李福海,佟 鑫,劉 敏,陳興馳,代明江,馬文有

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)新材料研究所,廣東廣州 510650

32Cr3Mo1V表面激光合金化層熱疲勞性能的研究

李福海,佟 鑫,劉 敏,陳興馳,代明江,馬文有

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)新材料研究所,廣東廣州 510650

采用萬(wàn)瓦橫流CO2激光器在32Cr3Mo1V基體表面合金化Cr粉及Co基粉,獲得富含Cr和Co的合金層,并對(duì)合金層的成分、組織、硬度及熱疲勞性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:合金層與基體形成完全的冶金結(jié)合,組織致密、晶粒細(xì)小、無(wú)裂紋及孔隙夾雜等缺陷,添加的合金元素Cr與基體形成了富含18.7%Cr的Fe-Cr固溶體,Co合金與基體形成了富含合金元素超過(guò)63%的 Fe-Cr固溶體和不銹鋼相;Co和Cr激光合金化層均能延緩、阻滯疲勞裂紋的產(chǎn)生,并且能降低裂紋擴(kuò)展的速度,裂紋密度從基體的28.9%分別降為合金化Cr層的12.4%和Co層的9.4%.雖然激光Co層本身具有更小的熱疲勞裂紋傾向,但在激光合金化層附近的基體上會(huì)發(fā)生疲勞裂紋嚴(yán)重聚集,這將大幅度降低整體結(jié)構(gòu)的抗熱疲勞性能;熱疲勞的機(jī)理為氧化-應(yīng)力開(kāi)裂,即熱疲勞過(guò)程中所形成的高硬度脆性氧化物在熱應(yīng)力的作用下斷裂.

激光表面合金化;Cr粉;Co基合金粉;32Cr3Mo1V;鑄軋輥輥套

雙輥式鑄軋工藝能將熔融金屬連續(xù)加工成不同寬度、厚度的板帶坯,其在鋁加工行業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用[1-4].在鋁板鑄軋生產(chǎn)中,鑄軋輥套是主要的消耗品.輥套在服役過(guò)程中承受著彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、表面摩擦應(yīng)力以及周期作用的熱沖擊應(yīng)力,從而導(dǎo)致以熱疲勞開(kāi)裂為主的失效[5].當(dāng)輥套表面出現(xiàn)龜裂時(shí),一方面降低了輥套的使用壽命,另一方面降低了鑄軋鋁板帶的質(zhì)量、鋁箔的成品質(zhì)量及生產(chǎn)的連續(xù)性.所以,輥套是鑄軋輥的“心臟”.

目前,使用效果較好的輥套材料為32Cr3Mo1V合金,其具有較好的抗熱疲勞性能[6].為了提高輥套的使用壽命,馬連清[7]提出采用等離子堆焊技術(shù)處理輥套表面,為輥套表面的處理開(kāi)辟了新的途徑.但由于等離子堆焊技術(shù)工藝復(fù)雜,因此無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模使用.激光表面技術(shù)能在不改變構(gòu)件主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上賦予表面優(yōu)異的特性,同時(shí)激光工藝具有熱影響區(qū)窄、工件變形小、結(jié)合力強(qiáng)、效率高及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),并且通過(guò)激光強(qiáng)化能形成耐磨、耐蝕及耐熱的合金化層,尤其在提高構(gòu)件抗熱疲勞性能方面取得到了滿意的效果[8-10].

本研究以32Cr3Mo1V合金為基體,采用激光熔融技術(shù)制備Cr及Co合金化層,在不改變鑄軋輥套的整體結(jié)構(gòu)和特性的前提下,僅通過(guò)改變表面的成分和組織,以提高輥套的抗熱疲勞性能,為提高鑄軋輥套的壽命提出了一種新途徑.

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)試樣選用以32Cr3Mo1V為基材的廢舊輥套,尺寸為100 mm×35 mm×10 mm,其成分列于表1.試驗(yàn)所用的粉末為純Cr粉和Co基合金粉,Co基合金粉的組成成分列于表2,其中Cr粉粒度小于48μm,Co基合金粉粒度為50～120μm.

表1 32Cr3Mo1V合金的組成成分Table 1 Chemical contents of 32Cr3Mo1V alloy

表2 Co基合金粉的組成成分Table 2 Chemical contents of Co alloy pow der

首先將試樣打磨拋光后用丙酮擦拭干凈,然后將粉末加入酒精和膠片混合的混合液中,粉末與混合液的體積比為1∶5,用噴槍將粉末均勻地噴在試樣的表面上,噴層的厚度為0.10～0.15 mm,待試樣在空氣中自然干燥后,即進(jìn)行激光表面合金化處理.激光設(shè)備為10 kW的橫流CO2激光處理設(shè)備,其激光功率為4～6 kW、離焦量為+15 mm、掃描速度為1500～2000 mm/min、激光束寬度為3 mm及掃描間隔為3 mm,處理過(guò)程中采用A r氣保護(hù),以防止合金元素氧化損失.

用線切割法沿橫向切割試樣,觀察合金化區(qū)域截面的顯微組織、相組成及成分.用JL SM 5910型掃描電子顯微鏡(SEM)分析涂層顯微組織;用Rigaku D/max 2550型全自動(dòng) X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析;用JCXA-733 EPMA-1600型電子探針(EPMA)分析微區(qū)成分;用M H-5D型顯微硬度計(jì)測(cè)定涂層的顯微硬度,其中載荷為300 g,加載時(shí)間為15 s,硬度值為測(cè)量5次的平均值.

圖1 自動(dòng)熱循環(huán)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the automatic thermal cycling tester

熱疲勞試驗(yàn)在自制的自動(dòng)熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,圖1為熱疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖.其工作原理是電機(jī)帶動(dòng)樣品在加熱爐和冷卻水容器之間往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過(guò)改變計(jì)時(shí)器的設(shè)置來(lái)改變加熱和冷卻的時(shí)間,加熱爐的溫度可通過(guò)溫度計(jì)來(lái)設(shè)定,溫度穩(wěn)定在900±50℃、試樣在爐內(nèi)的保溫時(shí)間為90 s,冷卻水采用循環(huán)自來(lái)水以保證溫度的恒定,水中冷卻時(shí)間為4 s.經(jīng)800次熱循環(huán)后取出試樣,檢查試樣表面的裂紋情況;熱疲勞次數(shù)達(dá)到5000次時(shí)對(duì)試樣表面進(jìn)行整體拋光,觀察表面裂紋;熱疲勞總次數(shù)為10000次以上才能真實(shí)體現(xiàn)出鑄軋輥套的實(shí)際熱疲勞狀況,待熱疲勞完全結(jié)束后,在試樣中心區(qū)域截取10 mm×10 mm×10 mm的觀察試樣,經(jīng)拋光后對(duì)觀察試樣表面和截面的熱疲勞裂紋所占的面積進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果作為評(píng)判試樣熱疲勞性能好壞的標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果與討論

2.1 熔敷層基本特征與相組成

圖2為激光表面合金化Cr層和Co層的橫截面組織形貌及硬度曲線.從圖2(a1)和圖2(b1)可見(jiàn),Cr層和Co層的激光合金化層均由激光合金化區(qū)域(LAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和基體組成,二者激光合金化區(qū)域的組織細(xì)小均勻,無(wú)裂紋、孔洞等缺陷,與基體為冶金結(jié)合,表明耐腐蝕性能強(qiáng);Cr層激光合金化區(qū)域的硬度達(dá)到700 Hv(圖2(a2)),而Co層激光合金化區(qū)域的硬度為310 Hv(圖2(b2)),但二者的熱影響區(qū)和基體的硬度具有相同的變化趨勢(shì).

圖2 激光合金化Cr層和Co層的截面形貌及硬度梯度曲線(a1)Cr層截面形貌;(a2)Cr層硬度梯度;(b1)Co層截面形貌;(b2)Co層硬度梯度Fig.2 Cross section of laser alloying Cr and Co layers and their hardness gradient curves(a1)cross section of laser alloyed Cr layer;(a2)hardness gradient curve of Cr layer;(b1)cross section of laser alloyed Co layer;(b2)hardness gradient curve of Co layer

圖3 激光合金化層X(jué)射線衍射圖譜(a)Cr層;(b)Co層Fig.3 X-ray diffraction patterns of laser alloying zone(a)Cr layer;(b)Co layer

分別對(duì)激光合金化Cr層和激光合金化Co層進(jìn)行XRD掃描,以進(jìn)一步確定LAZ區(qū)域的相組成(圖3).從圖3可見(jiàn),激光合金化Cr層的相組成為均勻的單一的α(Fe-Cr)固溶體,而激光合金化 Co層的相組成為α(Fe-Cr)固溶體和一種不銹鋼.

對(duì)合金化層進(jìn)行能譜掃描,其結(jié)果如圖4所示.從圖4(a2)可以看出,在Cr層的合金化區(qū)域中Cr元素在整個(gè)深度內(nèi)分布非常均勻,并沒(méi)有呈現(xiàn)出與深度相關(guān)的含量變化.這說(shuō)明,在激光合金化區(qū)域中合金元素在熔池中經(jīng)過(guò)了充分的攪拌,從而使其分布非常均勻.經(jīng)過(guò)計(jì)算,合金化層中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到18.7%.從圖4(b2)可見(jiàn),由于攪拌作用,在Co層的合金化區(qū)域中的合金元素分布均勻.通過(guò)計(jì)算,各元素含量分別為 w(Fe)=36.1%,w(Co)=31.7%,w(Cr)=22.4%及 w(Mo)=9.8%,其中合金元素總含量超過(guò)63%.由于Co,Cr和Mo合金元素能防止鋁腐蝕,以及對(duì)合金的高溫強(qiáng)度的提高有很大的好處.因此,合金元素含量在一定程度上影響合金的熱疲勞性能.

圖4 激光合金化層中各合金元素的分布(a1)合金化Cr層;(a2)合金化Cr層元素分布;(b1)合金化Co層;(b2)合金化Co層元素分布Fig.4 Elements distribution of laser alloying layers(a1)Cr layer;(a2)Fe and Co elements distribution;(b1)Co layer;(b2)Fe,Co,Cr and Mo elements distribution

2.2 熱疲勞性能

通過(guò)評(píng)估裂紋在表面所占的比例和截面的擴(kuò)展深度,其結(jié)果可作為評(píng)判熱疲勞性能的依據(jù).圖5為基體與合金化Cr和Co層經(jīng)熱循環(huán)后表面及截面的裂紋形貌.從圖5(a1)可以看出,基體表面出現(xiàn)了大量裂紋,裂紋沿縱向和橫向擴(kuò)展,彼此交叉和穿透,形成網(wǎng)狀分布,在某些區(qū)域中還出現(xiàn)了裂紋的大量聚集,形成了明顯的缺陷.經(jīng)過(guò)計(jì)算,裂紋所占面積的比列為28.9%,裂紋在沿表面擴(kuò)展的同時(shí),也在向縱深方向擴(kuò)展,裂紋的最大深度為200μm(圖5(a2));從圖5(b1)可以看出,激光合金化Cr層的表面出現(xiàn)了一些裂紋,裂紋主要呈現(xiàn)孤立狀態(tài),僅有少量的裂紋交叉.經(jīng)計(jì)算,裂紋所占面積的比例為12.4%,裂紋深度小于100μm(圖5(b2).從圖5(c1)可以看出,激光合金化Co層的裂紋與Cr層的表面和截面裂紋情況類(lèi)似,但其表面裂紋所占面積的比例為9.4%,裂紋最深深度小于100μm(圖5(c2).

圖5 經(jīng)10000次熱循環(huán)后表面與截面疲勞裂紋的形貌(a1)基體裂紋形貌;(a2)基體截面形貌;(b1)Cr合金化層裂紋形貌;(b2)Cr合金化層截面形貌;(c1)Co合金化層裂紋形貌;(c2)Co合金化層截面形貌Fig.5 Surface and section of the fatigued cracks after 10000 times thermal circles(a1)surface of the cracks of substrate;(a2)cross section of the cracks of the substrate;(b1)surface of the cracks of Cr layer;(b2)cross section of the cracks of Cr layer;(c1)surface of the cracksof Co layer;(c2)cross section of the cracks of Co layer

雖然激光Co層的表面裂紋比激光Cr層的少,但在激光合金化層與基體的搭接區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的裂紋,此處裂紋的密度達(dá)到45.9%(圖6).從圖6可以看出,大量來(lái)自基體和合金化層的裂紋在搭界區(qū)域或被阻止或發(fā)生偏轉(zhuǎn),僅有少量的裂紋形成貫穿的裂紋.所以,激光合金層具有強(qiáng)烈的阻止裂紋擴(kuò)展的作用.在激光Cr層的搭接區(qū)域,裂紋被強(qiáng)烈阻止(圖6(a));而在激光Co層的搭接區(qū)域,裂紋主要發(fā)生偏轉(zhuǎn),沿基體繼續(xù)擴(kuò)展,最終在較小的區(qū)域中形成了高密度的裂紋區(qū)域(圖6(b)).由于存在高密度的裂紋區(qū)域,這將大幅度降低試樣的熱疲勞性能.

圖6 搭接區(qū)域熱疲勞表面裂紋(a)Cr層;(b)Co層Fig.6 Surface thermal fatigue cracks of the connected area of layers(a)Cr layer;(b)Co layer

2.3 熱疲勞機(jī)理分析

圖7為裂紋區(qū)域局部放大所獲的的電鏡照片.從圖7(a)中可以看出,在基體上的黑色區(qū)域(a1區(qū)域)內(nèi)出現(xiàn)了大量孔洞,導(dǎo)致基體出現(xiàn)不連續(xù);對(duì)a1和a2區(qū)域進(jìn)行局部成分分析(表3)發(fā)現(xiàn),a1區(qū)域的氧含量達(dá)到6.16%,說(shuō)明該區(qū)域生成了大量的氧化物;對(duì)a1和a2區(qū)域的顯微硬度(表4)測(cè)試發(fā)現(xiàn),a1區(qū)域的硬度比a2區(qū)域的硬度增加了333Hv,最大達(dá)到859Hv.從圖7(b)中可以看出,激光Cr層黑色帶狀區(qū)域(b1區(qū)域)出現(xiàn)了微裂紋,并沿黑帶擴(kuò)展形成尺寸較大的裂紋;成分分析結(jié)果表明,b1區(qū)域的氧含量達(dá)到6.69%(表3),其硬度比未氧化區(qū)域(b2區(qū)域)增加了443Hv,最大達(dá)到992Hv(表4).從圖7(c)中可以看出,激光Co層黑色帶狀區(qū)域(c1區(qū)域)出現(xiàn)了一些微孔和小裂紋,其氧含量增加到了7.63%(表3),其硬度也比c2區(qū)域的增加了242Hv(表4).

圖7 熱疲勞表面裂紋微觀形貌(a)基體;(b)Cr層;(c)Co層Fig.7 M icro-structure of the surface thermal fatigue cracks of layers(a)substrate;(b)Cr layer;(c)Co layer

表3 熱疲勞裂紋成分Table 3 Chemical contents of the thermal fatigue cracks

表4 熱疲勞裂紋顯微硬度Table 4 Micro-hardness of the thermal fatigue cracks

以上結(jié)果分析表明,熱疲勞試驗(yàn)導(dǎo)致32Cr3Mo1V基體發(fā)生嚴(yán)重的氧化,從而生成脆而硬的氧化物,氧化物主要沿晶界分布,在循環(huán)熱應(yīng)力的作用下造成裂紋,形成了新的氧化途徑,在氧化及應(yīng)力兩個(gè)因素交替作用下,導(dǎo)致裂紋繼續(xù)擴(kuò)展.由于激光Cr層可以形成高Cr的Fe-Cr固溶體,Cr元素優(yōu)先與侵入的O結(jié)合,生成致密的Cr2O3,Cr層在一定程度上減緩了后續(xù)的氧化及減少了熱應(yīng)力導(dǎo)致的體積變化.因此,起到一定的阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的作用.激光Co層中雖然也含有 Fe-Cr固溶體,但其含量不高,而主要是Fe-Co基合金,Fe-Co基合金在一定溫度下也能起到防止氧化的作用,由于氧的擴(kuò)散速度低,Fe-Co基合金被氧化后硬度增加緩慢,這也在一定程度上降低了熱應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂,所以Co層也起到了延緩和阻止裂紋擴(kuò)展的作用.

3 結(jié) 論

(1)32Cr3M o1V基體熱疲勞后出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋,表面裂紋面積達(dá)到28.9%;激光Cr合金層表面裂紋面積為12.4%,裂紋數(shù)量較基體明顯降低;激光Co合金層表面裂紋面積為9.4%,裂紋的數(shù)量、寬度及深度明顯低于基體.

(2)Cr和Co激光合金層均能起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用,二者都能大幅度地增加32Cr3Mo1V材料的抗熱疲勞性能.在激光Cr層與基體的搭接區(qū)域內(nèi),裂紋被強(qiáng)烈阻止并發(fā)生偏轉(zhuǎn),只在較小的區(qū)域中形成了高密度的裂紋區(qū)域;而在Co層的搭接區(qū)域內(nèi),有明顯的裂紋聚集區(qū),裂紋密度達(dá)到45.9%,這將不利于熱疲勞性能的提高.

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Thermal fatigue resistance of laser surface alloying layers on the surface of 32Cr3M o1V substrate

L IFuhai,TONG Xin,L IU M in,CHEN Xingchi,DA IM ingjiang,MA Wenyou
Department of New M aterials,Guangdong General Research Institute of Industrial Technology(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M etals),Guangzhou 510650,China

The pure chromium(Cr)pow der and cobalt(Co)base alloy pow der were app lied on the surface of 32Cr3Mo1V substrate by a ten-thousand-watt CO2laser to fo rm the layers abundant in elements of Cr and Co,and p roperties of the layers including microstructure,elements distribution,micro-hardness and anti-thermal fatigue w ere studies.The result show ed that the alloyed layers had full metallurgical bond w ith the substrate,boasting of advanced p roperties such as denser structure,smaller grain and f ree of crack,po rosity,and slag inclusion;the laser alloyed Cr layer consisted of Fe-Cr solid solution in w hich Cr element accounted for 18.7%in w t.,w hile the laser alloyed Co alloy layer consisted of Fe-Cr solid solution w ith over 63%of alloyed elements,and stainless steel phase;both of the layers p resented significant increase of thermal fatigue resistance and the area of cracks after thermal fatigue test reduced from 28.9%(in the substrate)to 12.4%(in Cr-alloying layer)and 9.4%(in Co-alloying layer),respectively,therefore,they could p revent and block the generation of cracks and reduce the expanding rate of cracks.A lthough the Co-alloying layer had a less crack sensibility than the Cr-alloying layer,there existed a special area w ith massed crack about 48.9%in the substrate near the laser alloyed zone,w hich would cause a sharp decrease in the overall thermal fatigue resistance.The mechanism of the thermal fatigue w as oxidation and stress cracking,that is,the brittle oxide fo rmed during thermal fatigue period rup tured under the vast stress of the thermal fatigue.

laser surface alloying;Cr pow der;Co base alloy pow der;32Cr3Mo1V;casting roller shell

TF123.121

A

1673-9981(2011)02-0097-08

2011-04-21

李福海(1973—),男,陜西渭南人,碩士,高級(jí)工程師.