截齿镍基钴包碳化钨激光熔覆涂层磨损性能研究

第３５卷第１期　２０１５年０２月　矿　冶　工　程　ＭＩＮＩＮＧ　ＡＮＤ　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ１　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１　５　截齿镍基钴包碳化钨激光熔覆涂层磨损性能研究①　杨　盼　，王２３５０００）　琪　，马丹丹　，赵晓冲　（１．表面物理与化学重点实验室，四川绵阳６２１９０７；２．中国矿业大学（北京）材料系，北京１０００８３；３．安徽矿业职业技术学院机械工程系，安徽淮北　摘要：为解决掘进机截齿的磨损失效问题，在截齿表面激光熔覆高耐磨的镍基（Ｎｉ）钴包碳化钨（ＷＣ—Ｃｏ）涂层。以４２ＣｒＭｏ钢为　基体，Ｎｉ６０Ｂ商用粉末为粘结相，纳米ＷＣ．Ｃｏ为增强相，激光熔覆获得ＷＣ—Ｃｏ陶瓷颗粒增强Ｎｉ基复合涂层。利用ＭＭ２００环块磨损　试验机，测试熔覆涂层在干摩擦和水摩擦环境下的耐磨性能。采用显微硬度计测量涂层磨损前后的表面硬度，电子扫描显微镜　（ＳＥＭ）、能谱仪（ＥＤＳ）等观察熔覆涂层磨损前后的显微组织结构和成分变化。结果表明，激光熔覆涂层可以提高截齿的耐磨性能，　磨损后熔覆层中的细小析出相起到了弥散强化作用，熔覆层的表面显微硬度提高了１０％。相同磨损条件下，干磨损涂层硬度高于　水磨损涂层硬度。　关键词：磨损；激光熔覆；钴包碳化钨；涂层　中图分类号：ＴＤ４２１．５　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—６０９９．２０１５．０１．０３１　文章编号：０２５３—６０９９（２０１５）０卜０１１６—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ－ｃｌａｄｅｄ　Ｎｉ－ｂａｓｅｄ　ＷＣ－Ｃｏ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｏｎ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｔｅｅｔｈ　ＹＡＮＧ　Ｐａｎ　，ＷＡＮＧ　Ｑｉ　，ＭＡ　Ｄａｎ．ｄａｎ　，ＺＨＡＯ　Ｘｉａｏ—ｃｈｏｎｇ　（１．Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１９０７，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｏ＇ｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｂｅｉｉｆｎｇ，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｂｅｉ　２３５０００，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ａ　Ｎｉ—ｂａｓｅｄ　ＷＣ－Ｃｏ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｎ　ＴＢＭ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｅｔｈ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｏｕｔ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｗｉｔｈ　Ｎｉ６０Ｂ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｉｎｄｉｎｇ　ｐｈａｓｅ．ＷＣ—Ｃ０　ｃｅｒａｍｉｃ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｎｉ—　ｂａｓｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｃｌａｄｅｄ　ｏｎ　４２ＣｒＭｏ　ｓｔｅｅｌ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．Ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ＭＭ２００　ｒｉｎｇ．ｂｌｏｃｋ　ｗｅａｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎ　ｄｒｙ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｓｕｒｆａｃｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｎ　ｏｎｅｓ　ｗｅｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｔｅｓｔｅｒ．ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒＩＢＳ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ＳＥＭ　ａｎｄ　ＥＤＳ．Ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｅｔｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｌａｓｅｒ—　ｃｌａｄｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇｓ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｔｉｎｙ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｎ　ｃｌａｄｅｄ　ｌａｙｅｒｓ　ｄｉｓｐｌａｙｓ　ａ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｙｅｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　１０％．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｗｅａｒｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ａｆｔｅｒ　ｄｒｙ　ｗｅａｒ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｏｓｅ　ａｆｔｅｒ　ｗｅｔ　ｗｅａｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｒ；ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ；ＷＣ－Ｃｏ；ｃｏａｔｉｎｇｓ　掘进机是开凿平直地下巷道的机械设备，用于煤　矿井下巷道、铁路隧道、公路隧道、矿山巷道的掘进环　加可靠性　Ｊ。激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆　材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面　节。截齿安装在截割头齿座上，是破碎煤岩的刀具。　工作过程中，截齿要承受较高的压应力、剪切应力和冲　击负荷，磨损速率较快¨　。随着工作时间增加，截齿　薄层熔凝，在基体表面形成耐磨、耐蚀、耐热或抗氧化　的熔覆层　Ｊ，从而达到表面改性或修复的目的，既满　足了材料表面的性能要求，又节约了材料　。在涂覆　层中添加微量的纳米材料，能大幅度提升涂覆层的机　械性能　’　。　温度升高，出现疲劳软化，磨损加剧，最终导致截齿的　磨损失效　Ｊ。激光熔覆表面强化是提高截齿耐磨性　能的有效手段，可以提高截齿的疲劳强度和耐磨性能，　进而改善掘进机的性能与质量，提高设备使用寿命，增　①收稿日期：２０１４—０８—２１　Ｓｃｈｗｅｔｚｋｅｒ等人最先采用热喷涂法制备了ＷＣ—Ｃｏ　纳米涂层，实验证明ＷＣ一１２Ｃｏ和ＷＣ．１５Ｃｏ具有良好的　作者简介：杨盼（１９８５－），女，河南周口人，工程师，硕士，主要从事纳米薄膜与合金涂层材料的研究。　通讯作者：赵晓冲（１９８５－），男，河北石家庄人，副研究员，博士，主要从事纳米薄膜与新型能源材料的研究。　第１期　杨　盼等：截齿镍基钴包碳化钨激光熔覆涂层磨损性能研究　［５］Ｈｕ　Ｂ，Ｈｕ　Ｆ　Ｙ，Ｈｕａｎｇ　Ｘ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　析出提供了驱动力，析出较多的新相弥散分布在基体　中。水磨损过程中，水起到润滑和降温的作用，减少了　摩擦力的同时带走了部分热量，导致析出相减少，熔覆　层硬度低于干磨损时的硬度。　ｐｒｏｐｅ￣ｙ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｏｎ　ＧＨ７１０［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ，２０１２，４７９—４８１：８８—９２．　［６］Ｘｕ　Ｐ，Ｌｉｎ　Ｃ　Ｘ，Ｚｈｏｕ　Ｃ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｗｅａｒ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ＡＩＳＩ　３０４　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ／Ａ１２　Ｏ３　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｓｕｒ—　ｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，２３８：９—１４．　３结　论　［７］　Ａｎａｎｄｋｕｍａｒ　Ｒ，Ａｌｍｅｉｄａ　Ａ，Ｃｏｌａｃｏ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｅａｔ＂　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄ　ＡＩ－Ｓｉ／ＳｉＣ（Ｐ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２０１：９４９７—９５０５．　１）激光熔覆ＷＣ．Ｃｏ增强Ｎｉ基复合涂层中，分布　有许多细小的树枝状晶和块状物，是过饱和熔覆层在　冷却过程中的析出组织。　２）磨损后，ＷＣ．Ｃｏ颗粒周围弥散分布的小白圆颗　粒是析出相，析出相的弥散强化作用增加了涂层的显　微硬度。　［８］胡明福．激光熔覆技术应用于掘进机截齿的研究［Ｊ］．煤矿机电，　２０１１（６）：４５—４７．　［９］　Ｓｃｈｗｅｔｚｋｅ　Ｒ，Ｋｒｅｙｅ　Ｈ．Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓ　ｏｆ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｅａｒ－　ｂｉｄｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｓｐｒａｙｅｄ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｈｉｇｈ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｘｙｇｅｎ　ｆｕｅｌ　ｓｐｒａｙ　ｓｙｓ－　ｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｐｒａｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，８（３）：４３３－４３９．　３）磨损后熔覆层的表面显微硬度高于磨损前的　［１Ｏ］　曹洪治，陈华辉，张文欣．ＷＣ粒度对Ｎｉ基合金摩擦磨损性能的　影响［Ｊ］．润滑与密封，２０１２，３７（２）：７９—８２．　［１１］徐采云．激光熔覆ＷＣ／Ｎｉ基合金复合涂层的组织结构及磨损诱　硬度，在相同载荷、相同磨损距离条件下，涂层干磨损　后的硬度高于水润滑磨损后的硬度。　参考文献：　［１］高［２］　陈英．煤矿用截齿失效研究现状及发展趋势［Ｊ］．装备制造技　平，张厚安，唐果宁，等．ＭｏＳｉ２／ＣｒＷＭｎ钢干摩擦磨损特性及　发相变［Ｄ］．北京：中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，　２００６．　［１２］　许晨阳，杨　盼，刘彩梅，等．ＡＺ９１Ｄ镁合金表面激光熔覆　Ａ１６０Ｓｉ４０涂层研究［Ｊ］．表面技术，２００９，３８（６）：２１—２３．　［１３］Ｓｏｈｉ　Ｍ　Ｈ，Ｇｈａｄａｍｉ　Ｆ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｔｉｆｂｏｌｏｇｉｅａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｉｒ　ｐｌａｓｍａ　ｓｐｒａｙｅｄ　ＷＣ一１２％Ｃｏ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｖｅｒｓｕｓ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｈａｒｄ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｅｌｅｃ—　术，２ｏｌｏ（９）：１０７—１０９．　磨损机理的研究［Ｊ］．矿冶工程，２００２，２２（４）：１０３—１０５．　［３］齐占波，穆松柏，高顺武．掘进机截割部的设计研究［Ｊ］．煤矿机　械，２０１３，３４（１２）：卜２．　ｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１０，４３（５－６）：８８２—８８６．　［１４］　Ｓａｎｃｈｅｚ　Ｅ，Ｂａｎｎｉｅｒ　Ｅ，Ｓａｌｖａｄｏｒ　Ｍ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｐｌａｓｍａ－ｓｐｒａｙｅｄ　ＷＣ—Ｃｏ　［４］孙方红，马壮，董世知．矿用截齿表面强化技术［Ｊ］．金属热处　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｐｒａｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，１９（５）：　９６４—９７４．　理．２０１１，３６（１１）：９９—１０２．　中国五矿集团公司矿产资源－ｉｍｒ＇￣ｔｒ实验室揭牌　２０１４年１２月２３　Ｅｔ上午，由长沙矿冶研究院有限责任公司和五矿勘察开发技术公司共建的中国五　矿集团公司矿产资源评价实验室正式揭牌。中国五矿集团公司总裁助理、矿产资源部总经理、勘查公司　总经理王炯辉，勘查公司总工陈凌云，长沙矿冶研究院有限责任公司总经理杨应亮、副总经理李茂林，五　矿集团勘查公司、长沙院资源所、工程公司、分析检钡４中心等相关单位代表参加了揭牌仪式。　揭牌仪式上杨应亮总经理对王炯辉总经理、陈凌云总工一行远道而来参加这次揭牌仪式表示感谢，　对集团公司及勘查公司和长沙矿冶研究院有限责任公司长期以来的紧密合作进行了回顾，对双方共建　的矿产资源评价实验室平台推动今后双方合作寄予厚望。杨应亮总经理表示，共建矿产资源实验室在　长沙矿冶院历史悠久的研究大楼前揭牌，在周行健老院长的注视下，必将取得累累硕果。　王炯辉总经理高度评价了本次合作的重大意义，这也是双方开展更加广泛更深层次合作的开始，通　过双方优势高度融合，必将产生更多创新成果，进一步推进集团公司资源勘查业务发展。　实验室的揭牌，昭示着长沙矿冶研究院有限责任公司和勘查公司的合作走向更深层次。勘查公司　在矿产资源勘查开发和矿业项目运作方面具有较强的综合实力，长沙矿冶研究院有限责任公司在矿产　资源分析测试和选冶试验研究及技术经济评价方面具有良好的基础条件，共建实验室的揭牌，是合作双　方对中国五矿集团公司“不断增强发展质量效益，坚定不移地走高端发展、绿色发展和创新发展之路”　战略决策的进一步落实。