激光熔覆Fe-Cr-Co-W合金系熔覆层硬质相的微观形貌与摩擦行为

王聪, 毛从强, 王冬春, 贾丽荣, 栾程群, 隋江雷

(1.中车工业研究院(青岛)有限公司，山东 青岛 266000；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000;3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，国家工程实验室，山东 青岛 266000)

0 前言

在轨道车辆的使用过程中，大部分的破损发生在工件的表面部分，特别是在恶劣的工作环境中，如强摩擦、高温高压等，关键零部件的磨损失效尤其严重。激光熔覆技术具备解决金属材料零部件修复的独特优势[1-5]。通过激光熔覆技术可以在工件表面得到与基体组织冶金结合的涂层[6-7]，与基体结合牢固，熔覆层有很强的耐磨性[8-12]，在工件表面起到保护的作用，提升了工件的使用性能,在轨道交通制造领域应用广阔。

碳化物-金属基复合材料对所有类型的磨损都有较高的磨损抗力，这是因为硬质颗粒镶嵌在韧性的基体之中，在摩擦中起到支撑的作用，从而减少了组织的磨损[13-16]。采用激光熔覆工艺将不同含量的Fe-Cr-Co-W系合金粉末熔覆在Q235钢表面，获得高性能且与基体组织结合牢固的熔覆层，观察分析了熔覆层的微观组织，并对基体、熔覆层和金属摩擦材料组成的摩擦副的摩擦性能进行了研究。

1 试验方法

试验基材为100 mm×60 mm×6 mm的Q235钢板，表面熔覆用粉末为不同含量的Fe-Cr-Co-W系合金粉末，成分见表1。采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在Q235表面，工艺参数为：发射功率3.0 kW，激光光斑直径5 mm，扫描速度650 mm/min，单道熔覆，工作气体选用氩气，送粉气压为280 MPa，保护气压为700～800 MPa。

表1 不同含量Fe-Cr-Co-W系合金粉末化学成分(质量分数，%)

获得激光熔覆层后切割成标准试件，用扫描电镜观察熔覆层的物相，并通过X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析。通过显微硬度仪测量熔覆层硬质相的硬度值，载荷9.807 N，持续加载10 s。在M-200磨损试验机上采用环-块式滑动摩擦，在干摩擦的条件下，首先将标准试样用酒精清洗干净，并干燥后称量，对磨的钢环为高耐磨的GCr15，法向载荷20 N，对磨时间为40 min，通过计算试验后清洗、干燥的试样磨损失重量评价熔覆层的相对耐磨性，通过计算试验过程的摩擦系数评价硬质相的减磨作用，利用扫描电镜观察磨损后的表面形貌，分析熔覆层耐磨机理。

2 结果及分析

2.1 熔覆层的组织及显微硬度

对不同含量的Fe-Cr-Co-W系熔覆涂层进行光学显微镜分析，如图1所示，在1号试样表面主要分布着胞状晶，如图1a所示，随着Co和W元素的加入，并溶入基体铁基合金，使得晶粒的生长方向的过冷度发生改变，形成成分过冷，金相组织由胞状晶开始生长为树枝晶，并且随着WC含量的增加，树枝晶组织更加明显。2号和3号试样的主要晶相组织为树枝晶，如图1b，1c所示，4号试样由于W元素和Co元素在铁基中有限固溶，高温下在共晶点附近液相组织中开始析出MxC硬质相，晶粒的周围开始出现共晶组织，如图1d所示。5号～7号试样表面则主要分布着叶脉状的硬质相，由4号试样表面的初生共晶相生长而来，如图1e，1f,1g所示。

图1 不同含量的Fe-Cr-Co-W系熔覆涂层金相组织形貌

图2为6号试样Fe-Cr-Co-W系合金熔覆层低倍下(图2a)和高倍下(图2b)的扫描电镜照片，从图2a中可以看出，熔覆层表面组织均匀，无缩孔、裂纹等缺陷，灰色的γ-Fe基体上均匀的分布着叶脉状共晶相，在图2b中可以看出，叶脉状共晶相的清晰组织，叶脉规则完整，在王水的腐蚀下保留着完整的形貌，有良好的耐蚀性。

图2 激光熔覆Fe-Cr-Co-W系合金熔覆层扫描电镜照片

图3为6号试样熔覆层表面X射线衍射分析结果，表明熔覆层表面主要由γ-Fe,(Fe,Cr)7C3,Co3W3C和Fe6W6C相组成，图4为扫描电镜能谱分析结果，W和Fe元素处于互补的位置，且在叶脉状共晶相处Fe元素含量极少，Cr和Fe元素则是在相同的区域，可以确定叶脉状共晶相为Co3W3C，而基体为γ-Fe和固溶于其中的(Fe,Cr)7C3相。用显微硬度仪测得熔覆层的平均硬度值为888 HV，叶脉状硬质相最高硬度值达到1 097 HV，而基体Q235钢硬度值只有150 HV，大大提升了熔覆层的表面硬度，提升了零部件的使用性能。

图3 熔覆层X射线衍射分析结果

图4 叶脉状硬质相能谱分析结果

2.2 熔覆层耐磨性分析

图5为激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系合金涂层在M-200磨损试验机上40 min的磨损量，在磨损中未出现任何熔覆层脱落现象，熔覆层与Q235基体冶金结合牢固。图5可以看出，Fe-Cr系合金熔覆层1号试样在相同的摩擦条件和摩擦时间下的磨损量最大，达到0.199 6 g，且高于加入W与Co元素的磨损量，这说明W和Co元素的加入改善了铁基熔覆层的耐磨性。随着W和Co元素含量的增加，磨损量呈现减小的趋势，而6号试样磨损量最小。结合熔覆层金相组织分析可得，1号试样即纯Fe-Cr系合金熔覆层中，主要的金相组织为规则的胞状晶，耐磨性最差，随着W和Co元素含量的增加，熔覆层的耐磨性得到显著的提升。到达5号试样即熔覆层的主要晶相变为叶脉状硬质相时，磨损量又有一个较大的降低，磨损量最低的6号Fe-Cr-Co-W系合金涂层的磨损量仅为0.003 2 g，相当磨损量为Fe-Cr系合金涂层的1/60。可以看出，随着W和Co元素的加入，使得Fe-Cr-Co-W系合金涂层熔覆层的耐磨性得到了极大程度的提升。

图5 激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系合金涂层磨损量

图6为磨损试验中不同含量Fe-Cr-Co-W系合金熔覆层表面摩擦系数稳定后的平均值变化规律，可以看出随着W和Co元素含量的增加，摩擦系数有减小的趋势，且每个试样在摩擦试验的开始阶段，摩擦系数均处于动态的变化过程。在摩擦开始时，熔覆层表面与GCr15接触，硬质相和基体同时参与摩擦，摩擦系数较高，且变化较大，随着试验的进行，熔覆层的摩擦系数开始趋于稳定。6号试样平均摩擦系数达到了最低值0.354，1号试样纯Fe-Cr合金熔覆层摩擦系数在0.495达到稳定。W和Co元素含量高的试样强化相为叶脉状的Co3W3C，在磨损试验中，接触面处的软质基体率先被磨损，叶脉状的硬质相逐渐浮凸于接触面，起到摩擦的骨架作用，与GCr15对磨，两种硬度很高的材料相摩擦，磨损类型由开始的黏着磨损转化为磨粒磨损，摩擦系数有一定程度的降低，叶脉状硬质相Co3W3C起到了减磨的作用，且对熔覆层的表面有一定的自润滑作用，使得熔覆层的摩擦系数降低且稳定。

图6 激光熔覆不同含量Fe-Cr-Co-W系熔覆层摩擦系数

图7为Fe-Cr-Co-W系合金涂层摩擦后的表面形貌，图7a，7b为1号试样磨损形貌，摩擦面有明显的大面积剥落，为典型的黏着磨损，磨损量和摩擦系数均为最高。图7c，7d为4号试样磨损形貌，在晶相分析中看到，从4号试样开始出现叶脉状硬质相的初生相，在磨损试验中，表面形貌为磨粒磨损，在图7d中可以看出，只有少量的叶脉状硬质相的初生相存在于摩擦面，由于硬质相未完全形成，会有少部分的磨损，首先摩擦下来的硬质相颗粒夹杂于GCr15摩擦环与试样表面，形成三体摩擦，磨痕十分明显。图7e，7f为5号试样磨损形貌，从图7e可以看出，磨损面磨痕明显减少，在图7f中可以清晰的看到已经成形的叶脉状硬质相，形貌比较完整，但是数量比较少，在磨损中，叶脉状硬质相生长完全，不易被磨损，所以磨损掉的硬质颗粒减少，磨损面磨痕减少。叶脉状硬质相在磨损中起到一定的骨架作用，降低了试样的磨损量和摩擦系数。

图7g，7h为6号试样磨损形貌，图7g与图7e对比明显的看出，6号摩擦样表面的磨痕已经很难被观察到，Co3W3C大范围均匀的分布于摩擦面的表层，在磨损试验后形貌完整，没有断裂和脱落，大面积的 Co3W3C硬质相浮凸于摩擦面上，分布均匀且镶嵌牢固，在磨损试验中，起到骨架的作用，与GCr15摩擦副直接接触摩擦，从而减少了硬质相周围的基体组织的磨损，起到减磨的作用。硬质相和GCr15对磨降低了摩擦系数，从而降低了磨损中的剪切应力，从而减少了摩擦应力，降低了试样的磨损量，提升了耐磨性，使试样的磨损量和摩擦系数都达到了最低值。

图7 Fe-Cr-Co-W系合金涂层磨损形貌

图8为7号试样的磨损形貌，由1号～6号试样的磨损试验结果证明，随着W和Co元素含量的增加，试样的磨损量和摩擦系数都会降低，但是7号试样磨损量和摩擦系数都有一定程度的提升。在磨损形貌中，几乎看不到磨痕，因为叶脉状硬质相范围的分布使得磨损成为硬质相与GCr15的对磨。但是在图8中可以看到叶脉状硬质相上有裂纹存在，使得本身完整的硬质相被分为两半，有的甚至在叶骨处发生断裂，在磨损试验中降低了叶脉状硬质相的支撑作用，从而使得7号试样的摩擦系数和磨损量都有了一定程度的提升，性能较6号试样有一定程度的降低。

图8 7号试样磨损形貌

3 结论

(1)1号试样主要金相组织为胞状晶，随着W和Co元素含量的增加，改变了晶粒生长方向的过冷度，形成成分过冷，金相组织开始成长为树枝晶。4号试样出现叶脉状硬质相Co3W3C的初生相，进一步增加W和Co元素含量，试样组织以叶脉状硬质相Co3W3C为主。

(2)6号试样磨损量和摩擦系数均达到最低，性能最优，在磨损试验中叶脉状硬质相起到骨架的作用，与GCr15摩擦副对磨，降低基体组织的磨损量，两种高硬度相相摩擦，降低了摩擦系数，提升了试样的耐磨性。

(3)随着W和Co元素含量的提升，磨损类型由1号试样的黏着磨损转变为磨粒磨损，在叶脉状硬质相未完全形成时，硬质相初生相易磨损，与摩擦副形成三体磨损，摩擦面磨痕明显。硬质相生长完全时，与GCr15摩擦副直接对磨，试样表面磨痕很少。W和Co含量过高会引起叶脉状硬质相的脆断，对熔覆层的耐磨性又有一定程度的降低。