楊文選,王 玥,郭玲玲,李佳樂,徐 超

(1.西安思源學(xué)院,陜西 西安 710038;2.西安科技大學(xué)機械工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

1 引 言

激光熔覆技術(shù)是一種針對零件表面改進(jìn)的工藝方法,可以對廢舊零件進(jìn)行修復(fù)改造。簡化和零件制造的過程,可以使經(jīng)濟效益最大化,并且是減少資源消耗和環(huán)境污染少的先進(jìn)制造方法,也是符合國家可持續(xù)發(fā)展的一項綠色系統(tǒng)工程[1-3]。按照材料的形狀不同可分為激光粉末熔覆和激光絲材熔覆。絲材熔覆和粉末熔覆相比,絲材熔覆不僅材料利用率高,而且效率高、環(huán)境污染少,是一種極具潛力的熔覆技術(shù),因此對該工藝的研究具有重要意義[4-6]。

譚米雪等人[7]通過激光送粉熔覆技術(shù)在316L不銹鋼表面制備了高速鋼涂層,研究了送粉速度和掃描間距對熔覆層性能的影響。安相龍等人[8]利用Ansys軟件分別建立了具有30 %,40 %,50 %,60 %,70 %搭接率的多道熔覆模型,研究了搭接率對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。Wen等人[9]采用ER41ONiMo線光纖激光在馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520B表面熔覆了多道熔覆層,優(yōu)化了工藝參數(shù),研究了熔覆層表面、稀釋率等變化規(guī)律。王涵等人[10]采用激光絲材熔覆技術(shù),以316 L不銹鋼絲材為原材料,研究了不同搭接率對熔覆層表面形貌的影響。周勇等人[11]采用激光熔覆技術(shù)研究了不同搭接率對316L熔覆層晶粒生長取向和耐蝕性能的影響。朱明冬等人[12]采用激光熔覆技術(shù)才304 LN不銹鋼表面制備了Stellite 6鈷基熔覆層,研究了工藝參數(shù)對熔覆層組織與性能的影響。楊思瑞等人[13]采用激光熔覆技術(shù)在45#鋼表面熔覆鐵基合金粉末,研究了激光功率、掃描速度和送粉速率對熔覆層性能的影響。郭衛(wèi)等人[14]采用激光熔覆技術(shù)在27 SiMn表面熔覆304不銹鋼,研究了不同掃描速度對多層熔覆層力學(xué)性能的影響。

本文采用新工藝方法激光-電復(fù)合絲材熔覆技術(shù),利用焦耳熱使絲材達(dá)到一定的溫度,再利用激光將絲材送入熔池完成熔化。該方法不僅可以提高材料利用率,而且可以降低能量損耗。本文采用該方法在45#鋼上制備630不銹鋼熔覆層,主要研究進(jìn)給距離對熔覆層微觀組織、硬度以及耐磨損性能的影響。本工藝方法的研究對零件修復(fù)領(lǐng)域具有指導(dǎo)意義。

2 實驗材料與檢測方法

2.1 實驗方法與材料

基材采用45#鋼,熔覆前表面精加工,用酒精清洗,自然晾干。熔覆材料為φ1.2 mm的630不銹鋼絲,成分如表1所示。熔覆設(shè)備原理如圖1所示,送絲方式為同軸側(cè)向送絲,實驗在氮氣保護下進(jìn)行。材料與基體接觸,發(fā)生短路,產(chǎn)生的熱量對絲材進(jìn)行預(yù)熱,隨后進(jìn)入熔池完全融化,形成修復(fù)層。熔覆工藝參數(shù):激光功率2400 W、熔覆速度50 mm/s、送絲速度:62.5 mm/s、光斑大小2 mm、電流大小160 A,進(jìn)給距離為熔覆層環(huán)形纏繞在基體上的螺距,分別設(shè)進(jìn)給距離為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm,4種工藝參數(shù)下的修復(fù)層分別標(biāo)記為a～d。

表1 630不銹鋼焊絲化學(xué)組成成分

圖1 激光絲材熔覆原理圖

2.2 組織性能測試

將熔覆層制成10×10×15 mm的,對試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光,采用Vilella試劑(1 g苦味酸+5 ml HCI+100 ml酒精)對試樣表面腐蝕15 s,采用金相顯微鏡對熔覆層進(jìn)行觀察。用HV-1000顯微硬度計測量其顯微硬度,施加載荷9.8 N持續(xù)15 s,依次從修復(fù)層向基體方向打點,間隔選取為200 μm。采用往復(fù)式摩擦磨損實驗機在常溫進(jìn)行干摩擦磨損實驗,采用φ6氮化硅研磨球,載荷設(shè)為80 N,往復(fù)摩擦1800 s,頻率2次/s。用電子秤測量熔覆層的磨損質(zhì)量損失,采用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察其微觀組織及磨損形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 修復(fù)層宏觀形貌分析

本節(jié)將0.8～1.4 mm的進(jìn)給距離范圍分為4個水平,分別為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm,圖2(a)～(d)為不同進(jìn)給距離下熔覆層的截面和表面形貌,明顯可以看出,熔覆層表面形貌存在顯著差異,進(jìn)給距離提升,熔覆層寬度增加。進(jìn)給距離為0.8 mm和1.0 mm時,結(jié)合面較平整,隨著進(jìn)給距離增加,結(jié)合面呈現(xiàn)出波浪狀條紋,是由于進(jìn)給距離超過了熔池寬度。隨著進(jìn)給距離的加大,熔覆層道與道之間的縫隙逐漸增大,不同參數(shù)下熔覆層表面均有較小的雜質(zhì)小顆粒。

圖2 修復(fù)層形貌圖

表2為4組工藝參數(shù)下熔覆層厚度,進(jìn)給距離增加,熔覆層厚度減小。是由于單位時間材料補給量固定,進(jìn)給距離增加,熔覆層高度降低,進(jìn)給距離為0.8 mm時,熔覆層平均厚度為1772.14 m,進(jìn)給距離為1.4 mm時,熔覆層厚度為987.34 m。

表2 不同進(jìn)給距離熔覆層厚度

3.2 修復(fù)層的微觀組織分析

由結(jié)晶生長理論可知,結(jié)晶狀態(tài)與固-液界面的溫度梯度G與冷卻速度R的平方根比值有關(guān)。隨著值的降低,晶粒的生長方式從胞狀生長逐漸變?yōu)橹鶢罹?、柱狀枝晶和自由樹枝晶[15-16]。圖3(a)～(d)對應(yīng)為進(jìn)給距離為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm下熔覆層中部的微觀組織,熔覆層組織為等軸晶或等軸晶與柱狀晶的混合組織,整體來看,組織比較混亂,是因為激光熔覆時重復(fù)加熱,組織不斷進(jìn)行重熔再結(jié)晶。

圖3 修復(fù)層的微觀組織

3.3 修復(fù)層顯微硬度的分析

圖4為不同進(jìn)給距離熔覆層的硬度變化,和基體相比,硬度得到了很大提升,不同參數(shù)下硬度值分布較平穩(wěn)。圖5為平均硬度,進(jìn)給距離為0.8 mm時,平均硬度值為204.08 HV,進(jìn)給距離為1.4 mm時,平均硬度值為233.39 HV,進(jìn)給距離的增加,顯微硬度平均值緩慢增加,變化幅度很小,是由于給進(jìn)距離增加,熔覆層高度降低,寬度增加,與基體接觸面積增加,導(dǎo)致冷卻速度增加,從而使熔覆層顯微硬度得到提升。

圖4 不同進(jìn)給距離下熔覆層縱向硬度變化

圖5 硬度平均變化

3.4 修復(fù)層摩擦磨損性能分析

3.4.1 摩擦系數(shù)分析

圖6所示為不同進(jìn)給距離下摩擦系數(shù)變化圖,進(jìn)給距離為0.8 mm時,摩擦系數(shù)先減小后增大,變化劇烈,隨后穩(wěn)定上升,是由于磨損面小顆粒逐漸增多,磨損主要為磨粒磨損。進(jìn)給距離為1.0 mm時,剛開始摩擦系數(shù)變化劇烈,后在0.3左右浮動,在12 min和25 min有兩次波動。進(jìn)給距離為1.2 mm時,前8分鐘為磨合階段,8～26 min為穩(wěn)定磨損階段,摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.25左右,在26 min時,摩擦系數(shù)有較大波動,是由于摩擦副間顆粒剝落造成。當(dāng)進(jìn)給距離為1.4 mm時,在前15 min,摩擦系數(shù)變化波動較大,在后15 min摩擦系數(shù)緩慢上升。

圖6 不同進(jìn)給距離下熔覆層摩擦系數(shù)變化

圖7所示為摩擦系數(shù)的平均變化值,進(jìn)給距離的增加,平均值先降低后上升。進(jìn)給距離為1.2 mm時,摩擦系數(shù)最小,穩(wěn)定在0.25左右,在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段后,試樣表面損壞,摩擦副間的間隙增大,增大了摩擦副間的載荷,造成了振動。結(jié)合金相組織,在進(jìn)給距離為1.2 mm時,熔覆層出現(xiàn)了硬度和強度很高的針狀馬氏體組織,從而使熔覆層耐磨損性能增強[17]。

圖7 平均摩擦系數(shù)

3.4.2 磨損量分析

圖8為不同進(jìn)給距離下的磨損量,可以看出隨著進(jìn)給距離的增加,熔覆層的磨損量先減少后增加。結(jié)合摩擦系數(shù),可以看出,磨損量與摩擦系數(shù)成正比例關(guān)系。

圖8 不同進(jìn)給距離磨損量

3.4.3 磨痕形貌和磨損機制分析

圖9(a)～(d)為不同進(jìn)給距離下磨損表面形貌。進(jìn)給距離0.8 mm時,磨痕表面存在少量的游離顆粒,磨損形式主要為摩擦副引起的磨粒磨損,表面存在塑性變形。進(jìn)給距離1.0 mm時,磨痕表面存在疲勞剝落和梨溝,磨損形式主要為疲勞磨損及磨粒磨損。進(jìn)給距離1.2 mm時,表面存在大量的磨屑,磨損形式主要為粘附磨損和疲勞磨損。進(jìn)給距離1.4 mm時,磨痕表面有大片的疲勞剝落及梨溝,磨損形式主要為疲勞磨損及磨粒磨損[18-20]。

圖9 不同進(jìn)給距離表面磨損形貌

4 結(jié) 論

本文采用激光-電復(fù)合絲材熔覆技術(shù)在45#鋼表面制備630不銹鋼熔覆層,研究進(jìn)給距離對630不銹鋼修復(fù)層的冶金質(zhì)量及微觀組織的影響,分析了不同進(jìn)給距離熔覆層顯微硬度及摩擦磨損性能。在現(xiàn)有實驗條件下,得出以下主要結(jié)論:

(1)進(jìn)給距離的選擇對630不銹鋼修復(fù)層的宏觀形貌、微觀組織、耐磨損性能有一定的影響。在不同進(jìn)給距離下熔覆層微觀組織均為混亂的等軸晶與柱狀晶的混合組織。

(2)熔覆層的平均硬度在200 HV左右上下浮動,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢,磨損量與摩擦系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,觀察其磨痕形貌其磨損形式主要為疲勞磨損和黏著磨損。在進(jìn)給距離在1.2 mm時,耐磨性能最佳。