MgO对铁基激光熔覆层耐磨性能的影响

宁 爽

(威海职业学院，山东威海264200)

激光熔覆是改善金属表面性能的有效手段之一，近年来得到了快速发展［1-2］。铁基金属材料在船舶、汽车等工业生产有着广泛的应用。铁基金属材料采用铁基熔覆合金不仅因涂层与基体成分相近，界面结合牢固，而且可降低成本，减少昂贵的镍基和钴基合金的使用，使利用激光熔覆技术获得铁基耐磨熔覆层成为了激光熔覆的重要研究课题［3-5］。由于MgO 光热转换效率高、比重轻、化学性能稳定，在激光熔覆层中主要用作热障涂层中的热稳定剂，但用于改善激光熔覆层组织和性能的研究则很少。MgO 作为常用的陶瓷化合物熔点高，硬度高，相对延性好，热膨胀系数小，有金属熔体良好的润湿性以及显著的金属特性，在改善涂层耐磨性方面显示出巨大的优势［6-7］。我们预期，在铁基激光熔覆层中引入MgO 将可能显著改善合金表面的抗磨性能和硬度，从而扩大其在工业中的应用。

研究MgO 颗粒的溶解机制及其对基体组织的影响，对优化熔覆工艺、改善涂层质量具有重要意义。长期以来，人们对于激光熔覆Ni 基/Co 基进行了大量的研究工作［8-11］，但MgO 对铁基激光熔覆层性能影响的研究报道不多，对其凝固过程及其组织特征的研究较少。该文介绍在铁基合金中加入不同含量的MgO，采用激光熔覆方法获得铁基合金激光熔覆层，研究了MgO 对熔覆层显微组织、硬度及耐磨性能的影响，并探讨了其强化机理。

1 试验方法

实验采用GLS-6 型激光器与ISO -Ⅲ型送粉器进行同步送粉式激光单道多层熔覆。其工艺参数为:功率1.2kW ～1.4kW，光斑直径5mm，扫描速度1.5mm/s ～2mm/s;保护气为氮气。试验基材为45 钢，基板尺寸为120mm ×30mm ×15mm，表面磨平与清洗后，经100℃预热20min。实验所用铁基粉末(F313)和MgO 粉末的化学成分和颗粒尺寸见表1。MgO 粉末的加入量(质量分数，%)分别为:0、0.2、0.4、0.8、1.2。MgO 和铁基粉末经混料机混合均匀，再经干燥处理待用。

表1 熔覆材料的化学成分和颗粒尺寸Table 1 Chemical composition(mass fraction，%)and particle size of the cladding

熔覆层沿横截面切开制成金相试样，精磨抛光，用含有少量FeCl3的盐酸水溶液(FeCl3:5g;HCl:50mL;H2O:100mL)进行腐蚀。在JXA -8800R 型扫描电镜下观察熔覆层金相形貌。熔覆层的显微硬度用HVS-1000 型显微硬度计进行测定，载荷为200g，加载时间15s，测量三次取平均值。使用MM200 磨损试验机对熔覆层进行磨损试验。实验摩擦工况为干磨滑动摩擦，标准磨轮尺寸为Φ40 ×10mm，材料为W18Cr4V(高速钢)，磨轮硬度为HRC62，载荷为29.4N，磨轮转速为200r/min。对不同熔覆层进行对比性磨损试验，每隔5min 测一次磨痕宽度，实验时间为20min。

2 结果与分析

2.1 MgO 对铁基激光熔覆层显微组织的影响

图1 表示随着MgO 含量的增加，熔覆层显微组织形态的演变。由图1e(箭头方向为凝固方向)可以看出，熔覆层组织呈现出垂直结合界面逆着热扩散方向生长的特点，具有典型的定向快速凝固特征。从图中可以看出F313 合金激光熔覆层包含具有明显方向性的枝晶。熔覆层底部的枝晶呈现出明显的外延生长特征，因受结晶参数变化及非均匀形核的影响，在熔覆层表面区还出现了大量的沿自由表面生长的树枝晶。

由图1b ～图1d 看出，未加入MgO 的熔覆层显微组织主要为较粗大的枝状物和晶间共晶，其间离散分布一些大块的块状物。这些大量的枝状物和块状物是铁基粉末熔化后，在快速冷却过程中析出的硼化物或碳化物［12-13］。而对于加入MgO 的熔覆层，显微组织得到细化，且细化程度和MgO 含量有关。随着MgO 含量的增加，熔覆层的显微组织中，枝状物和块状物基本消失，分布有较多较长的丝状物，组织明显细化。并未有裂纹出现。这说明:加入适量的MgO 对铁基激光熔覆层有较好的晶粒细化效果，能够大大减少熔覆层的裂纹，降低熔覆层的裂纹敏感性。在激光熔覆过程中，合金粉末中少量的MgO 基本上熔解，分解出的Mg2+聚集在晶界上，对晶界起到钉扎作用，阻止了晶粒的生长并抑制晶界的迁移;同时，Mg2+及Mg2+同其它元素生成的化合物会增加局部过冷，从而使晶臂产生颈缩、断裂;而且，Mg2+与B、Cr 等元素形成的化合物成为新的晶核，增大了形核率［14］。上述因素的共同作用，使得熔覆层组织中的胞状树枝晶、粗大的枝状物、放射状物和块状物基本消失，呈现为非常细小的硬质相均匀地分布在合金层中，γ 和γ′韧性相增加，金相组织明显细化，所以熔覆层韧性变好，裂纹大大减少。

另外，在熔覆过程中发现，加入MgO 后，熔覆层表面光亮整洁，渣滓较少，这说明MgO 对熔覆层的表面质量有一定的影响。

图1 激光熔覆层的微观形貌Fig.1 SEM micrographs of cladding coatings with different contents of MgO［(e)is the low-magnified images of (a)］

2.2 熔覆层硬度分析

图2 为从熔覆层表面到基体顶部的硬度曲线。由图中可以看出，无论是添加MgO，还是未添加MgO，其硬度最大值并不出现在表面，而是在距表面1mm ～2mm 处。这主要是因为熔覆层外表面与空气接触，冷却速度较快，率先发生凝固，阻碍了由熔池底部向熔池表面方向凝固过程中产生的夹杂和气泡的顺利排除，使其聚集在该部位，使得这部分的夹杂和空隙率较高，出现了硬度的低谷［15］。另外，在熔覆层与基体过度的区域，硬度值则出现较大程度的下降。分析原因主要是过渡区域距离熔池较远，升温有限，再加上冷却速度较慢，易形成回火组织，因此硬度出现较大程度的下降。MgO 添加量为0.4%时，熔覆层硬度较未添加MgO 时有所提高，并且硬度分布最为均匀。这主要是因为加入MgO 使涂层组织中韧性相增加，粗大的针状脆性相消失，组织整体得到均匀细化。当MgO 加入量0.8%时，激光熔覆层的硬度明显下降，这是由于MgO 含量的增加，镁与硼、铬形成化合物，导致CrB硬质相的减少。

图2 熔覆层横截面硬度分布Fig.2 Microhardness of the cladding layer

2.3 熔覆层磨损性能的研究

由图3 可以看出，MgO 的加入可以改善熔覆层的摩擦性能，提高耐磨性。在相同的时间下，加入MgO 的熔覆层的磨痕宽度明显比未加MgO 的熔覆层的窄，其中MgO 加入量为0.4%时，在相同时间内，磨痕宽度最窄。图4 磨损表面形貌，也可以说明这一点。未加MgO 熔覆层的表面出现较大的剥落坑，而加MgO 熔覆层的表面无剥落坑出现，显得平坦。图4 -b 所示图像的磨损表面形貌最为平坦。这是由于未加MgO 的熔覆层中有大块状硬质相存在(图1)，在较高应力的长时间作用下，块状硬质相碎裂剥落，因而磨损抗力降低;加MgO 后，使熔覆层组织细化，细小的硬质相弥散分布在γ 和γ′韧性相中，不易脱落，很好地起着均匀载荷和减摩抗磨作用，故摩擦系数变化很小，耐磨性得到提高。另外，硬度也是耐磨性的影响因素之一。硬度大，耐磨性也随之提高。由于硬度和润湿性的综合作用，使之加入MgO 含量为0.4% 的激光熔覆层的耐磨性最好。

图3 磨损宽度与时间的曲线图Fig.3 The curve of frictional width to time

图4 不同MgO 含量的磨损表面形貌Fig.4 Wear pattern of the cladding layers with different MgO content

加入适量的MgO 可以改善铁基熔覆层的宏观质量，使熔覆层不出现裂纹，明显细化熔覆层的显微组织，使熔覆层的硬度分布均匀，同时改善熔覆层的耐磨性能。归因于MgO 对晶界迁移的阻碍和对晶粒的均匀细化作用。在该文所述实验条件下，MgO 加入量0.4%时，效果最好。

3 结论

(1)加入适量的MgO 可以改善铁基熔覆层的宏观质量，使熔覆层不出现裂纹，明显细化熔覆层的显微组织，使熔覆层硬度分布均匀，同时改善熔覆层的耐磨性能。

(2)在该实验条件下，MgO 加入量为0.4%时，熔覆层硬度分布最均匀，耐磨性能最好。

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