一点剥落磨损。前面已经分析,激光熔覆层中主要是一些硬质相化合物和基材组成的固溶体,这些硬质相硬度比较高,因此,熔覆层的耐磨性能得到了很大提高,此时熔覆层磨损机制也主要表现为磨粒磨损。由图9可知,由于未激光熔覆处理摩擦副的车轮和钢轨硬度比激光熔覆处理后的硬度低,导致其耐磨性能较差,磨损较明显,比激光熔覆处理后的轮轨损伤严重。车轮磨损表面比较粗糙,凹凸不平,且颜色比较暗,氧化比较明显,且有点蚀坑的出现,这是在反复的滚动下,接触表面出现疲劳所致,在磨损的过程中,随着磨损加剧以及表面温度的升高,氧化速度增大,氧分子由于摩擦热的影响活性增大,加快了材料的氧化。与之对磨的钢轨磨痕较光滑,沿塑性流变方向出现了小裂纹,但来不及扩展长大就会很快被磨耗掉,深度比较浅,呈薄片状,且出现疲劳和深层剥落现象,此时钢轨试样剥落的方向性不明显。外表层有层状物出现,这些层状物是产生的氧化物,磨损表面不断重复发生氧化、形成氧化物层和疲劳剥落的过程,导致磨损加大。未激光熔覆处理的轮轨磨损机制主要表现为疲劳磨损和剥落以及氧化磨损。由以上分析可知,轮轨表面经激光熔覆处理后能大大减轻轮轨的磨损和损伤。3不同形貌熔覆层的硬度(1)钢轨和车轮表面激光熔覆钴基合金可获得与基体良好冶金结合且无裂纹、无气孔的熔覆层。车轮和钢轨的激光熔覆层的组织结构基本一致,主要由γ-Co、Cr23C6等物相组成,熔覆层存在大