激光熔覆方法增强自卸车钢板耐磨性能研究

2020-04-10周慧超孙明政赵冠琳

汽车实用技术 2020年4期

周慧超孙明政赵冠琳

摘要：磨损是影响自卸车车厢使用寿命的主要原因之一，研究利用激光熔覆方法，制备出含有TiC、VC增强颗粒的熔覆层。利用X射线衍射仪、电子探针、透射电镜对增强颗粒进行微结构分析;利用滑动磨损试验机研究了熔覆层的耐磨损性能。结果表明，激光熔覆层的耐磨性明显好于Q235板材。

关键词：激光熔覆;增强颗粒;耐磨性

中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）04-109-03

Study on the Wear Resistance of Steel plate of Dump Truck Strengthenedby Laser Cladding

Zhou Huichao¹， Sun Mingzheng²， Zhao Guanlin^3*

（ 1.Niedke Electric Machinery （Qingdao） Co. LTD， Shandong Qingdao 266000; 2.Qingdao Public Transport Group，Shandong Qingdao 266000; 3.Materials science and Engineering， Shandong University， Shandong Jinan 250061 ）

Abstract： Wear is one of the main factors affecting the service life of dumper cars. In this study， laser cladding method was used to prepare the cladding layer containing TiC and VC reinforced particles. The microstructure of the reinforced particles was analyzed by X-ray diffractometer， EPMA and TEM. The wear resistance of the cladding layer was studied by sliding wear tester. The results show that the wear resistance of laser cladding layer is better than that of Q235 plate.

Keywords： Laser cladding; Reinforcing particles; Wear resistance

CLC NO.： TB331 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）04-109-03

1 前言

磨損是材料失效的三大主要形式之一，不仅会对零部件的使用寿命、可靠性、安全性等产生较大影响，而且也会造成巨大的经济损失^[1]。据冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门的不完全统计，每年仅由于磨损就需要补充15～20亿元的备件。随着我国工业的快速发展，优质设备尤其是进口设备的迅猛增加，因磨损造成的经济损失也日益增多。因此，减少材料的磨损、延长零件的使用寿命在经济发展中占有举足轻重的地位。

自卸车是指通过液压或机械举升而自行卸载货物的车辆。由于装载车厢可以自动倾翻一定角度进行卸料，大大节省了卸料时间和劳动力成本，缩短了运输周期，提高了生产效率，是常用的运输专用车辆。长期的使用跟踪调查显示，自卸车车厢因每天装卸货次数较多，存在很严重的磨损问题。目前，很多自卸车主要采用的解决办法是选择更耐磨的瑞典进口板材Hardox。该方法虽然可以在一定程度上延长车厢的使用寿命，但整体造价高，板材交期长，易出现断货情况。

激光熔覆技术是近几十年来发展最快的现代科学技术之一，应用成果也得到业内人士的一致肯定^[2-5]。利用该技术可以将两种或者两种以上的材料复合到一起，实现普通基底材料的表面改性或是修复。该方法对于提高零部件的使用寿命、可靠性等以及节约材料、节约能源等各方面都具有非常重要的意义。

本研究利用激光熔覆技术在Q235钢板表面制备出原位生成TiC和VC陶瓷颗粒增强铁基的熔覆层，并对该熔覆层的微结构以及耐磨性进行详细研究。旨在利用激光熔覆技术来提高自卸车车厢底板的耐磨性，达到节约材料、降低生产成本、延长部件使用寿命的目的。

2 实验材料与方法

基体材料选用Q235钢板，试样尺寸为50 mm×20 mm×6 mm。激光熔覆前，需对试样进行去锈和去油处理，以防影响熔覆层的质量。熔覆粉末选取钛铁粉（FeTi70）、钒铁粉（FeV50）和石墨。激光熔覆选用的具体参数为：光斑直径选用3mm，功率选择2.0～2.5 kW，扫描速率为3～5 mm/s，搭接量在30～40%左右。整个熔覆过程需用氩气进行保护。

利用X射线衍射仪、JXA-8800R型电子探针及H-800型透射电镜对熔覆层组织进行观察;利用M-2000型滑动磨损试验机，采用环-块滑动干摩擦方式进行磨损试验。施加载荷10 kg，摩擦时间25 min。

3 实验结果与讨论

在该工艺下制备出的多道激光熔覆层，成形较好，表面平整，没有发现裂纹或气孔，可以满足工程应用要求。从图1给出的熔覆层的表面X射线衍射结果来看，熔覆层主要由α-Fe、TiC和VC组成，说明该工艺条件下制备出的熔覆层是一种铁基陶瓷复合熔覆层。增强相TiC和VC具有高硬度、高弹性模量、高熔点和高热稳定性能等优点，两种增强相在耐磨损方面的应用引人注目^[6-9]。对材料来说，高硬度多对应着高脆性，但是对于铁基陶瓷复合熔覆层来说，其基体的硬度值比较低，所以一方面可以发挥出增强颗粒的优势，另一方面又可以保证镀层不易出现裂纹^[10]。

图2给出熔覆层表面的电子探针扫描图像。从图中可看出，在Fe基体上，分布着一系列深色的粒状和树枝状的增强颗粒。从图3给出的熔覆层透射电镜结果还可看出，这种增强颗粒与基体的边界非常光滑，说明增强相没有被污染且与基体结合良好。这也证明了利用激光熔覆原位反应法可以生成高质量的TiC、VC增强颗粒。

图4给出该熔覆层与基体材料Q235在同样磨损条件下的5分钟、15分钟和25分钟的磨损体积对比图。从图中可以看出，熔覆层与基体的磨损体积均随磨损时间的延长在增大。当磨损时间相同时，基体的磨损体积远大于熔覆层的磨损体积。通过计算可知，熔覆层的耐磨性能约为基体材料的22倍左右。

图5给出熔覆层的磨损形貌图。从图中来看，熔覆层上磨痕较浅，且表面形貌都比较平整，没有出现明显的阻碍磨痕的平台或小丘，但可以看到一些凸显出来的增强硬质点。对这种含有增强相的材料来说，在磨损过程中，首先被磨损的是硬度较低的基体组织，随着基体组织磨损量的增加，增强颗粒逐渐暴露到摩擦面上。此时，与磨轮表面接触更多的就是暴露出来的增强颗粒，仅有少量的基体组织参与摩擦过程。本研究利用激光熔覆原位反应生成的TiC、VC颗粒数量较多，且在熔覆层表面的分布也很均匀。此外，磨损过程中，由于原位生成的增强相与基体间较高的结合强度，增强颗粒不宜脱落。所以，在整个磨损过程中，生成的一系列弥散分布的增强颗粒可以较为均匀地承受与磨轮之间的摩擦力，从而提高熔覆层的整体耐磨性，且磨损表面磨痕较浅且较平整。

4 结论

在Q235钢板上，通过选用一定比例的合金粉末和激光熔覆工艺，可以利用激光熔覆技术制备出含有TiC和VC增强颗粒的激光熔覆层。增强颗粒数量较多，且在整个熔覆层中呈弥散分布状态，与基体之间具有良好的结合强度，这些都有助于提高熔覆层的耐磨性能。通过比较可知，该熔覆层的耐磨性能约为基体材料的22倍左右。

参考文献

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