激光熔敷制備高速鋼涂層

尹 燕，路 超，劉鵬宇，肖夢智 ，蔡偉軍 ，3，張瑞華，屈岳波

（1.蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050；2.中國鋼研科技集團有限公司，北京100081；3.陽江市五金刀剪產(chǎn)業(yè)技術研究院，廣東陽江529533）

激光熔敷制備高速鋼涂層

尹 燕1，路 超1，劉鵬宇1，肖夢智1，蔡偉軍1，3，張瑞華2，3，屈岳波2，3

（1.蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050；2.中國鋼研科技集團有限公司，北京100081；3.陽江市五金刀剪產(chǎn)業(yè)技術研究院，廣東陽江529533）

為了利用高速鋼的優(yōu)良性能，拓展其應用范圍、降低使用成本，采用同軸送粉激光熔敷技術，在3mm厚的普通用不銹鋼側面制備高硬度的高速鋼耐磨涂層，并對熔敷后的試樣進行熱處理。分析涂層的顯微組織，研究熱處理制度對涂層顯微硬度的影響，測試涂層的耐磨性能。結果表明：涂層熱處理前主要為細小等軸晶，組織為淬火馬氏體+殘留奧氏體+少量碳化物；熱處理后主要為回火馬氏體+少量殘留奧氏體+大量析出碳化物；獲得了最佳熱處理參數(shù)，熱處理后涂層硬度大幅度提高，約為基材的2倍；相同磨損條件下，耐磨涂層的磨損失質(zhì)量僅為基體的1/5。

高速鋼；激光熔敷；涂層；顯微組織

0 前言

高速鋼（High Speed Steel，HSS）是一種加入較多的 W、Mo、Cr、V、Co 等合金元素的高合金工具鋼，硬度、耐磨性和耐熱性高，又稱高速工具鋼或鋒鋼。因其工藝性能好，強度與韌性配合好，主要用于制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可用于制造高溫軸承和冷擠壓模具等[1-2]。粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。但是由于粉末冶金高速鋼價格是普通高速鋼的3～4倍，應用受到限制。

激光熔敷因其能量密度高、加熱及冷卻速度快、引起工件變形小、與基體形成冶金結合等優(yōu)點，在材料表面涂層的制備領域發(fā)展迅速，目前可應用于模具、航空零部件的修復，高性能復合材料的制備等[3-4]。因此，利用激光熔敷技術在普通不銹鋼表面制備高速鋼涂層，既可有效利用高速鋼的優(yōu)良性能又可降低使用成本。本研究采用同軸送粉激光熔敷技術在普通不銹鋼基體上制備高硬度的高速鋼涂層，并對熔敷后的試樣進行熱處理，分析其組織、顯微硬度及耐磨性能，以期為高性能高速鋼的拓展應用提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

基材選用常用不銹鋼2Cr13，經(jīng)激光切割加工成尺寸為100mm×30mm×3mm的矩形試樣。熔敷材料選擇高鈷含量的高速鋼粉末W6Mo5Cr4V3Co8，粉末粒度150～325目，粉末成分如表1所示。粉末為球形粉末，形貌如圖1所示。

表1 高速鋼粉末W6Mo5Cr4V3Co8的化學成分Table 1 Chemical composition of high speed steel powder W6Mo5Cr4V3Co8%

1.2 涂層制備及熱處理

激光熔敷設備為德國通快公司的TruDisk2002激光器配備ZPZJ1610數(shù)控機床專機，激光器額定功率2 000 W，波長1 030 nm，光斑直徑3 mm，離焦量+25 mm，氣體流量0.5 L/min。其他配套設備選用RC-PGF-D-2雙筒智能型載氣送粉器和MCWL-120精密水冷機。

圖1 激光熔敷高速鋼粉末形貌Fig.1 Morphology of high speed steel powder deposited by laser cladding

熔敷前用無水乙醇、丙酮清洗試樣，去除表面氧化物及油污等雜質(zhì)，預熱至150℃；送粉氣體及保護氣均選用純度大于99.99%的氬氣，熔敷前將粉末置于DZF-1真空干燥箱內(nèi)120℃烘干2 h。

利用正交試驗優(yōu)化熔敷工藝參數(shù)，獲得最佳參數(shù)如表2所示。

表2 激光熔敷工藝參數(shù)Table 2 Parameters of Laser cladding

由于激光熔敷冷卻速度很快，熔敷后涂層為淬火態(tài)，為了優(yōu)化涂層性能，將熔敷后的試樣進行回火處理，回火保溫時間均為1 h，回火3次，共6組試樣，回火溫度如表3所示。

表3 不同試樣的回火溫度Table 3 Temperature of different samples

1.3 涂層表征

采用MX-10正置金相顯微鏡和JSM-6700型掃描電子顯微鏡對腐蝕好的試樣進行顯微組織觀察及分析。

采用HV-1000型顯微硬度計測試試樣的微區(qū)域硬度，測試載荷200 g，保荷10 s，沿涂層最大熔深方向從涂層表面到基體每間隔0.2 mm測試一點，每處測試點的硬度取同一縱向深度不同位置5次測量的平均值，以分析試樣由涂層表面到基體的硬度變化。

采用MMS-2B銷盤式磨損試驗機在室溫條件下進行干式滑動摩擦磨損試驗，測試基體和涂層磨損量。采用激光切割機加工尺寸為10 mm×10 mm×3 mm試樣，用300～1 500目的金相砂紙按照砂紙顆粒度由高到低的順序打磨試樣，并進行拋光處理，對磨材料使用尺寸為φ4的GCr15鋼珠。設定轉速215 r/min，試驗力 150 N，磨損時間 120 min；用精度0.1 mg的精密測重儀測量試樣質(zhì)量并記錄磨損試驗前后的質(zhì)量，每次稱量前超聲波清洗15 min。磨損量為試樣磨損試驗前后質(zhì)量差。

2 試驗結果和分析

2.1 涂層形貌

熔敷粉末的特性和激光工藝參數(shù)共同決定了涂層表面的宏觀形貌，而涂層表面宏觀形貌在一定程度上也可反映熔敷涂層的宏觀質(zhì)量[5]。研究表明：激光功率密度過小，基材表面未熔，導致涂層和基材結合不牢，容易剝落，涂層表面出現(xiàn)局部起球、孔洞等外觀缺陷；激光功率密度過大，又會導致涂層稀釋率增大，嚴重降低涂層的使用性能，熔敷粉末過燒、蒸發(fā)，涂層不平度增加[6]。因此，合理選擇激光工藝參數(shù)對控制涂層的稀釋率、提高涂層質(zhì)量和性能具有至關重要的作用。

熔敷后試樣的宏觀形貌如圖2所示。涂層外觀均勻連續(xù)、平整光滑，未出現(xiàn)裂紋、起球及未熔合等宏觀缺陷；經(jīng)X射線無損檢測未發(fā)現(xiàn)微裂紋及氣孔等內(nèi)部缺陷。

圖2 激光熔敷試樣宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of laser cladding specimens

2.2 涂層顯微組織

涂層顯微組織如圖3所示。其中圖3a為涂層結合面組織，可以看出，接合面由涂層、結合區(qū)和基材三部分組成。涂層無裂紋、氣孔等缺陷，且與基材結合較為緊密，形成良好的冶金結合[7]。結合區(qū)較窄，說明基材對涂層的稀釋率較低。在相同的腐蝕條件下，光學顯微鏡下觀察到涂層顏色較亮，而基材顏色較暗，這在一定程度上說明涂層的耐蝕性高于基材。圖3b為涂層中部顯微組織，呈典型的高速鋼淬火組織。這是由于在激光熱源的作用下，粉末快速熔化并凝固，晶粒形核后來不及長大，形成較細的等軸晶；又由于高速鋼中含有較多的合金元素如W、Mo、Cr、V、Co，在高速冷卻過程中來不及析出，冷卻后形成典型的淬火馬氏體。由于合金元素含量很高，鋼的馬氏體轉變溫度Ms點逐漸降低，淬火后的殘留奧氏體含量增加，同時在晶界處有少量的碳化物析出，如圖3b箭頭所示。所以熔敷冷卻后形成的組織為淬火馬氏體+殘留奧氏體+少量的碳化物。

圖3 熔敷后試樣光學顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of the coating was observed by the optical microscope

對激光熔敷后的試樣分別進行不同溫度的回火，結果顯示回火溫度為560℃時涂層的顯微硬度最高，因此取該試樣進行分析。接合面處依然是基材與涂層的過渡區(qū)，如圖4a所示，過渡區(qū)也有少量馬氏體，從而形成從高硬度涂層到較軟基材的過渡。回火后涂層組織為典型的回火馬氏體，如圖4b所示，由于熔敷形成的淬火馬氏體中固溶有大量的合金元素，過飽和馬氏體在熱力學上不穩(wěn)定，在回火處理時將發(fā)生碳和合金元素的脫溶，伴隨著馬氏體硬度逐漸降低，當回火溫度達到一定程度時，鋼中析出的特殊碳化物產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象。在回火過程中主要析出的細小彌散的M2C和MC碳化物對二次硬化有巨大貢獻。同時，熔敷成型后的殘留奧氏體在高溫回火過程中也會發(fā)生馬氏體轉變，進而提升了二次硬化效果[8]。

圖4 回火后試樣的光學顯微組織Fig.4 Optical microstructure of the specimens after tempering

2.3 涂層顯微硬度

熱處理前激光熔敷制備高速鋼涂層結合區(qū)顯微硬度的分布如圖5所示。由圖5可知，涂層硬度整體呈階梯分布，涂層硬度是基材平均硬度的1.5倍，涂層硬度偏高是因為激光熔敷高速鋼粉末含有大量的合金元素及碳，形成淬火馬氏體所致。結合區(qū)硬度過渡較為明顯，是因為結合區(qū)寬度很窄，基材對涂層的稀釋率很低，其次因為激光熔敷的快速熔化及凝固特點，熱影響區(qū)極小，基本不影響基材硬度?；挠捕然緹o變化。

圖5 熱處理前高速鋼涂層顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of high speed steel coating before heat treatment

不同溫度回火后涂層的顯微硬度如圖6所示?？梢钥闯?，當回火溫度為560℃時，涂層硬度達到最高值1 050 HV0.2。當回火溫度低于560℃時會造成回火不足，此時殘留的奧氏體量較多，馬氏體回火不足，彌散析出的碳化物數(shù)量不夠多；當溫度高于560℃時會造成過回火，進而造成馬氏體中的合金元素進一步脫溶，彌散析出的碳化物聚集長大、粗化，硬度不足[9-10]。

圖6 不同回火溫度對高速鋼涂層硬度的影響Fig.6 Effect of different tempering temperature on hardness of high speed steel coating

560℃回火后涂層截面顯微硬度分布如圖7所示。由圖7可知，涂層硬度分布依然呈階梯狀，涂層平均硬度值為1050HV0.2，約為基材硬度值的2倍，且此時基材的硬度值較回火處理前也有大幅度的提高。熔覆層平均硬度升高是因為高速鋼含有的強碳化物形成元素在回火過程中形成各種復雜的碳化物，產(chǎn)生了二次硬化。此時涂層結合區(qū)過渡較為平緩，這是因為在回火過程中通過合金元素的析出和碳元素的擴散，結合區(qū)也形成了少量的碳化物強化相，結合區(qū)硬度平緩過渡，這種過渡對涂層受到的沖擊力有一定的緩沖作用，有助于提高高速鋼涂層的抗沖擊性能力。

圖7 回火后涂層顯微硬度的分布Fig.7 Distribution of microhardness after tempering

2.4 涂層耐磨性能

經(jīng)不同摩擦時間后試樣的磨損量如圖8所示?？梢钥闯觯谙嗤哪Σ習r間內(nèi)，涂層的磨損量變化很小，且為基材磨損量的20%左右。這是因為高速鋼涂層中含有大量的合金元素與碳形成合金碳化物通過溶解及析出強化，尤其是高V含量，V是強碳化物形成元素，VC細小彌散，大大提高了涂層的耐磨損性能。由此可見，高速鋼涂層能夠極大提高2Cr13不銹鋼的耐磨性能。

3 結論

（1）通過優(yōu)化激光熔敷參數(shù)，可獲得表面形貌良好的高速鋼涂層，涂層無氣孔、裂紋等缺陷，得到典型的高速鋼淬火組織。

（2）高速鋼涂層最佳回火溫度為560℃，回火三次，每次保溫1 h，涂層顯微硬度可達1 050 HV0.2，約為基材硬度值的2倍；回火組織為回火馬氏體+少量殘留奧氏體+彌散析出碳化物。

（3）相同條件下，涂層平均磨損量約為基材的20%，高速鋼涂層的制備極大地提高了2Cr13不銹鋼的耐磨性能。

圖8 試樣摩擦時間與磨損量關系曲線Fig.8 Relationship between friction time and wear

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High speed steel coating produced by laser cladding

YIN Yan1，LU Chao1，LIU Pengyu1，XIAO Mengzhi1，CAI Weijun1，3，ZHANG Ruihua2，3，QU Yuebo2，3
（1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.China Iron&Steel Research Institute Group，Beijing 100081，China；3.Hardware Knife Cut Industrial Technology Research Institute Yangjiang，Yangjiang 529533，China）

In order to take advantage of the excellent performance of high speed steel and expand its application area and reduce its cost，high hardness high speed steel wear resistant coating was produced on the side surface of stainless steel with a thickness of 3 mm by the coaxial powder feeding laser cladding technology and then some heat treatment of the samples were carried out.The microstructure of the coatings was analyzed，and the effect of heat treatment on the micro-hardness of the coating was studied.The wear resistance of the coating was tested.The results showed that the microstructure of the coating before heat treatment is small equiaxed grain，and the microstructure of the coating consists of quenched martensite，retained austenite and a small amount of carbides and tempered martensite，a small amount of retained austenite and a large number of precipitated carbides after heat treatment.The best heat treatment parameters were obtained，and the hardness of the coating was greatly improved after heat treatment，which was about 2 times than that of the substrate.The wear loss of the coating was only 1/5 compared to substrate.

high speed steel；laser cladding；coating；microstructure

TN24，TG11

A

1001-2303（2017）10-0099-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.21

本文參考文獻引用格式：尹燕，路超，劉鵬宇，等.激光熔敷制備高速鋼涂層[J].電焊機，2017，47（10）：99-103.

2017-06-11

廣東省2015年省前沿與關鍵技術創(chuàng)新專項資金（重大科技專項）項目資助（2015B010123002）；陽江市2015年度新型研發(fā)機構建設、工程技術研究開發(fā)中心建設、企業(yè)實驗室專項資金項目資助（2015019）；陽江2016年科技發(fā)展專項資金（協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設方向）資助（2060502）；蘭州理工大學學生科技創(chuàng)新基金資助項目（S20）、“廣東省”揚帆計劃引進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊專項資助（2015YT02G090）

尹 燕（1973—），女，教授，博士，主要從事高效率焊接及先進激光加工技術的研究工作。E-mail：yinyan@lut.cn。