为了研究模具钢熔覆层的磨损性能， 采用铁基粉在40Cr钢表面进行激光熔 覆，以激光熔覆层为上试样，GCr15 钢珠为下试样，采用HT—500磨损试 验机进行摩擦磨损实验，并与40Cr基
体的磨损性能相对比，利用表面形貌 仪测量磨痕深度和宽度。
基 体 材 料 为 40Cr ， 正 火 态 ， 试 样 制 成 直 径 50mm、高10mm的圆盘；对磨材料为GCr15， 由于铁基合金粉末与40Cr钢具有较好的相容性， 激光熔覆材料采用铁基合金粉末。
由于激光熔覆技术在激光熔覆理论、 物理数学 模型，合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究, 设备自动化、柔性化、熔覆过程监控，专用功能部 件研制以及生产应用等方面取得了重要进展。因此， 激光熔覆技术不仅引起西方各国的注意，同时也受 到了国内的广泛重视，被广泛地应用于航天、汽车、 石油、化工、冶金、电力、机械、工模具和轻工业 等领域。比如以这样的一个实验为例说明激光熔覆 技延长发生显 著的变化。从图4(b) 可见：当载荷为400 g, 磨损 时间超过35min后，摩擦系数随磨损时间的增加 而逐渐增大，呈现上升的趋势；当载荷增加到 500 g 时，摩擦系数较大，比300 g 时的摩擦系数 增加了75%, 而平均摩擦力约为原来的2. 9倍；当 时间达到40 min 后才进入稳定磨合期；当接近60 min 时，摩擦系数急剧变化，表明磨损过程已进 入严重磨损阶段，整个磨损过程不平稳。
载荷小于250g时，相同载荷下，基体的摩擦系数 小，这是由于正火态下的40Cr 钢正火组织具有较 好强度和硬度，具有较好的耐磨性能。在进行激
光熔覆之后，由于残余奥氏体影响抗磨损能力，
在低应力磨损下，残余奥氏体没有显著的加工硬 化，耐磨损性能较低，故载荷低于250 g 时， 残 余奥氏体使得磨损性能下降，摩擦系数反而较基
以GCr15 钢珠和40Cr 钢表面熔覆层为配副的磨 损试验结果见表3。不同载荷下摩擦系数随时 间变化的曲线图见图4。图4(a) 表示的是进入 正常磨损期最后10 min 摩擦系数的变化规律。 在相同的磨损时间内，载荷变化范围100~300 g。随着载荷的增加，摩擦系数逐渐降低，磨 损后期摩擦系数平均值由1.754 降低到0.444, 降低了74. 7%，摩擦力的平均值由1. 754 N降低 到1.332 N，降低了24%。图4(a) 还表明：除 100 g 载荷之外，随着磨损时间的增加，摩擦 系数均呈现下降的趋势，而且当载荷为300g时， 摩擦系数下降的幅度最大，磨损过程非常平稳。
经过激光熔覆之后300 g 载荷时的磨 痕深度为1. 096 微米, 而500 g 时的磨 痕深度已达52. 706微米，增加了47 倍，宽度增加了45. 4%。300 g 和500 g 载荷下的磨痕形貌曲线经过表面轮 廓仪测量分别如图5(a) 、(b) 所示。 300 g 载荷时由于摩擦系数小，产生
了较轻的磨损，其磨痕形貌不规则。 而500 g 载荷下磨痕形貌比较规则， 呈现类似抛物线形状。
激光熔覆是一种快速熔化、扩展和凝固的
过程。以铁基合金粉末为熔覆材料的强化
层显微组织特征是以细小的共晶莱氏体为 基底，上面分布着先共晶渗碳体, 是一种凝 固组织，其强化层中不仅含有大量的合金
渗碳体，而且还有马氏体、残余奥氏体和 原位析出的颗粒。40Cr 基体的表面磨损试 验，其进入磨合期最后10min 的图形如下图 所示。
体的大；在高应力磨损下，应力诱发奥氏体向马
氏体转化，残余奥氏体因能显著加工硬化而改善 耐磨性, 故载荷为300 g 时, 熔覆层的摩擦系数变 得最小，且过程平稳，表现了很好的耐磨性。而 基体在300 g 载荷时的摩擦系数有稍微上升趋势， 略大于熔覆层时的摩擦系数。
当载荷为400g的时候，经过35min的磨损， 熔覆层的摩擦系数逐渐升高，耐磨性能下
采用WYKO NT 1100 型光学表面轮廓仪测量 磨痕的深度和宽度, 每点间隔3微米，测量 数据点数根据磨痕宽度随机生成。在计算 机上使用OriginPro软件完成磨痕断面曲线的 精确还原, 再与初始表面拟合，最终利用 OriginPro编程计算出径向磨痕宽度和深度， 并以磨痕宽度和深度作为磨损量的评定标
降。因此熔覆层比基体更有利的磨损载荷 范围是300 g。当载荷达到500g时，其产生 的应力已超过材料的屈服极限，在滑动摩
擦过程中材料发生了撕裂，产生了很多碎 屑, 从图5(b) 看出此时的磨痕宽度和深度都 大幅上升，磨损性能急剧下降。此试验说
明使用价格便宜的铁基合金粉末进行激光 熔覆，可以达到或超过原有40Cr钢的力学性 能。
准，以摩擦系数的大小作为摩擦力大小的
标志。本试验以进入正常磨损后至结束前 ( 10 min) 的数据列出摩擦系数的变化范围和 摩擦系数的平均值。
在激光熔覆层磨损性能的研究中，熔覆层 的制备是非常关键的一环，激光输出一定 要稳定，光斑能量分布要均匀，本试验预 涂粉末高度约1 mm、宽度约2 mm，经过反 复试验获得激光熔覆的各项工艺参数设置 如表1。熔覆层示意图如图2，其结构细致、 紧密。如参数设置不当，例如粉末高度太 高或扫描速度太快则极易在表面发生裂纹、 孔洞等缺陷，下图所示为产生的气孔。
采用LWS—300WC系列脉冲Nd；YAG激光器， 激光工艺参数见下表1。基材表面用砂轮打磨 平整，使之有一定的粗糙度，以利于与铁基合 金相结合。在基材表面预涂上一层铁基粉末， 激光熔覆处理后再采用接塔的方法扩大熔覆的 面积，制备成大约宽20mm、长40mm的熔覆 层。对熔覆层表面进行精磨、抛光处理。