高速激光熔覆錫青銅與合金鋼基體結(jié)合性能研究

□ 王新波 □ 方孝紅

1.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200233 2.浙江長盛滑動軸承股份有限公司 浙江嘉興 314100

1 研究背景

錫青銅作為摩擦磨損件的基礎(chǔ)材料之一在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,該材料特別適合于低速重載工況,應(yīng)用于滑動軸承的主要形式有單金屬軸套與推力軸承、粉末燒結(jié)雙金屬軸套與推力軸承、離心澆鑄雙金屬軸套與推力軸承、旋壓單金屬軸套、粉末冶金單金屬軸套等。激光熔覆是一種高效的表面強(qiáng)化與再制造修復(fù)技術(shù),具有與基體結(jié)合效果好、稀釋率低、熱影響區(qū)小等優(yōu)點。激光熔覆是多參數(shù)耦合的復(fù)雜過程,激光功率、激光掃描速度、送粉速度、光斑直徑等參數(shù)對熔覆層的質(zhì)量非常重要,國內(nèi)外已經(jīng)對激光熔覆增材制造進(jìn)行了多方面的研究。但是,對于常規(guī)激光熔覆而言,粉末吸收20%的能量,能量利用率低,稀釋率為5%～15%,并且熔覆完成后后續(xù)加工量較大,加工成本高。對于高速激光熔覆,粉末可吸收80%的能量,能量利用率高,稀釋率可小于3%,并且熔覆完成后后續(xù)加工量較小,加工成本低。高速甚至超高速激光熔覆技術(shù)優(yōu)化了粉體的熔凝形式和能量吸收比例,提高了材料沉積速度,獲得高效、無缺陷、高結(jié)合強(qiáng)度、低稀釋率的熔覆層,比傳統(tǒng)激光熔覆更有優(yōu)勢。應(yīng)用高速激光熔覆制備工藝將錫青銅合金層制備在鋼軸基體上,可解決軸套與鋼基體長時間過盈配合產(chǎn)生蠕變而導(dǎo)致的跑圈問題。并且錫青銅合金層出現(xiàn)失效后,可以將其加工去除后重新熔覆,從而實現(xiàn)再制造。目前,對錫青銅粉末在鋼軸基體上的高速激光熔覆研究還比較少,筆者應(yīng)用高速激光熔覆工藝將CuSn12Ni2錫青銅粉末熔覆在42CrMo合金鋼基體上,研究材料的微觀成分和組織、宏觀結(jié)合強(qiáng)度對雙層金屬材料的結(jié)合情況。研究結(jié)果證明,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體已經(jīng)達(dá)到了冶金結(jié)合。

2 試樣準(zhǔn)備

為了對材料的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行充分的研究,首先制備研究試樣,包括測試材料缺陷和材料結(jié)合面附近的化學(xué)成分采用的平面試樣,測試材料結(jié)合強(qiáng)度采用的圓形試樣。

2.1 粉末制備

高速激光熔覆所用粉末的粒徑越集中、球形越好、成分分布越均勻,粉末的流動性就越好,熔覆之后缺陷也就越少,特別對于結(jié)合面而言,缺陷會更少。筆者所用CuSn12Ni2錫青銅粉末采用氣霧化工藝獲得,原理是采用高速氣流將銅合金液體擊碎形成微小液滴,然后快速冷卻形成球形金屬顆粒。顆粒的粒徑主要集中在50～150 μm,并且球形度較好,如圖1所示。錫青銅粉末內(nèi)部金相晶粒較細(xì),圖2(a)所示為大部分等軸晶,圖2(b)所示為小部分樹枝晶。此外,錫青銅粉末截面能譜分析顯示,銅、錫、鎳元素分布較為均勻,未出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。

▲圖1 CuSn12Ni2錫青銅粉末顆粒

▲圖2 CuSn12Ni2錫青銅粉末金相組織

2.2 試樣制備

試樣制備采用高速激光熔覆工藝,其中激光熔覆設(shè)備的光源為光纖激光器,激光波長約為1.06 μm,最大功率為6 kW,激光從光纖接頭射出后,經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄?然后經(jīng)過聚焦透鏡實現(xiàn)聚焦,將能量集中于一點,在焦點處將金屬熔化實現(xiàn)激光熔覆加工。采用同軸環(huán)形氣載送粉,送粉均勻,送粉氣體為氬氣,同時氬氣作為保護(hù)氣體,可減少激光熔覆過程中材料的氧化。為帶走激光器在電能轉(zhuǎn)換為光能過程中產(chǎn)生的多余熱量,同時帶走外光路的鏡片反射激光束所吸收的部分熱量,為激光器提供了水冷冷卻系統(tǒng)。

筆者在研究中的熔覆層厚度為1.2 mm,熔覆速度為60～100 mm/s,光斑直徑為2 mm,送粉量為40～50 g/min,激光功率為4 500 kW～4 800 kW。

高速激光熔覆工藝制備的平面試樣如圖3所示,用于對CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體結(jié)合面附近區(qū)域進(jìn)行材料表征和分析,具體操作時需從平面試樣上取樣,然后制樣進(jìn)行金相組織分析和能譜分析。高速激光熔覆工藝制備的法向結(jié)合強(qiáng)度測試試樣如圖4所示,用于測定CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。

▲圖3 高速激光熔覆工藝制備的平面試樣樣件

▲圖4 高速激光熔覆工藝制備的法向結(jié)合強(qiáng)度測試試樣

3 高速激光熔覆材料表征與分析

3.1 金相組織

對試樣進(jìn)行金相分析,分析設(shè)備采用超景深顯微鏡,圖5所示為試樣未腐蝕顯微組織形貌,圖6所示為試樣腐蝕后金相組織。腐蝕試樣所采用的溶液由三種物質(zhì)混合組成:10 g FeCl3·6H2O、2 mL密度為1.16 g/mL的鹽酸溶液、98 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液。通過觀察圖5可以看出,高速激光熔覆工藝制備后的CuSn12Ni2錫青銅仍存在一定的氣孔,較大的氣孔直徑為97.14 μm。由圖6可以看出,試樣腐蝕后的金相組織,靠近結(jié)合面附近,CuSn12Ni2錫青銅以樹枝晶為主,越靠近CuSn12Ni2錫青銅表層,以等軸晶為主。主要原因是越靠近表層,過冷度越大,越容易形成等軸晶粒,越靠近結(jié)合面,過冷度越小,越利于樹枝晶晶粒的形成。

▲圖5 試樣未腐蝕顯微組織形貌▲圖6 試樣腐蝕后金相組織

3.2 能譜分析

在激光熔覆過程中,CuSn12Ni2錫青銅中會有一定量的元素滲透到42CrMo合金鋼基體中,在結(jié)合面附近形成冶金結(jié)合。在結(jié)合面處進(jìn)行能譜分析的目的是檢測CuSn12Ni2錫青銅中元素在高速熔覆過程中滲透入基體材料中的情況如何,即CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率如何。如果CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率低,可以保證CuSn12Ni2錫青銅化學(xué)成分相對較穩(wěn)定,能夠更好地保持材料原有的機(jī)械性能。在平面試樣上取樣,進(jìn)行結(jié)合面的能譜掃描分析,如圖7所示,主要關(guān)注元素有銅、鐵、錫、鉻、鎳。由圖7可以看出,所關(guān)注元素分布在結(jié)合面處較為分明,說明高速激光熔覆工藝對CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率不高,因而該工藝對錫青銅成分和機(jī)械性能的影響較小。盡管稀釋率不高,但有少量元素進(jìn)入合金鋼基體,說明結(jié)合面附近產(chǎn)生了冶金結(jié)合。

▲圖7 結(jié)合面附近能譜掃描分析結(jié)果

4 結(jié)合強(qiáng)度試驗

CuSn12Ni2錫青銅材料通過高速激光熔覆工藝熔覆在42CrMo合金鋼基體上后,作為滑動軸承減摩耐磨層服役時,需要與基體間具有較高的結(jié)合強(qiáng)度,可通過調(diào)整高速激光熔覆工藝參數(shù)獲得。筆者根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12948—1991《滑動軸承 雙金屬結(jié)合強(qiáng)度破壞性試驗方法》制備結(jié)合強(qiáng)度試驗的試樣,進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試。CuSn12Ni2錫青銅材料屈服強(qiáng)度為140 MPa～150 MPa,抗拉強(qiáng)度為260 MPa～300 MPa。當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度時,將會在結(jié)合面處發(fā)生斷裂。當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度位于屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間時,仍然將會在結(jié)合面處發(fā)生斷裂,但CuSn12錫青銅本體已經(jīng)產(chǎn)生屈服。當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度時,將在CuSn12Ni2錫青銅材料本體發(fā)生斷裂。法向結(jié)合強(qiáng)度試驗如圖8所示,試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出,試驗后兩試樣的法向結(jié)合強(qiáng)度分別為429.5 MPa、326.6 MPa,均大于材料的抗拉強(qiáng)度,說明結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度超過CuSn12Ni2錫青銅的抗拉強(qiáng)度。試樣斷裂面由測試可知均為CuSn12Ni2錫青銅本體,如圖10所示,也印證了結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度超過CuSn12Ni2錫青銅的抗拉強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度試驗結(jié)果同時說明,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體產(chǎn)生了冶金結(jié)合。

▲圖8 法向結(jié)合強(qiáng)度試驗

▲圖9 法向結(jié)合強(qiáng)度試驗結(jié)果

▲圖10 法向結(jié)合強(qiáng)度試驗斷裂后試樣

在結(jié)合面附近,CuSn12Ni2錫青銅以枝晶為主。在靠近CuSn12Ni2錫青銅表層的地方,以等軸晶為主。說明結(jié)合面附近過冷度較小,表層過冷度較大。

高速激光熔覆工藝對CuSn12Ni2錫青銅稀釋率不是很高,因而該工藝對錫青銅成分和機(jī)械性能的影響較小。

5 結(jié)束語

筆者通過對高速激光熔覆工藝制備的CuSn12Ni2錫青銅與合金鋼基體的結(jié)合性能進(jìn)行研究,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體產(chǎn)生了冶金結(jié)合。

高速激光熔覆工藝參數(shù)調(diào)整到合適參數(shù),結(jié)合面結(jié)合強(qiáng)度可以超過CuSn12Ni2錫青銅抗拉強(qiáng)度。