采煤機(jī)滑靴激光熔覆鐵鎳基涂層的抗磨性能*

韓文鵬 崔功軍 崔昊天 趙虎成 寇子明

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 山西太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030024；3.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030024)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展以及能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)的實(shí)施，對(duì)煤炭開(kāi)發(fā)效率及智能化水平的提升逐漸成為了研究重點(diǎn)，這意味著對(duì)包括三機(jī)一架在內(nèi)的諸多礦山裝備及其部件的各項(xiàng)性能和使用效率提出了越來(lái)越高的要求[1]。采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴是負(fù)責(zé)采煤機(jī)行走的關(guān)鍵支撐部件，同時(shí)起著重要的導(dǎo)向作用。然而，導(dǎo)向滑靴工作在極其惡劣的環(huán)境中，且在工作過(guò)程中受到交變載荷的作用，故極易造成嚴(yán)重的磨損甚至斷裂現(xiàn)象[2-3]。導(dǎo)向滑靴的磨損對(duì)采煤機(jī)的工作效率和壽命有極其不利的影響，而且一旦出現(xiàn)因其故障導(dǎo)致的停產(chǎn)，將直接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用表面技術(shù)對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行強(qiáng)化處理來(lái)改善其耐磨性顯得尤為重要。

目前，對(duì)于提升采煤機(jī)滑靴的耐磨性的研究已經(jīng)有許多相關(guān)報(bào)道，且主要以開(kāi)發(fā)耐磨材料及對(duì)表面進(jìn)行特殊工藝處理為主。XUAN和CUI[4]制備了一種Fe-Cr-B合金材料來(lái)替代傳統(tǒng)的滑靴材料，同時(shí)研究并比較了該合金與ASTM 5140和3316兩種鋼在干滑動(dòng)條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-B合金在干滑動(dòng)條件下表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能，是一種可以提高采煤機(jī)滑靴使用壽命的潛在材料。但是，整體更換滑靴導(dǎo)致成本偏高。戴建平[5]研究了DG09、HD01、HS02和SA03四種不同堆焊材料對(duì)ZG35CrMnSi制成的導(dǎo)向滑靴的耐磨性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HS02耐磨堆焊焊絲有最好的耐磨性能，且進(jìn)一步分析出當(dāng)堆焊材料中Cr與C的成分比值約為8時(shí)耐磨性能較好。然而，采用堆焊的方式修復(fù)滑靴雖加工方便且成本相對(duì)較低，但在實(shí)際中卻達(dá)不到修復(fù)前的工作時(shí)間，故不能從根本上解決導(dǎo)向滑靴存在的磨損問(wèn)題[6]。劉文生等[7]在調(diào)質(zhì)45鋼表面等離子熔覆高鉻鐵基涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層組織中生成的細(xì)小板條馬氏體、碳化物等在一定程度上提高了45鋼承載能力，且熔覆層的抗磨損能力較強(qiáng)，可以基本滿足實(shí)際工況下對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的抗磨要求?？傮w來(lái)看，對(duì)于滑靴耐磨材料的研究多為FeCr基合金，而對(duì)FeNi基合金材料的研究鮮有報(bào)道。此外，大多數(shù)研究只集中于載荷變化對(duì)摩擦磨損性能的影響，而對(duì)摩擦磨損性能隨滑動(dòng)速度變化的研究卻很少。與堆焊等其他表面技術(shù)相比，激光熔覆具有冶金結(jié)合良好和組織致密等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦機(jī)械的零部件修復(fù)與再制造方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，故通過(guò)激光熔覆涂層來(lái)提高采煤機(jī)滑靴的耐磨性有著很大的發(fā)展前景[8-10]。

本文作者采用激光熔覆技術(shù)在45鋼基體表面制備了FeNiMo和FeNiMoSi兩種鐵基合金涂層，對(duì)熔覆涂層在不同載荷和滑動(dòng)速度下的干滑動(dòng)摩擦學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并詳細(xì)闡釋了其磨損機(jī)制，旨在為采煤機(jī)滑靴的表面改性工作提供參考。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)選用Fe粉(純度：99.99%)、Ni粉(純度：99.99%)、Mo粉(純度：99.99%)、Si粉(純度：99.99%)為原料，按表1所示2種涂層材料具體成分配比，使用V型混粉器將粉末混合均勻(時(shí)間：2 h；轉(zhuǎn)速：24 r/min)，并烘干備用。選用45鋼為基材，熔覆前將基體表面拋光至Ra1.2 μm，并用丙酮清洗，然后激光熔覆在其表面分別制備FeNiMo和FeNiMoSi兩種涂層。為便于表述，下文將制備的FeNiMo和FeNiMoSi涂層分別簡(jiǎn)記為FNM和FNMS。

表1 激光熔覆涂層的成分 單位：%

采用陜西中美激光科技有限公司生產(chǎn)的CO2同軸激光熔覆系統(tǒng)(最大功率：2 kW)來(lái)制備涂層，具體的激光熔覆工藝參數(shù)見(jiàn)表2。采用往復(fù)式球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(CFT-I型，蘭州中科凱華公司)測(cè)試涂層的摩擦磨損性能。測(cè)試前先將試樣表面用砂紙逐級(jí)打磨至Ra0.2 μm，并在丙酮中進(jìn)行超聲清洗。測(cè)試條件如下：施加載荷分別為5、10、15和20 N；滑動(dòng)速度分別為0.025、0.033、0.042和0.050 m/s；測(cè)試時(shí)間為20 min；往復(fù)距離設(shè)定為5 mm。試驗(yàn)選用GCr15鋼球作為配副，其直徑和硬度分別為6 mm和751HV。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)條件點(diǎn)分別進(jìn)行3次試驗(yàn)。摩擦因數(shù)值由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)記錄。最后，通過(guò)表面輪廓儀測(cè)算出磨痕截面面積A，并使用以下公式分別計(jì)算出磨損體積V和磨損率W：

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

V=A·L

(1)

W=V/(F·S)

(2)

式中：L為磨痕長(zhǎng)度；F為施加載荷；S為總滑動(dòng)距離。

使用HVS-1000Z型維氏硬度計(jì)測(cè)量涂層的截面硬度(載荷：2.94 N，停留時(shí)間：10 s)，測(cè)試5次并取平均值。采用XRD-6100型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相組成分析。通過(guò)IT-300型掃描電子顯微鏡(SEM)和X-MAX-50型能譜分析儀(EDS)來(lái)觀測(cè)試樣的微觀組織及磨損表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織與硬度

圖1所示為激光熔覆FNM和FNMS涂層的XRD圖譜。可以看出，2種涂層的主要物相基本一致，主要由FeNi3和Fe9.7Mo0.3金屬間化合物相組成。加入Si元素后，F(xiàn)NMS涂層中新生成了FeSi金屬間化合物相，涂層中硬質(zhì)金屬化合物相的均勻分布以及元素的固溶強(qiáng)化作用對(duì)涂層硬度和耐磨性的提升可以起到重要的作用。綜上，F(xiàn)NMS的物相組成主要包括FeNi3、Fe9.7Mo0.3以及FeSi相。

圖1 FNM和FNMS涂層的XRD圖譜

圖2(a)和(b)分別示出了2種涂層橫截面形貌，可以看出，激光熔覆涂層的厚度約1 100 μm；涂層界面處呈蜿蜒狀，且均未出現(xiàn)明顯的孔隙和裂紋，說(shuō)明熔覆質(zhì)量較高，涂層與基體之間的冶金結(jié)合良好。圖2(c)顯示了沿FNMS涂層截面EDS線掃描分析結(jié)果，可以看出，涂層中元素Fe、Ni、Mo和Si在界面處均有一定程度的擴(kuò)散，且存在著過(guò)渡區(qū)；從涂層過(guò)渡到基體，F(xiàn)e元素含量升高，Ni元素和Mo元素含量降低，Si元素含量略微降低，表明未出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。此外，圖中顯示出較短的過(guò)渡區(qū)說(shuō)明了涂層較低的稀釋率[11]。

圖2 涂層橫截面形貌及FNMS涂層界面EDS線掃描分析結(jié)果

圖3顯示了2種涂層試樣沿與涂層垂直方向的顯微硬度分布曲線?？梢钥闯?，硬度分布明顯分為涂層區(qū)、熱影響區(qū)和基體區(qū)，3個(gè)區(qū)域的硬度呈階梯狀分布，且涂層的硬度明顯高于基體。基體和FNM涂層的平均硬度分別為153HV和385HV。FNMS涂層的平均硬度為438HV，即分別為基體和FNM涂層的2.8倍和1.1倍，充分說(shuō)明了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7% Si元素的添加明顯提高了涂層的顯微硬度。一方面是由于Si元素的添加可以起到細(xì)化晶粒的作用，晶粒尺寸的減小使得涂層的強(qiáng)度和硬度得到提高[12]。另一方面，F(xiàn)eSi金屬間化合物的生成進(jìn)一步提高了涂層的硬度[13]。一般情況下，涂層的硬度是衡量其摩擦磨損性能的關(guān)鍵指標(biāo)，故有望使得FNMS具有良好的抗磨損性能。

圖3 FNM和FNMS涂層顯微硬度分布曲線

2.2 摩擦磨損性能

圖4(a)和(b)分別給出了當(dāng)滑動(dòng)速度為0.033 m/s時(shí)，2種涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨施加載荷的變化曲線。可知，隨著載荷的增大，2種涂層的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而磨損率則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，且在任意載荷條件下，F(xiàn)NMS的摩擦因數(shù)及磨損率均小于FNM。當(dāng)載荷較低時(shí)，涂層試樣表面的微凸體不能夠被去除，使得對(duì)摩球與涂層表面接觸面積較小，接觸應(yīng)力較大，故在載荷為5 N時(shí)摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出最大值。隨著載荷的進(jìn)一步增大，試樣表面的微凸體被逐漸磨平，對(duì)摩球與試樣之間的接觸面積增大，同時(shí)加工硬化程度的提高降低了兩接觸面間的黏合作用，最終導(dǎo)致涂層摩擦因數(shù)逐漸減小[7,14]。此外，涂層表面受到的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨之增大，使得涂層中的硬質(zhì)化合物顆粒被剝離，造成了磨損現(xiàn)象加劇，磨損率提高[7,15]。這同樣與Archard的研究結(jié)果相一致。Archard磨損模型由下式給出：

圖4 滑動(dòng)速度為0.033 m/s時(shí)FNM和FNMS涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷的變化

Q=KF/H

(3)

式中：Q為單位滑動(dòng)距離的磨損體積；F為施加載荷；H為材料的硬度；K為磨損常數(shù)。

由式(3)可知，在一般情況下，金屬材料的磨損率與施加的壓力成正比關(guān)系[16-17]。此外，材料的摩擦學(xué)性能與硬度有著密切的聯(lián)系，材料的硬度值一般與其耐磨性成正比關(guān)系[18]。由于FNMS的硬度相對(duì)較高，可以更好地抵抗外部載荷的作用，故FNMS在所有試驗(yàn)載荷下的磨損率均小于FNM，即FNMS涂層在干摩擦條件下顯示出較好的摩擦學(xué)性能。

圖5(a)和(b)分別給出了當(dāng)施加載荷為10 N時(shí)，2種涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動(dòng)速度的變化曲線。

圖5 載荷為10 N時(shí)FNM和FNMS涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動(dòng)速度的變化

由圖5可以看出，隨著滑動(dòng)速度的增大，2種涂層的摩擦因數(shù)均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滑動(dòng)速度從0.025 m/s增長(zhǎng)到0.033 m/s時(shí)，摩擦因數(shù)隨之增大；而當(dāng)滑動(dòng)速度超過(guò)0.033 m/s時(shí)，摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增大逐漸減小。這是由于隨著滑動(dòng)速度的不斷增加，摩擦表面的溫度逐漸升高，材料軟化現(xiàn)象變得嚴(yán)重，造成了材料強(qiáng)度的降低，故摩擦因數(shù)迅速下降[19-20]。此外，由于摩擦熱的作用溫度不斷升高，磨損表面發(fā)生明顯的氧化作用，生成的氧化物由于具有一定的潤(rùn)滑作用，進(jìn)一步促進(jìn)了摩擦因數(shù)的減小。然而，由于亞表面FNM基體材料硬度相對(duì)較低，使得摩擦層不連續(xù)且結(jié)合強(qiáng)度低，極易受到對(duì)摩球的剪切作用而破裂。氧化摩擦層不斷被生成和破壞，如此反復(fù)，使得涂層的磨損率升高，故FNM的磨損率在0.033 m/s后出現(xiàn)上升趨勢(shì)[21]。而FNMS具有相對(duì)較高的硬度，表面形成的氧化摩擦層不容易被破壞，在一定程度上減少了對(duì)摩球和試樣表面的直接接觸，故磨損率呈現(xiàn)一直下降的趨勢(shì)[22]。

2.3 磨損機(jī)制

圖6給出了在載荷為20 N，滑動(dòng)速度為0.033 m/s條件下2種涂層的磨損表面形貌。可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NM涂層表面出現(xiàn)了犁溝和嚴(yán)重的塑性變形，并有大量的磨屑附著在表面(見(jiàn)圖6(a))，呈現(xiàn)出典型的磨粒磨損特征。在大載荷作用下，接觸表面的微凸體發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，之后被迅速磨平，導(dǎo)致了磨粒的產(chǎn)生，這些可以自由運(yùn)動(dòng)的磨粒進(jìn)一步加重了對(duì)接觸表面的犁削作用，從而造成了犁溝和塑性變形，并產(chǎn)生大量磨屑，磨損被進(jìn)一步加劇[22]。然而，由于FNMS涂層硬度相對(duì)較高，故其磨損表面相對(duì)比較平整(見(jiàn)圖6(b))，表面只有較少的磨屑和輕微的塑性變形，表明了涂層抗磨粒磨損的能力較強(qiáng)。此外，可以發(fā)現(xiàn)FNMS涂層磨損表面有不完整的片狀磨屑層的出現(xiàn)，這是由于在往復(fù)循環(huán)作用下，部分磨屑被反復(fù)碾壓后發(fā)生黏著所形成的，它在一定程度上減輕了磨損過(guò)程中對(duì)摩球和磨損表面的直接接觸，從而使磨損率相對(duì)較小[23]。此外，圖7中對(duì)磨損表面EDS分析的結(jié)果證明了表面出現(xiàn)了氧化反應(yīng)，生成的氧化層同樣是導(dǎo)致摩擦因數(shù)隨載荷增大而下降的原因之一[24]。綜上，F(xiàn)NM和FNMS涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形及輕微的氧化磨損。

圖6 載荷20 N、速度0.033 m/s下FNM和FNMS涂層的磨損形貌

圖7 FNM和FNMS涂層磨損表面EDS分析結(jié)果(20 N、0.033 m/s)

圖8給出了2種涂層在載荷為10 N，滑動(dòng)速度為0.05 m/s的條件下的磨損表面形貌?？梢悦黠@看出，F(xiàn)NM涂層磨損表面堆積了大量的磨屑以及沿運(yùn)動(dòng)方向的犁溝痕跡，甚至出現(xiàn)大的磨屑顆粒，這是顯著的磨粒磨損特征。在較高的滑動(dòng)速度下，材料表面產(chǎn)生的摩擦熱增多，導(dǎo)致材料變得軟化，硬度降低，磨損變得嚴(yán)重。此外，由涂層磨損表面的EDS分析結(jié)果可知(見(jiàn)圖9)，摩擦熱的增加促進(jìn)了涂層磨損表面的氧化，加劇了氧化磨損，且氧化物磨屑主要成分應(yīng)為氧化鐵[25]。然而，由于FNM涂層的承載能力較低，氧化摩擦層極不穩(wěn)定，很容易脫落，在氧化作用及往復(fù)作用下不斷地形成和被破壞，造成了表面磨屑的堆積。同時(shí)形成的氧化物磨屑促進(jìn)了三體磨損，使得涂層表面變得越來(lái)越粗糙[4,21,23]。然而，由于FNMS具有較高的硬度，表面形成的摩擦層破壞程度相對(duì)較輕，仍具有良好的減摩作用，可以很好地保護(hù)涂層表面，故表面只有相對(duì)較少的磨屑及輕微的塑性變形。綜上，F(xiàn)NM和FNMS涂層在該條件下的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形以及氧化磨損。

圖8 載荷10 N、速度0.05 m/s下FNM和FNMS涂層的磨損形貌

圖9 FNM和FNMS涂層磨損表面EDS分析結(jié)果(10 N、0.05 m/s)

圖10所示為載荷20 N，滑動(dòng)速度0.033 m/s下2種涂層對(duì)應(yīng)的GCr15對(duì)摩球的表面磨損形貌?？芍?，2個(gè)對(duì)摩球磨損體積相差不大。在較高載荷作用下，涂層表面受到的正應(yīng)力及剪切應(yīng)力均增大，加速了磨損表面磨屑的生成，產(chǎn)生的磨屑存在于涂層和對(duì)摩球之間，造成了三體磨損，使得對(duì)摩球表面出現(xiàn)輕微的犁溝痕跡和塑性變形，故GCr15對(duì)摩球在該條件下的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。

圖10 載荷20 N、速度0.033 m/s時(shí)與FNM和FNMS涂層對(duì)摩后GCr15球的磨損形貌

3 結(jié)論

(1)采用激光熔覆技術(shù)設(shè)計(jì)制備了FeNiMo和FeNiMoSi兩種涂層，涂層的組織致密且冶金結(jié)合良好。FeNiMo涂層的物相為FeNi3和Fe9.7Mo0.3，而FeNiMoSi涂層主要包括FeNi3、Fe9.7Mo0.3和FeSi相。此外，F(xiàn)eNiMoSi涂層的平均硬度為438HV，約為基體硬度的2.8倍和FeNiMo涂層的1.1倍。

(2)總體上看，2種涂層的摩擦因數(shù)均隨滑動(dòng)速度和載荷的增大而逐漸減小，磨損率隨著載荷的增大逐漸升高。FeNiMo涂層的磨損率隨著滑動(dòng)速度的增大先下降后上升，而FeNiMoSi涂層的磨損率隨著滑動(dòng)速度的增大逐漸下降。

(3)在高載荷條件下，涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、塑性變形及輕微的氧化磨損，而在高速條件下主要為磨粒磨損、塑性變形和氧化磨損。

(4)與FeNiMo涂層相比，F(xiàn)eNiMoSi涂層具有較好的摩擦磨損性能，適合作為采煤機(jī)滑靴抗磨涂層。這主要與Si元素的細(xì)晶強(qiáng)化作用、涂層中FeSi硬質(zhì)相的強(qiáng)化作用以及高速條件下摩擦表面的氧化摩擦層有關(guān)。