1 引言

激光重熔是改善和提高材料表面性能的主要方法之一^[1]。利用激光重熔在材料表面制备出的网纹、条纹等织构表面具有良好的摩擦学特性^[2-3]。在织构的激光重熔过程中向工件表面添加熔覆材料,可以进一步改善材料表面的摩擦学性能^[4-6]。WC是一种难熔的金属碳化物,是改善材料耐磨性能的重要成分之一,且Ni与WC之间具有良好的润湿性^[7],因此,Ni基WC材料主要用于制备有耐磨需求的激光熔覆表面,如激光熔覆Ni基WC涂层等^[8-10]。

高速钢(HSS)材料主要用于模具、轧辊、锤头、磨球等零件以及麻花钻、成形车刀、齿轮刀具等切削刀具,HSS材料的磨损会导致零件失效,降低刀具的切削性能。磨损通常发生在材料表面,但通过合理的表面技术可以改善HSS材料的摩擦学性能,延长零件和刀具的使用寿命。Senthilkumar等^[11]通过磨削和电火花方法,在HSS表面制备出了具有低磨损量和低摩擦因数的凹坑和条纹织构。

目前,有关HSS表面激光熔覆Ni基WC条纹的摩擦磨损特性的研究工作尚未系统开展。多数研究表明,织构表面或者Ni基WC涂层有减小磨损量的效果,但有关激光重熔或激光熔覆织构的减摩机理的研究鲜有报道。本文以W6Cr5Mo4V2 HSS为研究对象,运用激光熔覆技术在HSS表面制备了Ni基WC熔覆条纹,研究了HSS试件表面激光熔覆Ni基WC条纹的减摩机理。

2 材料与方法

2.1 实验材料

选择W6Mo5Cr4V2板材作为实验材料。熔覆粉末由Ni基自熔性合金粉末T-Ni25A和WC粉末混合而成,采用气雾化制粉法制备,质量分数为99.9%;T-Ni25A粉末和WC粉末的质量分数分别为65%和35%。Ni基WC粉末颗粒的尺寸为10~45 μm。对比实验选用的纯Ni粉末颗粒的尺寸为5~10 μm。

2.2 试件制备

试件制备的主要流程为:首先,将HSS板材通过线切割方式加工成35 mm×25 mm×4 mm的矩形试件,并在平面磨床上将试件两面磨平。采用粘结法将厚度为1 mm的Ni基WC粉末预置在HSS试件表面,粘接剂是体积分数为65%的乙醇溶液。采用深圳大族激光公司生产的YAG-W200B型激光焊接机在HSS试件表面制备出三种条纹间距的Ni基WC熔覆条纹,条纹宽度为1 mm,条纹间距分别为2,2.5,3 mm。激光熔覆工艺参数为:电流50 A,脉冲宽度9 ms,脉冲频率20 Hz,扫描速度60 mm·min^-1,矩形波,平均功率45.25 W。激光熔覆后,将Ni基WC熔覆条纹打磨平整后得到的熔覆条纹试件如图1所示。为了进行摩擦因数的对比,采用同样的方法在HSS试件表面制备出纯Ni熔覆涂层。

2.3 磨损实验与性能测试

采用兰州中科凯华生产的SFT-2M型摩擦磨损试验机进行磨损实验,熔覆条纹试件作为摩擦副的下磨损试样,选用直径为5 mm的Si₃N₄陶瓷球作为摩擦副的上磨损试样。实验条件为:载荷80 N,下摩擦副的转速500 r·min^-1,磨损时间60 min,试件表面的磨痕直径10 mm。通过摩擦磨损试验机记录摩擦因数值并计算平均摩擦因数。采用日本日立公司生产的S-4800型扫描电镜(SEM)和日本浩视公司生产的VHX-1000型三维数码显微镜观察试件的磨损形貌并进行元素能谱分析(EDS)。

图 1. Ni基WC熔覆条纹试件

Fig. 1. Specimen with Ni-based WC cladding stripes

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3 结果与讨论

3.1 熔覆条纹组织

Ni基WC熔覆条纹试件的金相组织如图2所示。由图2(a)可知,Ni基WC熔覆条纹与HSS基体的结合较好,熔覆组织与HSS基体之间为热影响区。从图2(b)可以看出,Ni基WC粉末在激光作用下形成了均匀、细小的晶粒,但仍有部分未熔化的黑色WC颗粒。熔覆条纹中的WC颗粒起到了弥散强化的作用,可以提高熔覆条纹的硬度和耐磨性能。然而,由于受到激光熔覆的影响,部分熔覆条纹组织内部仍然可以观察到微小的裂纹和气孔,如图2(a)中箭头A处所示。

图 2. Ni基WC熔覆条纹组织。(a)剖面图;(b)组织结构

Fig. 2. Microstructures of Ni-based WC cladding stripes. (a) Cross-sectional view; (b) organization structure

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3.2 摩擦因数

HSS试件和Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数曲线如图3所示,其中Ni基WC熔覆条纹的间隔为2.0 mm。两种试件的摩擦因数随时间的变化均较平稳,但Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数明显小于HSS试件的。

图 3. 摩擦因数曲线。(a) HSS试件;(b) Ni基WC熔覆条纹试件

Fig. 3. Friction coefficient curves. (a) HSS specimen; (b) specimen with Ni-based WC cladding stripes

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根据不同表面的摩擦因数曲线,得到了不同表面的试件与对摩球的摩擦因数对比,结果如图4所示。表面无熔覆的HSS试件的摩擦因数最大,Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数均小于HSS试件的,而且Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数随着条纹间距的减小而逐渐减小。

图 4. 试件与对摩球的摩擦因数

Fig. 4. Coefficients of friction between specimens and friction balls

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3.3 减摩机理

3.3.1 石墨析出减摩

在Ni基WC粉末的激光熔覆过程中,部分WC颗粒会发生分解反应^[12]:

2WC=W2C+C。(1)

(1)式表明,在Ni基WC粉末激光熔覆过程中,WC的分解会产生C;另外,Ni基自熔性合金粉末也含有少量的C。因此,在Ni基WC的激光熔覆过程中,粉末熔化材料内的C主要来源于WC分解生成的C和Ni基自熔性合金粉末含有的C。文献[ 13]表明,C会被熔化的Ni吸留,大部分被吸留的C在冷却固化后会以石墨形式析出。因此,在激光熔覆过程中,Ni基WC粉末中熔化的Ni基体将会吸留部分C,并在冷却后析出石墨。石墨的摩擦因数为0.2^[14],是一种良好的固体润滑剂。HSS与对摩球间的摩擦因数为0.72,显然,Ni基WC熔覆条纹中析出的石墨具有减小熔覆条纹试件摩擦因数的作用。

熔覆条纹表面WC颗粒附近的黑色物质区域的EDS结果如图5所示,可以看出,C原子、Fe原子、Ni原子、W原子的原子数分数分别为87.43%,4.59%,3.90%,2.22%,表明该区域的C含量较高。熔覆条纹表面其他区域测试的C原子的原子数分数仅为21.01%。因此,在Ni基WC熔覆条纹中会存在石墨析出现象。

图 5. Ni基WC熔覆条纹表面。(a) SEM图;(b) EDS结果

Fig. 5. Ni-based WC cladding stripe surface. (a) SEM image; (b) EDS result

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3.3.2 Ni金属减摩

为了考察熔覆Ni对摩擦因数的影响,测试了激光熔覆纯Ni金属涂层与对摩球之间的摩擦因数,结果为0.407,表明熔覆Ni基WC条纹中的Ni具有一定的减摩作用。由图4可以看出,Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数随着条纹间距的增大而变大。随着熔覆条纹间距的减小,参与磨损的熔覆条纹数量就会增加,意味着磨损表面上的Ni金属含量增多。上述分析表明,随着熔覆Ni基WC条纹试件表面上参与磨损的Ni金属含量增多,试件的摩擦因数逐渐减小。激光熔覆Ni基WC条纹中含有的Ni金属可以起到良好的减摩作用。

3.3.3 软基体中硬相承载的减摩机理

软基体中硬相承载的减摩和耐磨机理^[14]表明,如果软基体上分布有硬相,突出于磨损表面的硬相主要起着支撑载荷的作用,而软基体起着支撑硬相的作用,硬相与对摩件接触并发生相对滑动,从而导致摩擦因数变小。Ni基WC熔覆条纹表面的磨损形貌如图6所示,可以观察到突出的WC颗粒。在Ni基WC熔覆条纹中,Ni基体视作为软基体,WC则为硬相。在磨损过程中,Ni基WC熔覆条纹中的硬质WC颗粒起到支撑磨损载荷的作用。刘其斌等^[15]研究表明,WC颗粒的硬质强化作用具有减摩作用。因此,HSS试件表面的Ni基WC熔覆条纹的减摩机理是软基体与硬相的相互结合。

图 6. Ni基WC熔覆条纹表面的磨损形貌

Fig. 6. Worn morphology of Ni-based WC cladding stripe surface

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3.3.4 条纹间隔的减摩机理

在磨损过程中,圆环状磨痕的圆周尺寸固定不变。当熔覆条纹的间隔变小时,磨痕圆环中Ni基WC熔覆材料的面积比例相对增大。同时,在磨损过程中,一部分Ni基WC熔覆条纹的材料会被对摩球带入熔覆条纹间隔表面,导致磨痕圆环中Ni基WC熔覆材料的面积比例增大,从而出现更多的Ni基WC熔覆表面与对摩球接触。因此,摩擦因数会随着熔覆条纹间隔的变小而减小,这也解释了摩擦因数随Ni基WC熔覆条纹间隔变化的原因。

综上所述,HSS试件表面Ni基WC熔覆条纹中含有的Ni金属、析出的石墨以及硬质WC颗粒均具有良好的减摩作用,减小了Ni基WC熔覆条纹试件表面的摩擦因数。

4 结论

在高速钢表面激光熔覆了Ni基WC熔覆条纹,减小了高速钢试件的摩擦因数,且摩擦因数随着条纹间距的减小而减小。激光熔覆Ni基WC熔覆条纹试件呈现出较好的减摩特性。Ni基WC熔覆条纹的减摩机理是软基体与硬相的相互结合。