钢表面激光熔覆钴基合金层的组织与耐磨性的研究

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本文采用6kw的横流CO2激光器在普通40Cr钢试样表面制备了添加经造粒的纳米WC/Co和金属氧化物SiO2、ZrO2的钴基合金层。其中钴基合金中纳米WC/Co的质量分数为20％~30%~40%~45%~50%~60%,其中金属氧化物SiO2、ZrO2的质量分数为0%~10%~20%。采用聚焦光斑、连续窄带、多道搭接的激光扫描模式,经过激光工艺参数和组分的优化,在试样表面制备了熔覆层裂纹缺陷少、组织分布均匀、与基体呈冶金结合的钴基合金熔覆层。
　　利用扫描电镜、能量分散谱仪、X射线衍射仪、金相显微镜、显微硬度计观察并且分析了熔覆层的显微组织、成分分布、相组成。结果表明激光熔覆钴基合金制备的添加纳米WC/Co和金属氧化物SiO2、ZrO2的钴基合金层的试样,具有晶粒细小、组织均匀、少孔隙和裂纹、并与基体呈良好冶金结合的特征。试验测试分析结果表明熔覆层中添加的纳米WC/Co经熔化、分解、形成高硬度的强化层结构。白亮色的强化相呈网络状和弥散的点状分布,其中主要成分为WC、W2C,强化相具有很高的硬度。熔覆层中添加的金属氧化物SiO2、ZrO2有效的增加了激光熔覆过程中各种金属粉末的润湿,减少了冷却过程中因不同成分和相之间的裂纹和气孔。
　　利用摩擦磨损试验机,在室温23℃及高温400℃,662g及1662g载荷,经过磨床打磨及未打磨的不同情况下,测试了熔覆层的摩擦系数和耐磨性。结合犁沟摩擦模型和粘着摩擦模型分析了干摩擦条件下,摩擦材料表面微观粗糙峰的力学状态以及表面的磨损模式。
　　试样测试分析结果表明,添加钴金属元素的合金熔覆层在400℃高温下与常温20℃下,摩擦系数稳定,没有出现大幅度的波动。在摩擦磨损试验机相同测试条件下,改变摩擦磨损试验机的加载重量,即改变材料摩擦接触面的压强,在材料接触面粗糙峰塑性形变范围内,摩擦系数随压强的增大而减小。通过建立的犁沟摩擦模型和粘着摩擦模型,分析了材料摩擦副表面的粗糙峰的力学状态,得出了材料表面摩擦力源于材料微观粗糙峰的犁沟效应和粘着剪切效应。
　　微观组织观察和分析表明,激光熔覆钴基合金层中,添加的纳米WC/Co熔化形成白亮色带的网状和弥散分布的点状强化相,在提升材料表面硬度的同时,也增强了材料的耐磨性能。显微镜下试验检测试样表面的磨损主要有两种类型,呈犁沟形态的磨料磨损和呈鱼鳞状分布的粘着磨损。摩擦的磨损较基材有大幅度的提升,且由于金属氧化物SiO2、ZrO2的润湿作用,使得磨损区域平稳,多以磨料磨损形式发生,减少了粘着磨损。实验测试和分析结果表明,控制和设计理想的熔覆层组织,加入特定粉末颗粒,调整激光的工艺参数,可以得到耐磨性优良同时摩擦学性能优良的表面熔覆层。研究结果为加入硬质相提高熔覆层性能提供了理论和试验依据。

著录项

作者
姜鹤明;
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作者单位

上海工程技术大学;

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授予单位上海工程技术大学;
学科材料加工工程
授予学位硕士
导师姓名张光钧;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类金属复层保护;
关键词
钴基合金熔覆层; 微观组织; 耐磨性能; 工艺参数;

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