Page 59 - 《摩擦学学报》2021年第6期

844 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

comparative study on the microhardness and wear behavior of pure Fe60 alloy coating, WC reinforced Fe-based coating
and M 23 C 6 -WC dual-carbide reinforced Fe-based coating was conducted. Experimental results showed that M 23 C 6 -WC
dual-carbide reinforced Fe-based coating was mainly composed of dendritic matrix α-Fe, reinforcing phases W, WC and
M 23 C 6 . M 23 C 6 carbide was distributed in the inter-dendritic region with a continuous network structure, and block-
shaped WC particles grew with the residual W as a nucleation core and distributed in the coating. Combined to the
microstructure and thermodynamic calculation results, the solidification process in the M 23 C 6 -WC dual-carbides
reinforced Fe-based coating during laser cladding process was liquid+W→liquid+W+WC→liquid+W+WC+γ-(Fe, Ni)
dendrite→WC+W+γ-(Fe, Ni) dendrite+M 23 C 6 →WC+W+α-Fe dendrite+M 23 C 6 . The average microhardness of M 23 C 6 -
WC dual-carbide reinforced Fe-based coating was about 835.3 HV 0.5 , which was 230 HV 0.5 and 180 HV 0.5 higher than
that of pure Fe60 alloy coating (604.6 HV 0.5 ) and WC-reinforced Fe-based coating (658.9 HV 0.5 ), respectively.
−6 3
Furthermore, the wear rate of M 23 C 6 -WC dual-carbide reinforced Fe-based coating was about 3.44×10 mm /mN, which
−5 3
was about 24.7 and 2.3 times lower than that of pure Fe60 alloy cladding [8.51×10 mm /(N·m)] and WC reinforced Fe-
−6 3
based coating [7.98×10 mm /(N·m)], respectively.
Key words: laser cladding technology; M 23 C 6 -WC dual-carbides; thermodynamic; solidification process

[17]
16Mn钢以其合适的强度和韧性、设计应力允许 得到显著的提升. Farayibi等 对预混合的Ti-6Al-4V/WC
及来源广泛等优点，曾经被大量用于制造煤矿机械的 粉末进行了激光熔覆，与Ti-6Al-4V基材相比，能够获
关键零部件，如刮板输送机的中部槽、挖掘机铲斗和 得更加均匀的熔覆层，涂层中的WC颗粒均匀分布，并
采煤机截齿等. 然而，16Mn的硬度较低，耐磨性差，用 能够改善机械性能. 以上的研究均表明，WC增强的激
其制造的零部件在煤矿开采过程中，长时间摩擦势必 光熔覆涂层均具有高的硬度和良好的抗摩擦磨损性
会造成其表面严重磨损而失效. 轻则会降低煤矿开采 能. 然而，该类涂层承受短时间的摩擦副磨损时，抗摩
效率，重则引发灾难性事故. 因此，可以采用表面改性 擦磨损效果较好，处于长时间剧烈的摩擦磨损环境下
技术在零件表面沉积高性能涂层，提高零件的抗磨损 时，由于WC与合金基体之间的硬度差异非常大，WC

能力，从而有效增加零件的使用寿命和煤矿开采的安 抗塑性变形能力优异，而软质合金基体抗塑性变形能
全性. 据报道，传统的表面改性技术包括磁控溅射 [1-3] 、 力较差. 因此，涂层在摩擦磨损过程中，合金基体会发
[6]
[5]
[4]
热喷涂 、化学气相沉积 和物理气相沉积 等. 然而， 生严重的塑性变形导致材料的严重损失，而WC将在
传统表面技术制备出的表面涂层与工件表面是物理 磨损表面暴露凸起. 在交变应力作用下，WC与基体结
结合，在高载荷的摩擦环境下，涂层易于与工件表面 合处将出现疲劳裂纹，裂纹拓展最终引起WC剥落. 剥
脱离，改性效果不明显. 激光熔覆是近年来发展起来 落的WC颗粒存在于涂层表面和摩擦副的间隙中并起
的新型表面改性技术，它的工作原理是通过高功率密 到硬质磨粒的作用，对涂层产生更为严重的磨粒磨
度能量的激光束热源将成分不同、性能各异的合金粉 损，使得该类涂层的抗摩擦磨损能力急剧下降.
末和基体表层材料瞬间熔接，在基体表面快速凝固生 鉴于单相WC增强合金涂层存在的缺陷，本文作
成与其基体材料组织性能和成分组成均不相同却又 者采用激光熔覆技术原位合成M C -WC双相碳化物
23 6
与基体形成冶金结合的熔覆层 [7-9] . 与传统表面强化技 协同增强合金涂层. M C 复合碳化物生长成网状结
23 6
术相比，激光熔覆制备的涂层具有组织致密细小、应 构存在于晶界处形成熔覆层的硬质骨架，有效增加了
力变形小、缺陷少以及与基材呈紧密的冶金结合等优 合金基体的抗塑性变形能力. WC呈块状颗粒弥散分
点. 因此，激光熔覆技术在工业生产上得到广泛推广 布在涂层基体中，有效抵制摩擦副表面硬质凸点的微
与应用 [10-13] . 切削作用. M C 和WC两种硬质碳化物的协同作用能
23 6
近年来，国内外学者研究开发了WC增强激光熔 更加有效地增加熔覆层的耐磨性. 在未来的研究中，
覆涂层. WC具有较高的硬度(在5 N载荷下的维氏硬 开发出多个硬质相协同增强激光熔覆涂层将会成为
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度为16~22 GPa)、断裂韧性(28 MPa ·m )、熔点(2 850 ℃) 主流趋势.

和较低的摩擦系数以及与金属良好的润湿性 [14-15] ，因
1 试验部分
此采用WC作为激光熔覆层的增强相应用在恶劣的摩
[16]
擦磨损环境中是比较合适的. Wang等 制备了WC增 1.1 材料及涂层制备
强镍基合金涂层，该涂层的硬度和耐磨性相比Ti基体 将16Mn钢用作熔覆基材，并通过线切割将其切