奥氏体不锈钢激光熔覆自润滑耐磨复合涂层研究

摘要

奥氏体不锈钢因其良好的力学性能和化学稳定性，在化工、机械、建筑、医疗等领域得到了广泛的应用。但受硬度低、耐磨性差等性能缺点的制约，其一般不能用作重要的摩擦运动副零部件。此外，很多在高温条件下承受强烈摩擦磨损作用的相对运动副零部件不仅要求具有优异的高温耐磨性与抗氧化性，而且由于高温条件下无法实现外加润滑而必须具有优异的高温自润滑性能。由于磨损基本发生于材料或零部件的表面，采用合适的表面工程手段在材料表面制备自润滑耐磨涂层无疑具有较高的经济性和可行性。
　　 激光熔覆技术对基体和涂层材料无限制，能实现在低熔点的工件上熔覆一层高熔点的合金，能控制稀释率，可局部熔覆，微观结构细致，热影响区小，并使涂层材料快速熔化和冷却而与基体材料形成良好的冶金结合，结合强度高。
　　 为了提高不锈钢的耐磨性并开发具有良好减摩耐磨性能的先进复合材料涂层新体系，本文分别以NiCr/Cr3C2、NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2、NiCr/Cr3C2-15WS2-30CaF2合金粉末为原料，采用激光熔覆技术，在不锈钢表面制备自润滑耐磨复合涂层。利用SEM、XRD、EDS等手段分析了涂层的显微组织，利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度，利用高温摩擦磨损试验机分别测试了涂层在不同温度（室温、300℃、600℃）及不同载荷(2N、5N、10N)下的干滑动磨损性能并分析了其磨损机理。
　　 结果：表明：激光熔覆NiCr/Cr3C2合金粉末制备出了以γ-(Ni，Fe)镍基固溶体为基体、(Cr,Fe)7C3碳化物为增强相，厚度约0.8mm、组织致密均匀、与不锈钢基体呈冶金结合的耐磨涂层，其平均显微硬度约为850HV0.3；激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2合金粉末制备出以γ-(Ni，Fe)为基体、(Cr，Fe)7C3/WC为增强相、WS2和CrS为润滑相的自润滑耐磨涂层，涂层的厚度约0.6mm、组织致密均匀、与不锈钢基体形成良好的冶金结合，其平均显微硬度为620HV0.3;激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-30CaF2合金粉末制备出的涂层中的物相也为γ-(Ni，Fe)基体、碳化物增强相及硫化物润滑相，然而涂层的厚度仅为0.25mm。
　　 摩擦磨损测试表明，室温时，激光熔覆NiCr/Cr3C2耐磨涂层的摩擦系数和磨损率均最小，激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2耐磨自润滑涂层的摩擦系数和磨损率稍大于NiCr/Cr3C2耐磨涂层，不锈钢基体的摩擦系数和磨损率最大；随着温度上升至300℃时，不锈钢基体和NiCr/Cr3C2耐磨涂层的磨损率增大，而由于润滑相被挤压至磨损表面发挥了润滑作用，激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaFZ自润滑耐磨涂层的磨损率减小，使得自润滑涂层在300℃拥有最小的摩擦系数和磨损率；当温度上升至600℃时，润滑相被氧化，失去了润滑效果，激光熔覆NiCr/Cr3C2耐磨涂层和NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2自润滑涂层的磨损率大小接近。
　　 低载(2N)时，激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2自润滑耐磨涂层中良好的强韧相结合赋予涂层良好的耐磨性能;中载(5N)时，除了强韧相结合为涂层提供有效抵抗磨损外，涂层中的润滑颗粒被挤压至磨损表面发挥了有效的减摩耐磨作用，使得涂层在中载时拥有更为优异的摩擦学性能；高载(10N)时，涂层中的润滑相发生脱粘大大减小了其润滑效果，硬质增强相发生剥离使得磨损表面产生凹坑、犁沟，涂层在高载时的磨损率变大。
　　 综合分析认为，激光熔覆NiCr/Cr3C2-15WS2-15CaF2自润滑耐磨复合涂层在中温(300℃)中载（5N)下具有优异的耐磨性能。