ＡＰＰｌ。ｌＥＤＬＡｓＥＲ

Ｖ０１．２８。Ｎｏ．６

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００８

激光熔覆ＷＣ／Ｎｉ基硬质合金组织结构及耐磨性能研究＊

杨胶溪，左铁钏，王喜兵，闫婷，刘华东

（北京工业大学激光工程研究院，北京１００１２４）

提要为了激光熔覆制造高速线材硬质合金辊环，在Ｃｒｌ２基体上制备ＷＣ—Ｎｉ基超硬复合材料。用ＴＲＵＭＰＦ６０００Ｃ０２激光设备，采用同步送粉的方式，进行超硬复合材料的激光熔覆制备，获得与基体冶金结合且无气孔和裂纹等缺陷的熔覆层。使用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、能谱仪（Ｅ１）Ｓ）、Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）对激光熔覆层进行组织、成分及物相表征。由研究结果可知，激光熔覆层组织主要是Ｔ－Ｎｉ、ＷＣ、ｗ。Ｃ、Ｎｉ。Ｂ，Ｃｒｌ３２等物相组成。激光熔覆ＷＣ－Ｎｉ基硬质合金为粉末冶金制备的硬质合金磨损性能的０．７６９倍。从与对磨偶件ＧＣｒｌ５圆环的摩擦系数来看，激光熔覆试样的摩擦系数与高质量粉末冶金硬质合金数值相当。

关键词激光熔覆；硬质合金，耐磨性能；辊环

ＴｈｅＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＷｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＷＣ／ＮｉＢａｓｅｄ

ＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅＦａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙＬａｓｅｒＣｌａｄｄｉｎｇ

ＹａｎｇＪｉａｏｘｉ，ＺｕｏＴｉｅｃｈｕａｎ，ＷａｎｇＸｉｂｉｎｇ，ＹａｎＴｉｎｇ，ＬｉｕＨｕａｄｏｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）

ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔＯｌａｓｅｒｃｌａｄｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗｉｒｅｒｏｌｌｃｏｌｌａｒｓ，ＷＣ／Ｎｉｂａｓｅｄｓｕｐｅｒｈａｒｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

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ＫｅｙｗｏｒｄｓＬａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ；ｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅ；ａｎｔｉ—ａｂｒａｓｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｒｏｌｌｃｏｌｌａｒ

１引言

众所周知，不同的摩擦副系统，其零件磨损的机理是不尽相同的。常见的磨损形式主要有粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损等［１］。激光熔覆涂层材料的研究一般都是针对某些具体的摩擦学系统，因此在进行熔覆合金材料的成分设计时，应根据系统会出现的主导磨损机理，初步估计熔覆层材料的性能，包括材料的粘着倾向、抗磨粒磨损能力和表面疲劳等。考察材料的耐磨性要综合考虑材料的硬度、韧性、互熔性、耐热性、耐蚀性等一系列性质。由于磨损机理不同，可能侧重于这些性质的某一方面或两个方面。

激光熔覆成型技术制造高速线材辊环是采用同步送粉的方法，在普通合金钢制造的辊环基体孔型所在部位熔覆性能优异且与基体结合性能好的硬质合金材料，是硬质合金辊环制造的一种特殊的断流程冶金方法［２］。材料韧性和强度的提高，增强了耐热疲劳、抗冲击、耐腐蚀的性能，有可能实现替代目前粉末烧结生产的硬质合金轧辊。对于高速线材的生产过程，辊环与线材之间主要是粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。因此，激光熔覆合金材料的选择、设计也必须遵照摩擦学设计的理论。

众所周知，高含量ＷＣ的硬质合金材料的激光熔覆成型的难度是相当大的，许多研究工作者在此

。基金项目：国家科技计划“９７３”项目（项目编号：２００６ＣＢ６０５２０６）收稿日期：２００８—０８—１７

－－——４５０－－——领域进行了大量研究‘３＾６］。本论文制备了更高含量的ＷＣ—Ｎｉ基超硬材料，并研究激光熔覆超硬复合材料与传统热等静压硬质合金组织结构的不同，旨在考察两者在作为高速线材硬质合金辊环材料时耐磨性能。

２试验材料及方法

激光熔覆基体材料为Ｃｒｌ２钢，激光熔覆材料为Ｎｉ基合金粉末４０％＋ＷＣ颗粒６０％，粉末粒度为一１４０～＋３２０目，其中Ｎｉ基合金粉末成分如表１所示。

表１Ｎｉ基合金粉末成分

Ｔａｂｌｅ１ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｉ—ｂａｓｅａｌｌｏｙｐｏｗｄｅｒ

使用Ｔｕｍｐｈｆ６０００ＣＯ：激光器进行激光熔覆，其光束经过焦距为２７０ｍｍ的积分镜整形，将圆形的激光束展宽后得到近似矩形的光束［７］。在激光熔覆过程中采用侧向同步送粉方式。

用ＬＥ０１４５０型扫描电境对熔覆样品进行形貌观察及其附件Ｘ一射线能量分散谱仪（ＥＤＳ）进行能谱分析。使用德国布卢克Ｄ８型Ｘ射线衍射仪进行物相分析。

在ＭＲＨ一３型高速环块磨损试验机上进行磨损试验。根据ＧＢｌ２４４４．２—９０进行磨损试样和磨损环的加工，实物如图１所示。在该摩擦副中，激光熔覆块形试样的一面为激光熔覆层，熔覆层厚度为３ｒａｍ，与激光熔覆试样对比材料为硬质合金和Ｃｒｌ２，圆环形对磨试样的材料为ＧＣｒｌ５。用Ａｄｖｅｎ—ｔｕｒｅｒＴＭ万分之一电子天平进行磨损样品失重的测量。

图１磨损试样

Ｆｉｇ．１Ｓａｍｐｌｅｓｆｏｒｗｅａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ３试验结果与讨论

３．１激光熔覆硬质舍金的微观组织

在大量研究的基础上［２疆］，选择优化的熔覆工艺参数：熔覆材料为镍基合金４０％＋ＷＣ６０％，送粉速率为２３．Ｏｇ／ｍｉｎ，采用焦距为２７０ｒａｍ的积分镜，离焦量选择为６０～７０ｍｍ。激光熔覆功率为４０００Ｗ，扫描线速度为０．４ｍ／ｍｉｎ。在激光单道熔覆样件上截取试样，经抛光后王水腐蚀，腐蚀时间为１０ｓ。

图２（ａ）是激光熔覆硬质合金材料的截面图，熔覆层无气孑Ｌ、裂纹等缺陷，熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合。因为ＷＣ与镍基合金密度差别较大的缘故，可看出ＷＣ颗粒有沉淀现象，造成熔覆层顶部ＷＣ颗粒的数量减少。由于工件在使用时表层需要加工，因此ＷＣ颗粒一定程度的沉淀对整体材料性能影响不是很大。由图２（ｂ）可以看出熔覆层中不规则白色块状ＷＣ弥散分布于合金层中。图２（ｃ）可以看到高倍放大的块状ＷＣ颗粒的形貌，可以看出即使高熔点的ＷＣ颗粒也出现溶解现象，颗粒边缘有小的树枝晶，ＷＣ颗粒与镍基合金有互熔和扩散，实现了良好的结合，在使用时不容易

脱落。

（ｒ）

图２激光宽带熔覆镍基合金＋ｗＣ的背散射电子ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｂａｅｋｓｃａｔｔｅｒｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｍａｇｅｏｆｌａｓｅｒ

ｗｉｄｅ－ｓｔｒｉｐｃｌａｄｄｉｎｇＷＣ／Ｎｉ—ｂａｓｅｄａｌｌｏｙ

图３是粉末冶金的硬质合金材料ＣＥ５１Ｒ的ＳＥＭ照片。由图可以看出ＷＣ的体积分数比较高，基本上是块状规则形态，ＷＣ颗粒与Ｃｏ粘结剂之间

Ｓｐｅｃｔｍｍ：ＹＪＸｌ。５Ｒａｎｇｅ：ｔＯｈＶ无互熔和扩散现象，不同于激光熔覆硬质合金材料中的ＷＣ形貌。

图３粉末冶金使质合金的组织形貌

Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ

ｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅ

图４熔覆层的能谱图

Ｆｉ９４ＥＤＳｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ

表２熔覆层中主要元素含量

Ｔａｂｌｅ２Ｍａｉｎｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｃｌａｄｌａｙｅｒ

ＳｉＫａＣｒＫａＦｅＫａＮｉＫａＷＬａ熔覆层——ｗｔ％Ａｔ％Ｗｔ％Ａｔ％Ｗｔ％Ａｔ％Ｗｔ％Ａｔ％Ｗｔ％Ａｔ％ＷＣ—Ｎｉ１．０８３．７０４．４０８．１４２．２５３．８７３２．２９５２．９１５９．９９３１．３９

—４５２一

对图２（ｂ）熔覆层进行平均成分的能谱分析，其能谱图如图４所示，具体数值见表２。由分析结果可知，熔覆层中的主要元素是ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ等。ｗ元素在熔覆层中的质量百分比为５９．９９％。

用Ｄ８型Ｘ射线衍射仪进行激光熔覆层的物相

分析，Ｘ射线衍射图谱如图５所示。由测试结果可

知，该涂层组织主要是由７一Ｎｉ、ＷＣ、Ｗ。Ｃ、Ｎｉ。Ｂ、ＣｒＢ：等相组成，Ｗ。Ｃ相的出现说明，ＷＣ发生了分解。同时在熔覆层中没有Ｎｉ：ｗ。Ｃ等合金碳化物的出现，说明ＷＣ没有被过度稀释。

３．２激光熔覆硬质合金的磨损性能

在钢铁行业，高速线材辊环的加工对象是各种不同规格的线材，其中也包括ＧＣｒｌ５轴承钢线材。ＧＣｒｌ５轴承钢线材是轧制难度较大的材料，本实验选择ＧＣｒｌ５轴承钢为对磨材料（８３０—８４５℃油淬＋１５０—１７０℃回火，硬度６１ＨＲＣ）。粉末冶金硬质合金材料选用卢森堡ＣＥ凡心他ＴＡＬ集团牌号为ＣＥＳｌＲ的材料（９０％ＷＣ，１０％Ｃｏ），为国外优质辊环材料。

磨损试验的条件是：试验力２００Ｎ，时间２０ｒａｉｎ（共４０００转），无润滑。得到的试验数据如表３所示。艿

也

ｇ

．量

一

图５镍基合金＋ｗＣ的Ｘ射线衍射图谱

Ｆｉｇ．５ＸＲＤｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＷＣ／Ｎｉ—ｂａｓｅａｌｌｏｙ

表３磨损试验数据

Ｔａｂｌｅ３．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗｅａｒｉｎｇｔｅｓｔ

由表３可以看出，Ｃｒｌ２试样的失重分别是硬质合金试样、激光熔覆试样的５７倍和４４倍。由此说明，激光熔覆的硬质合金材料具有较高的耐磨性能，与粉末冶金的硬质合金磨损性能相近，磨损性能为硬质合金的０．７６９倍。从与对磨偶件ＧＣｒｌ５环的摩擦系数来看，激光熔覆试样的摩擦系数与粉末冶金硬质合金相差不大。

以上三种材料及其对磨环的磨损状况如图６所示。

由图６可看出，在没有润滑情况下的磨损，其磨损类型基本属于粘着磨损，在试样表面有“撕裂”的痕迹和滑痕。４结论

激光熔覆可以获得熔覆层无气孔、裂纹等缺陷的硬质合金材料，熔覆层与基体之间为良好的冶金结合。高含量的ＷＣ相由于密度较大的缘故，出现了沉淀现象。高熔点的ＷＣ颗粒有溶解现象，颗粒边缘有小的树枝晶，与基体之间互熔。

激光熔覆的硬质合金材料具有较高的耐磨性能，与粉末冶金的硬质合金磨损性能相近，磨损性能为硬质合金的０．７６９倍。从与对磨偶件ＧＣｒｌ５环的摩擦系数来看，激光熔覆试样的摩擦系数与高质量粉末冶金硬质合金数值相当。

・－——４５３・－——

（ａ）（ｂ）（ｃ）

图６磨损试样及其对磨偶件的形貌（ａ）硬质合金（ｂ）激光熔覆层（ｃ）Ｃｒｌ２钢

Ｆｉｇ．６ｔｈｅｐｈｏｔｏｏｆａｂｒａｓｉｏｎｓａｍｐｌｅａｎｄｉｔｓｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒ（ａ）ｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅ（ｂ）ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ（ｃ）Ｃｒｌ２

参考文献

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