（材料加工工程专业论文）轧辊、辊压机及模具钢的表面激光熔覆研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近几十年来，随着科学技术的的飞速发展，人们对材料在高温、高速、高度自动化和 恶劣工况下长期稳定运转的性能，尤其是材料的表面性能，如耐磨、耐蚀、耐热、强度及 硬度等性能的要求不断提高，使得传统的材料表面改性技术及手段已经无法满足需要。与 此同时，人们也希望通过对材料表面进行改性，以达到用普通材料代替昂贵材料的目的。 在这种情况下，本文采用新兴的激光熔覆技术对表面性能要求高的轧辊、辊压机、模具钢 进行激光熔覆处理。 本文主要是通过激光熔覆技术，在高铬铸铁轧辊、辊压机和模具钢表面涂覆合金粉末 通过不同的参数，比较涂覆后材料的表面性能的优劣，以找到最佳的参数来改善涂层的表 面性能。对高铬铸铁轧辊，我们采用了不同的扫描速度，分别为3 3 m m s ，2 5 m m s 和 1 6 m m s 这三种扫描速度，研究了扫描速率对涂层的组织性能的影响。对于辊压机，我们 对三组试样分别采用激光功率1 5 0 0 w ，单道搭接；1 5 0 0 w ，双道搭接；2 0 0 0 w ，单道搭 接。研究功率跟搭接量对涂层表面性能的r 影响。对于模具钢，我们对7 1 8 h 、h 1 3 和n a k 8 0 三个钢种的模具钢进行了激光熔覆，研究了涂层的性能。在研究过程中，使用了金相、扫 描电镜对涂层的组织进行分析，用显微硬度测试仪器对材料的硬度进行测试，再进行磨损 分析。 通过上述实验研究，对于高铬铸铁轧辊在扫描速度为2 5 m m s 时性能最优，没有明显 缺陷；对于辊压机使用n i c r + c r 3 c 2 粉末能够明显改善辊压机表面性能，扫描速率为2 0 0 0 w 时，涂层的缺陷增多；对于模具钢7 1 8 h 、h 1 3 和n a k 8 0 ，我们分别使用c o m o c r 粉末、 n i c r b s i + 碳化钨粉末和镍基合金粉末+ 碳化钨粉末。这些粉末材料能够提高模具钢的表面 性能。 关键词：激光熔覆；涂层；表面改性；熔池；界面 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，、) ，i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p e o p l e si n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so nt h ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l sw h i c hc a nb el o n gt e r ms t a b l eo p e r a t i o nu n d e rt h e h i g ht e m p e r a t u r e ，h i 曲s p e e d ，h i g h l ya u t o m a t e da n dp o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yt h e s u r f a c ep r o p e r t i e ss u c ha st h ea b r a s i o n ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h e a t r e s i s t a n c e ，s t r e n g t h a n dh a r d n e s s ，w h i c hh a sm a d et h et e c h n o l o g ya n dm e a n so fs u r f a c em o d i f i c a t i o no nt r a d i t i o n a lm a t e r i a lu n a - b l et om e e tt h en e e d s a tt h es a l t l et i m e ，p e o p l ea l s oh o p et h a tb ym o d i f y i n gt h em a t e r i a ls u r f a c e0a c h i e v et h ep u r p o s eo fo r d i n a r ym a t e r i a li n s t e a do fe x p e n s i v em a t e r i a l i nt h i sc a s e ，t h i s p a p e ra d o p t st h ee m e r g i n gl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yt od e a lw i t hr o l l ，r o l l e rp r e s sa n d t h es t e e l 、析t hd e m a n d i n gs u r f a c ep r o p e r t y t h ep a p e ri sm a i n l yb yl a s e rc l a d d i n g ，c o a t i n ga l l o yp o w d e ro nt h es u r f a c e so fh i g h - - c h r o m i m nc a s ti r o nr o l l ，r o l l e rp r e s sa n dt h es t e e la n dc o m p a r i n gt h es u r f a c ep r o p e r t yo ft h ec o a t i n gt o f i n dt h eb e s tp a r a m e t e r st oi m p r o v ei tt h r o u g hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t oh i g h c h r o m i u mc a s ti r o n r o l l ，w ea d o p td i f f e r e n ts c a n n i n gs p e e d st oh a v es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo nt h er a t e st o w a r d st i s s - u ep r o p e r t yo ft h ec o a t i n g ，r e s p e c t i v e l ya r e3 3 m m s ，2 5 m m s ，1 6 m m s t or o l l e rp r e s sw es e p a - r a t e l ya d o p t sh el a s e rp o w e r15 0 0 w ，s i n g l ec h a n n e ll a p ；15 0 0 w ，d o u b l ec h a n n e ll a p ；2 0 0 0 w ，s i n g l ec h a n n e ll a pf o rt h r e eg r o u p so fs a m p l e st oh a v es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo f t h ep o w e ra n dl a p m o u n to nt h ec o a t i n gs u r f a c ep r o p e r t y a n dt ot h es t e e lw ea d o p tl a s e rc l a d d i n go nt h r e ek i n d s o f s t e e l7 1 8 h ，h 1 3a n dn a k 8 0t oh a v es t u d i e dt h es u r f a c ep r o p e r t yo f c o a t i n g d u r i n gt h ep r o c - e s so fs t u d y ，w eu t i l z em e t a l l o g r a p h i c a la n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p et oa n a l y z et h et i s s u e o ft h ec o a t i n g ，m i c r oh a r d n e s st e s t i n gi n s r t u m e n tt ot e s tt h eh a r d n e s so f m a t e r i a l ，t h e na n a l y z e t h e ：a b r a s i o n 1 h a r o u g ht h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，f o rh i g h - c h r o m i u m c a s ti r o nr o l l ，i t sp r o p e r t yi s t h e ；b e s tw h e nt h es c a n n i n gr a t ei s2 5 r n m sa n dt h e r ei sn oo b v i o u sf l a w s ；t ot h er o l l e rp r e s s w h e nu s i n gt h ep o w d e rn i c r + c r 3c 2c a no b v i o u s l yi m p r o v ei t ss u r f a c ep r o p e r t y ，a n dw h e nt h e s c a n n i n gr a t ei s2 0 0 0 w ，t h ef l a w si nc o a t i n gi n c r e a s e s ；a sf o rt h es t e e l7 18 h ，h13a n dn a k 8 0 ， w e ：s e p a r a t e l yu s ec o m o c rp o w d e r ，n i c r b s i + t u n g s t e nc a r b i d ep o w d e ra n dn i c k e l - b a s e da l l o y p o w d e r + t u n g s t e nc a r b i d ep o w d e r ，t h e s ep o w d e r sh e l pt oi m p r o v ei t ss u r f a c ep r o p e r t y k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；c o a t i n g ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；w e l dc r a t e r ；i n t e r f a c e 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 i i概述 轧辊是冶金行业重要的轧制工具，轧辊质量的好坏关系到产品的产量和质量。但是在 轧制过程中，轧辊的表面时最容易损坏的部位，严重制约了冶金行业的发展。辊压机是水 泥行业产生不可或缺的部件，在生产过程中，辊压机的辊面容易被磨损。模具材料是模具 工业的基础，随着模具行业的发展，对模具材料的表面质量要求也越来越高。激光熔覆是 近2 0 年来新兴的表面处理技术，将激光熔覆技术应用于轧辊、辊压机和模具钢的表面处 理，能够改善它们的表面质量，有着广泛的应用前景。下面分别对轧辊、辊压机和模具钢 以及激光熔覆技术进行介绍。 1 2 轧辊 1 2 1 轧辊概述 轧辊是实现轧制过程中金属形变的直接工具，其质量和使用寿命关系到冶金行业的生 产效率、产品质量及生产成本等。同时轧辊也是冶金企业的重要消耗部件之一，在轧钢生 产成本中所占比例非常高。目前我国有3 0 0 多家轧辊制造企业，但能够进入大钢铁公司市 场，为现代化连轧机提供产品服务的却很少，新建的现代化连轧机所需的配套轧辊处于短 缺状态。因此，降低辊耗提高轧钢过钢量是生产中面临的一个很重要的问题。 g l 锘, j 生产对轧辊的基本要求包括工艺、寿命要求。对轧辊的工艺要求是轧辊具有合理 的结构、尺寸、材质，以保证获得要求的轧件尺寸、表面质量及产量。对轧辊的寿命要求 是确保轧辊不致过早或不正常破坏、失效。要求轧辊具有强韧性、耐热性、耐磨性及耐剥 落性等，其材质特性值则以材料的机械性能和硬度为主【l 】。 1 2 2 轧辊的主要失效形式 由于自身材质和所处工作条件，轧辊经常失效甚至报废【2 。3 】。轧辊的损坏主要是在表 面，轧辊表面的耐磨性、耐高温、强度以及硬度是衡量轧辊使用寿命的重要指标，轧辊的 损耗主要来自于表面。对于冷轧辊来说，轧制过程中负荷比较高，容易出现磨损。热轧辊 g l 伟 j 过程中，轧辊表面受冷却水和高温轧件的相互作用。变形时辊缝中又存在着大量的氧 化铁皮，因此热轧辊主要受到腐蚀磨损和磨粒磨损的影响。冷轧辊在轧制时要承受相当大 的轧制应力，还有轧件的夹杂、边裂等问题的影响，容易产生瞬时高温，使冷轧辊受到强 烈热冲击造成划伤、裂纹、粘辊、剥落甚至报废【4 。5 】。根据轧机及轧制位置的不同，热轧 辊一般可分为【6 j ：初轧辊、型钢轧辊、钢坯连轧辊、线材轧辊、中厚板轧辊、带钢热轧辊 等。热轧辊一般是在很高的温度下工作，轧辊在工作时还要承受很大的冲击力，在冷热相 互作用下容易产生冷热疲劳裂纹，它的破坏形式【_ 7 。8 】主要有：表面裂纹、磨损、剥落、粘 辊、掉渣、辊颈扭断等问题，其中大部分轧辊以磨损失效为主，裂纹和剥落也会加剧磨损 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 失效的发生。由此可知，轧辊失效的主要原因是表面破坏，为了提高轧辊的表面质量和使 用寿命，对轧辊表面进行修复和强化具有重要的意义。 1 3 辊压机 1 3 1 辊压机概述 辊压机，又名挤压机、辊压磨，是上世纪8 0 年代中期发展起来的新型水泥节能粉磨设 备，具有替代能耗高、效率低球磨机预粉磨系统，并且降低钢材消耗及噪音的功能，可用 于新厂建设，也可用于老厂的技术改造。辊压机主要是由两个辊子、液压系统、轴承等部 件组成。辊压机应用于水泥生产过程可节电3 0 5 0 ，并可以显著的提高后续磨机生产 效率。“2 0 0 9 中国水泥工业粉磨技术高峰论坛”上，与会专家一致认为：辊压机代替球磨机 是立磨装备发展的必然趋势，水泥行业必将迎来“无球化时代”。主要是因为辊压机有如下 几个方面的有点：( 1 ) 能耗低在磨粉系统中安装辊压机设备，根据流程形式等一些条件 的不同，它比传统工艺要节能2 5 3 0 ；( 2 ) 效率高传统粉磨系统经过辊压机改造以后，可 以提高产量2 0 5 0 ，有的甚至达到一倍以上；( 3 ) 辊压机设备体积小，重量轻，结构紧 凑，便于进行系统改造；( 4 ) 与其他粉磨设备比较，辊压机噪音小，改善了工作环境。辊 压机自2 0 世纪9 0 年代从国外引进以后，已经广泛的应用于熟料的粉磨、水泥生料，在石 灰石、铁矿石、石膏等的粉磨中也得到了应用，它成为水泥生产的关键粉磨设备。随着能 源的不断紧张，广大水泥企业越来越意识到节能降耗的重要性，也越来越重视提高各种易 磨损部件的寿命，重视对这些部件的修复工作。对于水泥行业来讲，激光熔覆术是一个朝 阳产业，有着不可估量的前景，意义非常重大。辊压机的使用寿命及安全可靠性成为水泥 企业关注的核心问题之一。 1 3 2 辊压机辊面的磨损机理及原因分析 辊压机与传统球磨机相比优点十分明显，但是辊压机也有其缺点，它最主要的缺点就 是辊面容易磨损，辊压机在安装使用后，连续工作半年时间，辊面的耐磨花纹就被磨损的 所：剩无几了，辊面磨损限制了辊压机优点的发挥，大大的降低了产量，增加了生产成本。 对辊压机表面磨损机理进行研究，对损坏的辊压机进行表面修复意义重大。辊压机的磨损 机理：物料在两辊面之间相互摩擦和挤压。物料在高压作用下，辊面的磨损属于典型的高应 力磨料磨损。在磨料磨损过程中，物料在压力的作用下使辊面产生弹、塑性变形，从而在 辊面亚表层处形成循环的拉应力和压应力。当循环应力超过了辊子材料的疲劳强度时，在 辊子表面层将会引发裂纹。在循环载荷作用下，亚表层的塑性变形会继续发展，在离开表 层一定深度的位置也将萌生裂纹，并且逐步扩展。当裂纹扩展后，裂纹以上的材料将会断 裂：剥落，出现疲劳磨损的情况。因此，辊压机的磨损机理是辊面的高应力磨料磨损与辊面 亚：表层疲劳磨损相互作用的结果。 产生这种现象的原因分析：辊压机的辊面在制造厂家堆焊时，其本身就存在堆焊缺 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 陷，有气孔、砂眼等；在运转时，因缓冲仓料位不稳定，不能在辊缝上方形成稳定的料床， 使辊压机产生了剧烈振动，运行失稳，导致辊压机辊面受损；入辊压机的熟料除铁处理 不干净，金属探测仪主板损坏、灵敏度差等原因，导致了金属异物进入辊压机；工作压力 高，使辊面在短时间内产生了较大弹、塑性变形，造成辊面产生裂纹，从而出现辊面剥落。 1 3 3 辊压机的修复 我国目前的辊压机要么全部进口，要么就是自己制造辊芯，堆焊设备、堆焊材料和堆 焊工艺全部都是采用德国洪堡的工艺。据估算2 0 0 8 年8 月2 6 日的报价，国内鹏飞集团生 产的辊压机的价格在9 0 2 0 0 万台之间。如果全部采用国外进口的辊压机，其价格将会更 加昂贵。一般认为，如果修复辊压机的成本低于更换新辊压机成本的6 0 ，则这种修复 是完全有意义的。在国外技术先进的发达国家，修复与再制造技术已经成为一个巨大的产 业。而我国在再制造上则刚刚兴起。在我国，即使修复与强化上述价格在9 0 - 2 0 0 万台之 间，其修复费用控制在2 0 4 4 万元台，仅一台辊压机就可以节约费用7 0 1 5 0 万台。而 实际可以修复的辊压机不止一次，可以多次修复，这样节约的成本就更多。我国辊压机的 数量大约是1 6 0 台，出口则不到1 0 台。按每年1 0 台套件修复量计，便可达9 0 0 2 0 0 0 万 元产值。修复成本仅占修复费用的2 0 3 0 ，修复与强化是经济效益高，潜在市场巨大的 高技术产业。为了延长辊压机的使用寿命，降低成本，提高效率，对于辊压机的表面磨损， 本文将通过激光熔覆技术对辊面进行修复t 9 1 。 1 4 模具钢 1 4 1 模具钢的性能 模具直接关系到产品的性能、质量、成本及生产率。但是，模具的使用寿命和质量与 制造模具的钢材及工艺有着密切的关系。因此，在评述模具钢的特性时，既要正确的考虑 其使用性能，还要考虑其工艺性能。n 模具钢在使用性能上主要考虑的因素有耐蚀性、红硬性、耐磨性、强度和硬度。此外， 对模具钢而言，还需要根据各种模具的工作条件，分别考虑高温强度、热疲劳、导热性及 耐腐蚀等性能。 在模具生产成本中，材料费用一般占1 0 2 0 ，而机械加工、热处理、装配和管理 费用占8 0 以上。所以模具的工艺性能是影响模具的生产成本和制造难易的主要因素之 一，模具钢的工艺性能主要有可加工性、淬透性和淬硬性、淬火温度和热处理变形、氧化 和脱碳敏感性。n 1 4 2 模具钢的表面处理工艺 模具材料是模具工业的基础，近些年来，我国的模具工业发展非常迅速，国民经济的 五大支柱产业一建筑、机械、汽车、电子和化工都要求模具的发展与其相适应。随着模具 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 成形加工技术不断的发展，对模具材料提出了越来越高的要求。而模具制造加工的产业化 和专门化又要求尽量的降低模具材料与其加工费用。表面工程技术是当前材料学科和工程 领域中发展比较迅速表现活跃的分支之一。表面强化技术是表面工程的核心内容，表面强 化技术是决定强化层的组织、成分、性能和结构的关键。将表面技术应用于模具领域，对 于节约成本，提高效率意义重大。激光熔覆技术作为表面处理的一种新兴工艺，在模具领 域的应用对于提高材料表面的使用性能值得期待。很多表面强化技术的应用范围也不是单 一的，常常是既能用于提高表面强度、硬度及防腐性能，又能用在维修机件和装饰，甚至 作为复合材料的预处理工艺。u 2 1 1 4 3 几种常用的模具钢 模具钢是模具工业最重要的技术与物质基础。近几年，随着模具工业的迅速发展，模 具钢发展也非常迅速。模具钢的范围非常广，这里就介绍几种跟论文有关的模具钢。 ( 1 ) 7 1 8 h 模具钢。7 1 8 h 模具钢是瑞典研制的p 2 0 钢改进型塑料模具钢，其大模块制 品凭借优良的综合性能在东南亚地区广泛应用1 1 3 1 。众所周知，硬度的提高有益于镜面加 工性和耐磨性的改善，7 18 h 钢的预硬硬度一般是3 6 - 4 2 h r c ，机械性能较差。它是在p 2 0 的基础上加入n i ，使其均匀性、淬透性和耐腐蚀性均优于p 2 0 ，公认的精密、大型、镜 面塑料的最优选材1 1 4 1 。 ( 2 ) h 1 3 模具钢。h 1 3 模具钢于国产的4 c r 5 m o s i v l 钢，它具有高的淬硬性和淬透性， 它是一种应用广泛的空冷硬化热作模具钢，主要用于注塑、锻压和压铸等在高温( 通常 ，国) ，绀分尉为图4 1 1 b 巾董，2 3 点的能谱 对3 号试样进行硬度测试( 如图4 。1 3 ) ，涂层的硬度在1 1 0 0 h v ，界面处的硬度在7 5 0 h v ， 而基材的硬度在5 5 0 h v ，在涂层中合金元素的熔覆提高了材料的硬度。3 号试样繇l ，2 号 试样比，涂层硬度是降低了，这是由于功率增大，出现了气孔、过烧等缺陷所致。 4 3 本章小结 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 鞭涂层顶端的鼯离幽m 圈4 。1 33 号试样的维氏硬度 3 个试样在不同的参数下进行试验，它们的冶金结合都十分好，都存在明显的除层、 结合区和基材。在辊压机表面涂覆n i c r + c r 3 c 2 粉末提高了材料的硬度和耐磨性能，改善 了材料的熬能。铬在涂层中发生了偏聚，产生了大量的树枝晶。功率在1 5 0 0 w 时，涂层 的硬度比功率为2 0 0 0 w 时的高，功率过高，产生的能量密度增大，涂层出现过烧现象反 而影响了涂层的表面性能。 差孳 懈 瞄 瞄 啦 | 堇 惜 薹 遐器 武汉科技大学硕士学位论文第2 5 页 5 17 1 8 h 模具钢 第五章模具钢 5 1 1 实验材料与方法 将7 1 8 h 用线切割机切成试样，并用酒精清洗干净，再用8 0 # 的砂纸打磨光亮，再用 t j h l 5 0 0 0 横流c 0 2 连续激光器对7 1 8 h 基材进行熔覆，熔覆的粉末为c o m o c r ，其化学 成分为c ：0 0 7 ，c r ：2 0 ，s i ：4 1 ，f e ：1 3 ，m o ：3 0 ，n i ：1 5 ，c o 作为平 衡相。工艺参数为：输出功率2 2 5 k w ，扫描速率为3 5 m m s ，送粉率为4 9 m i n ，搭接量 为2 5 4 0 。 将熔覆好的试样用线切割机切成1 0 m m x l o m m x l o m m 的小试样，用镶嵌机镶好，用砂 纸打磨干净，再用抛光机进行抛光，直到没有明显的划痕。再用h f 和h n 0 2 的混合溶液 进行腐蚀( h f 和h n 0 2 的比例为l ：1 ) ，然后进行金相、扫描观察，用能谱仪进行成分分 析，再进行硬度测试。 5 1 2 实验结果与分析 图5 1 为7 1 8 h 的基材组织的扫描电镜形貌，从图可以看出，基材的组织非常细小均 匀，它是由珠光体、索氏体和针状铁素体组成。 图5 17 1 8 1 - 1 基材 图5 2 ( a ) 为7 1 8 h 熔覆层的低倍图，熔覆层的厚度大约为0 6 m m 。从图5 2 ( a ) 可 以看出，熔覆层组织十分细小，成分均匀，跟基材紧密结合并且界限十分明显。图5 2 ( b ) 为图5 2 ( a ) 的高倍图。图5 2 ( b ) 为基材和熔覆层的结合部位，从图可以看出，熔覆层 有明显的网状和条状组织，结合部位非常明显，有一层清晰的结合区。 图5 3 中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为图5 2 ( b ) 中1 、2 、3 点的成分图，1 点在涂层和基材 的结合部位，由表5 1 可以看出，各元素的质量分数为f e ：7 1 0 9 ，c o ：1 6 9 0 ，m o ： 第2 6 页武汉科技大学硕士学位论文 8 1 2 ，c r ：3 8 9 。2 点在涂层部位，表5 1 可以看出，各元素的质量分数为f e ：25 7 8 ， c o ：4 1 4 7 ，m o ：2 2 6 3 ，c r ：7 0 2 。3 点也在涂覆层，由表5 1 可以看出，3 点各 处元素的质量分数为f e ：2 7 8 5 ，c o ：4 2 2 9 。m o ：2 1 8 0 ，c r ：6 2 3 。这说明，结 合部位有大量的铁元素，含有少量的钴、钼、铬元素，熔覆层则含铁明显下降，钻、钼、 铬元素的含量增加。 图5 2 熔覆层的扫描图( a ) 为5 0 0 倍时的组织( b ) 是5 0 0 0 倍时的组织 图5 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别是1 、2 、3 点各元素的质量分数 武汉科技大学硕士学位论文第2 7 页 l 图5 4 ( a ) 为横断面的线扫描图( b ) 为( a ) 中f e 的扩散图，( c ) 为( a ) 中c o 的扩散图， ( d ) 为( a ) 中m o 的扩散图 图5 4 ( a ) 元素在结合部位的扩散图。图5 4 ( a ) 的上部为熔覆层，中间部位是结 合区，下面为基材。熔覆层由条状的树枝晶和网状的组织组成，合金元素弥散分布在熔覆 层中，并且晶粒十分细小。树枝晶的产生时由于钴元素的熔点高，在结晶过程中形核速度 快，其它合金元素没来得及形核，就附着在钴元素附近生长。图5 4 ( b ) 、( c ) 、( d ) 为 分别为铁、钴、钼的扩散分析图。从图可以看出，铁元素从基材到熔覆层含量逐渐减少， 钴、钼、铬元素的含量则逐渐增多。可以看出，铁元素从基材扩散到了熔覆层中，钴、钼、 铬元素则从熔覆层扩散到了基材，说明熔覆层和基材的冶金结合良好，材料的表面性能得 到改善。 图5 5 为熔覆层的显微硬度图。从图中可以看出，熔覆层的硬度非常高，平均硬度达 到1 1 5 0 h v ，基材的硬度则明显低于熔覆层的硬度，平均硬度只有5 5 0 h v 。这是因为，一 方面合金元素在熔化后快速冷却，晶体还没有长大就凝固了，产生了细晶强化，另一方面 第2 8 页 武汉科技大学硕士学位论文 就是合金元素弥散分布在熔覆层中，形成网状的组织，产生了细晶强化。结合部位的硬度 要比涂层的硬度低，这是由于在熔覆过程中，基材中的铁元素稀释到了结合部位，降低了 该部位的硬度。 距熔覆层表面的距离u ” 图5 5 熔覆试样的显微硬度分布 为了测试熔覆层的耐磨性，我们用8 0 撑的砂纸做了耐磨性实验，如图5 6 所示，图中 上部为熔覆层，下部为基材。从图可以看出，熔覆层没有明显的划痕，基材则划痕比较多， 这说明在7 1 8 h 模具钢表面熔覆c o m o c r 粉末，提高了材料表面的耐磨性。 5 1 3 小结 图5 6 为熔覆层和基材的摩擦磨损图 在7 1 8 h 模具钢表面熔覆c o m o c r 粉末，涂层与基材之间冶金结合非常好，横断面由 熔覆区、结合区和基材三部分组成。熔覆层的晶粒十分细小，合金元素弥散分布在熔覆层 中，在熔覆层中形成大量的网状组织。熔覆层的平均硬度为1 1 5 0 h v ，与基材相比，熔覆 层的硬度有了较大提高，通过磨擦磨损试验，熔覆层的耐磨性也得到了很大的改善。 武汉科技大学硕士学位论文 第2 9 页 5 2h 1 3 模具钢 5 2 1 实验材料和方法 将h 1 3 基材制成2 0 0 x 1 0 0 x 1 0 m m 的小样，激光熔覆粉末为细小的w c 粉末( 晶粒大 小在1 5 - 4 5 u m 的范围内) 和n i c r b s i 粉末的混合物，在混合粉末中，各种成分的质量分 数为，w c ：1 5 ，c r ：1 6 ，b ：4 ，s i 1 ，剩下的是n i 。基材h 1 3 的成分的质量分 数为，c ：0 4 5 ，m n 0 5 ，s i ：1 2 ，c r 5 5 ，n i 0 3 ，m o - 1 7 5 ，v ：1 2 ， 余下的是铁。 激光熔覆使用的激光器为t j h l 5 0 0 0 横流c 0 2 连续激光器，将试样清洗干净放在实 验台上，将n i c r b s i + w c 粉末涂在基材的表面。当这些准备做好了，用激光器进行熔覆， 激光处理的参数是：送粉率为4 5 9 m i n ，扫描速率为5 5 0 m m m i n ，熔覆层厚度为1 0 m m 。 试样熔覆好后，用砂纸打磨干净，再用氢氟酸和硝酸的混合溶液进行腐蚀( 氢氟酸跟硝酸 的比例为1 ：1 ) ，然后用扫面电镜和能谱分析仪对其组织性能进行分析，在用维氏硬度显 微仪测试硬度，最后进行磨擦磨损分析。 5 2 2 实验结果与分析 图5 7 为h 1 3 模具钢涂层在5 0 0 倍的扫描电镜图，图中上部为熔覆层，中间为界面， 下部为基材。涂层厚度约为0 9 m m ，熔覆层冶金结合好，没有出现裂纹、夹杂等缺陷。 碳化钨颗粒不均匀的分布在涂层中，涂层上部的碳化钨颗粒很少，但在涂层的下部，特别 是靠近界面处，碳化钨颗粒的数量比较多，这是由于在熔覆过程中n i c r b s i 粉发生熔化， 碳化钨颗粒则没有熔化，颗粒状的碳化钨在熔池下沉，因此界面处的碳化钨颗粒数量比较 多。 图5 7n i c r b s i a w c 涂层的扫描电镜组织 第3 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图5 8 为h 1 3 的典型的横截面的扫描电镜显微组织结构。图5 8 ( a ) 显示从涂层顶端 到界面，再到基材的显微组织，以w c 为界限，熔覆层跟基材有一条明显的界限。这是 在放大5 0 0 0 倍时的显微组织，从图中可以看出，组织非常细小，熔覆效果十分好。对图 中1 ，2 ，3 ，4 点进行能谱分析，测出各点的成分，其成分如表5 2 ，从表可以看出，碳元素的 含量从熔覆层到界面逐渐减少，铬元素主要分布在黑色小点上，铁元素从界面到熔覆层含 量逐渐降低，硅元素则分布在整个涂层。图5 8 ( b ) 有许多细小的树枝晶分布在熔覆层中， 这是由于这些合金元素在凝固的过程中，温度梯度不同，凝固得慢的元素附在凝固得快的 金属旁，产生了大量的树枝晶。图中有少量的聚合在一起的细小的黑色小颗粒，这些小颗 粒状的物质是铬元素发生了富集，由于铬的熔点比较高，来不及完全融化就开始发生凝固 了，铬就聚集在一起，形成了图中的黑点。这些铬元素的富集对熔覆层的组织性能来说是 有利的，它起到了固然强化的作用。图5 8 ( c ) 有大块的白色颗粒，它们不均匀的分布在 熔覆层中，它们是碳化钨颗粒，碳化钨颗粒只发生了部分的熔化，绝大部分都固溶在涂层 中。 图5 8 熔覆区的s e m 组织( a ) 为横断面的低倍组织( b ) 为熔覆层上部组织( c ) 为焰覆层中 部组织( d ) 为熔覆层下部组织 武汉科技大学硕士学位论文第3 l 页 图5 8 ( d ) 涂覆层中碳化钨颗粒的能谱图，( a ) 、( b ) 、( c ) 分别对应l 、2 、3 点的元素 分布。对图中t 、2 、3 点进行能谱分析，l 、3 两点在碳化钨颗粒的边缘，从表5 3 中可以 看出钨的含量最多，其它元素以一定比例分布在其中，图中2 点在碳化钨颗粒的中部，这 里只含有碳、钨和少量的硅元素，钨的含量最高，达到了7 4 7 5 ，硅是扩散进来的。碳 化钨颗粒属于熔点高，硬度大，耐磨性好的材料，它分布在熔覆层对材料的硬度、耐磨耐 蚀性的提高作用是非常大的。碳化钨在涂层的顶端分布少其实是有好处的，因为在实际应 用过程中，涂层表面要被打磨掉的。 图5 9 是( a ) ( b ) ( c ) 图5 8 中( d ) 图1 、2 、3 点的能谱图 表5 3l ，2 ，3 点备元素的质量分数( 国t ) 图5 1 0 是h 1 3 模具钢从涂覆层到基材的e d x 分析。图中( b ) 、( c ) 、( 、( e ) 、( f ) 分别 表示铁、铬、镍、硅、钨从基材到涂层的分布情况。铁元素从基材到涂层，含量逐渐减少。 铬、镍、硅、钨元素扶基材到涂层，含量逐渐增多。这是由于熔覆材料在熔覆过程中与基 体材料发生了互扩散，铁元素从基材转移到了涂层，涂层元素从涂层转移到了基材。 第3 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图5 1 0 ( a ) 为涂层到基材的e d x 分析( b ) 为铁元素的扩散图 ( c ) 为铬元素的扩散图 ( d ) 为镍元素的扩散图( e ) 为硅元素的扩散图c f ) 为钨元素的扩散图 图5 1 1 是h 1 3 试样从涂层顶端到基材的硬度情况。在涂层中，它的硬度存在波动， 一些地方的硬度值在1 1 0 0 h v ，而有的地方硬度值达到1 2 0 0 h v 甚至更高。这是由二f 硬度 高的地方测试的是碳化钨颗粒的硬度，它的硬度比涂层其它部位的硬度要高些。涂层中非 碳化钨颗粒上的硬度十分平稳，波动很小，且维持在一个较高的水平，这说明n i c r b s i 粉末的硬度高，并且在熔覆时，这些粉末在涂层中分布均匀，只有碳化钨颗粒弥散分布在 涂层中。 武汉科技大学硕士学位论文 第3 3 页 图5 1 1h 1 3 从涂层到基材的硬度 图5 1 2 ( a ) 、( b ) 分别是熔覆层和基材的磨擦实验的扫描电镜图 硬度测试完成之后，为了进一步比较材料涂覆前后表面的性能变化，我们对h 1 3 模 具钢做了摩擦磨损实验。将试样在8 0 # 的砂纸上磨擦一下，清洗干净，在相同放大倍数的 扫描电镜下观察它们的磨损情况，如图5 1 2 。图5 1 2 ( a ) 为熔覆层摩擦后的扫描电镜组织， 图5 1 2 ( b ) 为基材在磨擦之后的扫描电镜组织。从图中可以看出，( a ) 中的划痕跟图( b ) 比较 就要细小得多，而且划痕数量也比( b ) 中的要少。在相同的测试条件下，划痕数量越少， 划痕越细，说明材料的硬度越高，耐磨损性能越好。由此可见，h 1 3 模具钢通过使用 n i c r b s i + w c 粉末涂覆以后，材料的耐磨性能得到了提高。 5 2 3 小结 在h 1 3 表面涂覆n i c r b s i + w c 粉末，n i c r b s i 粉末在熔覆过程中发生了熔化，均匀 的分布在涂层中，碳化钨则没有完全熔化，它以颗粒状的形式不均匀的分布在涂层中，其 中涂层顶端分布最少，靠近界面处分布最多。经过熔覆后，材料由三个部分组成：即涂层、 界面、基材，且涂层跟基材冶金结合良好。熔覆后材料的硬度显著增加，平均达到1 1 5 0 h v ， 第3 4 页武汉科技大学硕士学位论文 而基材的在5 5 0 h v 。材料的耐磨性能也得到了较大的提高。 5 3n a k 8 0 模具钢 5 3 1 实验材料和方法 将n a k 8 0 塑料模具钢制成1 0 m m x l o m m x l o m m 的小试样，它的化学成分见i 乏2 1 。 熔覆之前，将试样用8 0 # 砂纸打磨，再用酒精清洗，除去表面的氧化铁皮及油污。涂覆材 料为n i 基合金粉末和碳化钨粉末的混合物。将合金粉末烘干后，调和均匀，涂在基材的 表面。 激光熔覆处理使用的激光器是青岛中发生产的横流c 0 2 连续激光器，工艺参数为经 过前期试验选择的最优参数：功率选用2 0 k w ，扫描速度为6 m m s ，光斑直径为3 r n m ，离 焦量为4 0 m m ，搭接量为3 0 。 5 3 2 实验结果与分析 图5 1 3 为n a k 8 0 模具钢的扫描电镜组织，从图中5 1 3 ( a ) 可以看出，由上到下依 次为熔覆层、结合区和基材。熔覆层组织非常细小，且跟基材的结合非常好，熔覆罢跟基 材的结合部位有一条明显的界面。下面的结合区组织比基材的组织要细小，这是由于在激 光熔覆过程中，结合区发生了熔化，冷却后，组织变细了。熔覆层中的白色块状物为碳化 钨，碳化钨在熔覆的过程中并没有熔化，而是不均匀的分布在涂层中间。 图5 1 3n a k 8 0 的扫描电镜组织 金属的组织形态是由合金的成分、结晶前沿的温度梯度及凝固速度综合作用的结果。 在熔池中扩散和对流传质的作用下，合金元素发生交互作用，使得微区的成分和组织不均 匀，而且各处的凝固速率和温度梯度也不完全相同，从而导致最终晶体结构的多样性t 5 1 1 。 图5 1 3 ( b ) 为熔覆区的扫描电镜的组织形貌图。熔覆区主要由树枝状晶、基体固溶体及 白色块状物组成，白色块状组织为没有完全熔化的碳化钨颗粒。结合区的组织明显就要比 熔覆区的细小，结合区是由细小的颗粒组成。产生这种现象的原因是由于结合区靠近基体 材料，在激光熔覆的时候它的温度梯度和冷却速度都十分大，晶体的行核速度远远歹 于其 长大速度，因此生成均匀细小的颗粒组织。 武汉科技大学硕士学位论文第3 5 页 图5 1 4 n a k 8 0 的低倍组织 图5 1 4 为n a k 8 0 的低倍组织形貌图。它由涂层、结合区和基材三部分组成。为了分 析组织，我们进行了能谱分析和e d x 分析。图5 1 5 为图5 1 4 中l ，2 ，3 点能谱情况。1 点 在熔覆区，经测试，1 点各元素的质量分数为：n i ，7 7 6 5 ；c r ，1 1 9 4 ；f e ，5 2 2 ； s i ，5 1 8 。2 点在结合区，2 点各元素的质量分数为：n i ，4 2 0 3 ；c r ，5 6 2 ；f e ，3 6 7 8 ； s i ，1 6 9 。3 点在基材，3 点各元素的质量分数为：n i ，3 1 1 ；f e ，9 6 8 9 。从涂层到 基材，镍元素和铬元素的含量在涂层中最高，然后逐渐降低。铁元素则正好相反，从涂层 到基材，含量逐渐增加，基材中铁元素的含量最高，达到9 6 8 9 。其中，涂层中还含有 少量的硅元素。涂层中含有铁元素，基材中含有镍元素和铬元素，说明涂层跟基材中的元 素相互扩散了。图5 1 6 中( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 为铁、镍、铬、硅从基材到涂层的扩散情况。 铁元素从基材到涂层，含量逐渐减少，镍元素和铬元素的分布正好相反，这说明基材跟熔 覆层结合良好。 图5 1 5 ( a ) ，( b ) ，( c ) 为图5 1 4 中1 , 2 ，3 点的能谱 第3 6 页 武汉科技大学硕士学位论文 图5 1 6 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别为f e ，n i ，c r ，s i 的e d x 分析 图5 1 7 为熔覆试样的显微硬度测试结果。可以看出，从涂层表面到基体，硬度先升 高，后逐渐降低。表层的硬度比中部稍低一些，这是由于激光照射时表层部分合金元素被 烧损和挥发的缘故。由于熔覆层在使用前，其表层要通过切削加工除掉，因此这种：见象对 保护涂层硬度是有益的。涂层中部区域的硬度最高，平均硬度达到9 0 0 h v ，明显高于基体 硬度，这是因为，一方面未熔化碳化钨及枝晶颗粒相较均匀地分布于基体中，产生了弥散 强化；另一方面，激光熔覆时涂层快速熔化和结晶，得到的晶粒比较细小，产生了细晶强 化。结合区的硬度低于涂层中部的硬度，这主要是因为在熔覆过程中，基体部分元素( 如 f e ) 向涂层扩散，导致结合区成分被稀释，使得单位体积里强化相的数量减少，在一定程 度上降低了结合区的硬度。硬度在很大程度上与耐磨性存在一定的正比例关系1 5 2 1 。由以 上分析可见，激光熔覆n i 基碳化钨合金涂层具有高的显微硬度，可使n a k 8 0 模具钢表 面的耐磨性有较大改善。 武汉科技大学硕士学位论文第3 7 页 o 5 0 1 1 5 0 2 0 0 2 5 03 0 03 5 0柏0 距涂层顶端的距离u m 图5 1 7n a k 8 0 模具钢的显微硬度分析 为了进一步测试n a k 8 0 模具钢的性能，对它进行了磨损实验，在1 0 0 0 倍的扫描电镜 下，涂层和基材的组织如图5 1 8 ( a ) 、( b ) 。从图中可以看出，涂层中的划痕很少，而基材 中的划痕数量很多，存在大量的划痕，而且基材的划痕深度也比涂层的要深，这说明了在 n a k 8 0 模具钢表面涂覆镍基合金和碳化钨颗粒增加了涂层的耐磨性。 图5 1 8 ( a ) 、( b ) 分圳为n a k 8 0 的磨损组织 5 3 3 小结 在n a k 8 0 模具钢表面激光涂覆镍基碳化钨合金，试样的横截面由熔覆区、结合区和 基材三部分组成。涂层组织十分细小，大量的树枝状晶均匀分布在涂层中，w c 颗粒弥散 分布在涂层中，由于细晶强化和弥散强化的共同作用，涂层的硬度和耐磨性都得到了很大 的改善。从能谱分析可以看出，涂层中的元素扩散到了基材，基材中的元素扩散到了涂层， 两者冶金结合良好。 啪 啪 蚴 i 堇 啪 瑚 伽 罨赵举 第3 8 页武汉科技大学硕士学位论文 第六章结论与展望 本文通过对高铬铸铁轧辊、辊压机以及7 1 8 h 、h 1 3 和n a k 8 0 模具钢的激光熔覆研究， 得出了如下结论： ( 1 ) 采用镍基合金粉末对基材进行熔覆，涂层跟基材冶金结合良好，横断面由熔覆区、 结合区、基材三部分组成。涂层的硬度最大，结合区次之，基材最小，涂层中各处硬度波 动不大，但都明显比基材的硬度要高。对涂层很基材进行磨擦分析，涂层的划痕比基材的 少，且划痕深度也要浅，涂层的耐磨性比基材的要好。 ( 2 ) 激