不同激光熔覆层表面渗硫层制备及摩擦学性能研究

摘要

激光熔覆技术能够有效提高工件表面的耐磨耐蚀性；然而，由于熔覆层硬度大，摩擦过程中容易造成对磨件的磨损量增大，采用低温离子渗硫处理降低熔覆层表面摩擦系数是解决这一问题的主要手段。文中在45#钢表面激光熔覆Fe基、N i基、Co合金涂层，对不同材料熔覆层表面进行低温离子渗硫处理，采用 SEM、XRD、XPS、AES、AFM 等手段对不同复合改性层的形貌、组织结构以及摩擦学性能进行分析，研究了不同熔覆层对复合改性层制备和性能的影响。 试验结果表明，激光功率3.3kW，搭接率30%条件下，通过调节扫描速度得到成型性好的Fe基、N i基、Co基激光熔覆涂层；通过设计工装、采用辅助工件和控制渗硫参数改善熔覆层表面渗硫质量；在不同材料激光熔覆层表面成功制得一定厚度的复合改性层。复合改性层为硫化物颗粒随机堆叠的疏松结构，颗粒直径为 80 nm-150 nm之间，不同材料复合改性层中渗硫层与熔覆层之间以锯齿状形式紧密结合；通过对S元素的离子溅射和截面 S EM 分析表明，Fe 基熔覆层表面复合改性层厚度最大，约4um；Ni基、Co基熔覆层表面复合改性层厚度约3um。 不同熔覆层表面复合改性层物相主要由熔覆层基体相和硫化物相组成。Fe基熔覆层中物相主要为(Fe，Cr)化合物、Cr-Fe-C化合物、Cr23C6、FexCy化合物；Ni基熔覆层中物相主要为Fe-Ni化合物、Cr-Ni-Fe-C、Cr23C6、WC等化合物；Co基熔覆层中主要物相为Fe-Co-C、Cr7C3、WC等化合物；利用小角度XRD分析复合改性层物相和XPS确定复合改性层元素的化合价态得到复合改性层中润滑相主要为FeS相；N i基、Co基激光熔覆-离子渗硫复合改性层表面润滑相还存在WS2等相。 分别对Fe基、N i基、Co基激光熔覆-离子渗硫复合改性层进行球盘摩擦实验分析其表面摩擦学性能。渗硫之前，熔覆层表面摩擦系数分别为0.6，0.6 ，0.4，为严重的粘着和磨粒磨损，渗硫之后表面摩擦系数分别为0.5，0.5，0.3 ，为轻微的擦伤；摩擦系数和磨损量都有明显降低，不同材料复合改性层摩擦副的磨损量至少降为原来的1/2。此外，渗硫处理还能降低载荷对摩擦系数的影响，中低载荷时，渗硫层固体润滑效果显著，高载荷条件下，其复合改性层减摩效果降低。不同熔覆层表面复合改性层减摩效果有所差异，Co基熔覆层表面组织性能最好，对渗硫层支撑作用使得Co基熔覆-渗硫复合改性层减摩耐磨效果最好，之后依次为Ni基、Fe基复合改性层；通过试验表明经渗硫处理后，熔覆层抗擦伤性能都得到提高，抗擦伤性能由大到小分别为Co基复合改性层、镍基复合改性层以及铁基复合改性层。 综合上述结果分析得到熔覆层对复合改性层的影响主要体现在制备和减摩潜力的发挥方面。熔覆层和辅助工件共同作用为渗硫层的制备提供一定量的元素基础，不同材料熔覆层表面得到的复合改性层厚度和均匀性不同。不同复合改性层减摩能力的差异主要是由于熔覆层硬度、组织结构和耐蚀性能综合作用的结果。

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