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. 衡阳丰顺车桥有限企业产品部, 湖南衡阳 421002)
摘要: 采取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。以激光强化球墨铸铁为上试样、 灰铸铁为下试样, 进行了标准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0.84μm 、 1.79μm, 摩擦系数在0.065~0.078内改变, 摩擦系数随摩擦时间增加呈逐步降低趋势; 表现出了良好耐磨性和配副性。
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, Hu’nan Institute of Technology,; 2. Products Division of
Hengyang Fengshun Automotive Axle CO.LTD, Hengyang Hu’nan 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 0.84μm, 1.79μm 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 wear
1　引　言
激光强化技术能够直接作用在基体表面或经过添加高性能材料, 利用激光束高功率密度以及极高加热和冷却速度, 使材料产生相变, 取得微晶、 非晶和亚稳态合金组织, 从而在低等级材料表面制备含有优异性能表层。其中经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、 有效方法之一[1~2]。相关研究结果已经有较多报道, 在熔覆合金成份设计、 工艺参数优化、 颗粒原位析出机制及其分布控制、 裂纹成因及控制等方面取得了重大进展[3~5], 但针对其提升零件抗磨和抗擦伤性能具体工业化应用研究极少。
本文以提升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, 以现在汽缸套广泛应用灰铸铁材料为配副, 模拟活塞环-汽缸套工作环境, 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; 为深入推进激光表面处理技术在内燃机关键零部件应用提供工业参考。
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摩擦学试验缸套材料为灰铸铁, 激光熔覆材料为自制含有良好成型性FeC-SiB系合金粉末[7], 添加合适百分比强碳化物形成元素Zr和V及少许稀土氧化物CeO2。
2.2　试验方法
采取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。优化激光工艺参数以下: 输出功率为1.5~2 kW, 光斑直径为3~4 mm, 透镜焦距为300 mm, 扫描速度为3~5mm/s。试验完成后将试样置于空气中缓冷。激光熔覆试棒为Φ15.5mm×150 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0.8~1.5 mm。激光熔覆后, 精磨, 切断, 制备成标准SRV磨损试验上试样, 试样为Φ15 mm×22 mm。缸套试样是直接从离心铸造缸套上截取, 试样毛坯为12.5 mm×12.5 mm×30 mm, 为满足SRV试验下试样要求, 加工成18 mm×12 mm×7.88 mm试块, 同时需要设计下试样卡具, 以达成SRV试验机要求。设计卡具材料选择一般低碳钢。上下试样及卡具加工精度根据SRV试验机要求标准完成, 以确保上下试样装配精度。
　　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。采取Taly-surf 5~120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1.25μm, 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正确还原, 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最大径向磨损量作为评价绝对磨损量标准。Optimal SRV磨损试验机自动全程统计并显示摩擦系数。以进入正常磨损试验后至试验结束前(30 min)数据, 列出摩擦系数范围和平均值。在SEM下观察经Optimal SRV摩擦磨损试验后表面微观形貌, 分析划伤、 犁沟及因金属粘着转移、 脱落状态, 探索摩擦副磨损机制。
表1　SRV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0.065~0.078内改变, 摩擦力21.04 N; 激光熔覆层及其配副灰铸铁试样绝对磨损深度分别为0.84μm 、 1.79μm。当摩擦副进入稳定磨损期以后, 激光熔覆强化后试样与配副间摩擦系数随磨损时间增加呈下降趋势, 显示了其优异摩擦磨损性能, 如图1示。

图1　摩擦系数与磨损时间改变关系曲线
Fig.1　The cure of friction coefficient and wear time
对激光熔覆试样和灰铸铁缸套配副磨痕形貌进行电子显微镜下观察, 分析表明, 激光熔覆试样磨痕是比较浅, 试样表面非常光洁, 以至于在电镜下表面展现出类似抛光浸蚀后所观察到金相组织, 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表面粗糙度。由2(a)图清楚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凹坑。与其配副灰铸铁下试样没有显著磨痕及塑性变形, 而且含有很高光洁度, 由图2(b)能够清楚地看到铸铁组织中片状石墨。SEM显微观察表明, 激光熔覆强化球墨铸铁上试样及其配副灰铸铁之间磨损机制为微切削。

(a) 激光熔覆层 (b) 灰铸铁
图2　磨痕SEM形貌
Fig.2　SEM micrographs of wear scars
4　讨　论
球墨铸铁表面激光熔覆制备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HV0.2960~HV0.21420。熔覆层横截面显微硬度分布如图3示。经激光熔覆处理后球墨铸铁表面层硬度大幅地提升, 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快速冷却, 造成辐照区域位错密度急剧增大, 从而形成含有高硬度和超细组织改性层。

图3　熔覆层显微硬度
Fig.3　Microhardness of laser clad coatings

激光熔覆强化层显微组织特征是以细小共晶莱氏体为基底, 上面分布着先共晶渗碳体, 有少许原位颗粒析出, 如图4示。从垂直于磨损表面方向能够看到, 激光熔覆层过共晶组织, 大量合金渗碳体形成网架结构, 起到了支撑磨损表面作用和屏蔽、 遮挡作用, 形成非光滑第1磨损面。弥散析出细小颗粒起定扎位错作用, 强化了基体。其次, 经过磨合期后, 灰铸铁表面在高硬度熔覆层磨损下, 片状石墨出现在摩擦表面, 起到良好润滑作用, 如图2示。深入研究结果表明, 其强化层中不仅含有大量合金渗碳体, 而且还有马氏体、 残余奥氏体和原位析出颗粒, 原位析出德颗粒为复合碳化物, 颗粒尺寸在μm级, 弥散分布在枝晶间枝晶内。马氏体增加了基体硬度和强度, 对摩擦副早期磨损有一定抵御作用, 另外, 对细小颗粒还有支撑作用。磨损表面由这些细小渗碳体支撑, 能够有效地预防磨粒磨损产生; 强化层中奥氏体在磨损过程中, 最先磨损, 成为凹坑, 能够确保油膜连续性, 也预防了粘着磨损产生。奥氏体另一作用是作为软相, 可作为能量吸收单元。当吸收一定能量后, 转变为马氏体, 使应力得以释放, 阻止了裂纹形成与扩展。

(a) Upper zones (b) Bottom
图4　激光熔覆层SEM显微组织形貌
Fig.4　SEM micrographs of laser cladding

灰铸铁显微组织形貌观察表明, 显微组织为片状珠光体和石墨组成, 如图5示。摩擦副这种软、 硬相结合组织相同于滑动轴承合金组织特征, 硬质点比较抗磨便突出在基体上, 支撑所施加压力, 而凹坑能储存润滑油, 降低摩擦副之间摩擦系数, 降低活塞环与气缸套磨损。同时, 软基体含有抗冲击、 抗振动和很好磨合性[6]。所以, 球墨铸铁表面激光熔覆层和灰铸铁组成摩擦副, 因为表面形成凸凹结构, 能够保护油膜连续性和完整性, 伴随磨损时间增加, 摩擦系数逐步降低, 表现出良好配副性和优异磨损性能。

图5　灰铸铁SEM显微组织形貌
Fig.5　SEM microstructure of grey cast iron
5　结　论
　　对模拟条件下激光熔覆层和灰铸铁配副磨痕采取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, 表现出了良好耐磨性和配副性, 配副双方磨损都大幅度降低。磨损机制为微切削。在磨损过程中, 摩擦系数随磨损时间增加, 呈逐步下降趋势, 摩擦系数在0.065~0.078内改变, 摩擦力伴随降低, 这种改变规律对激光表面熔覆处理在内燃机关键摩擦副强化应用领域提供了关键技术支持。

参考文件:
[1] 王悔改,宋延沛,等.原位自生Ti2AlC / Ti-40Al复合材料高温氧化行为[J].热加工工艺,,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, , (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研究[J].热加工工艺, , 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, , 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颗粒增强耐磨涂层研究 [J].材料热处理学报, , 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, :215-216.

作者介绍: 刘安民（1963, 3——）, 男, 湖南衡阳人, 汉族, 博士, 教授, 关键从事机械制造技术教学和科研工作, 已发表论文12篇。Tel: , E-mail: （1）（2）（通讯作者）通信地址: 湖南省衡阳市珠晖区衡花路18号湖南工学院机械工程系 421002

基金 项目 :
1、 “优异制造技术”产学研合作示范基地资助项目, 湖南省教育厅湘财教指[]70号。
2、 湖南省一般高校科技结果培育转化资助项目, 湖南省教育厅湘财教指[]