闕銘鑫,柏興旺,周祥曼,張海鷗
(1.南華大學 a.機械工程學院 b.核燃料循環(huán)技術與裝備湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 衡陽 421001;2.三峽大學 機械與動力學院,四川 宜昌 443002;3.華中科技大學 機械科學與工程學院,武漢 430074)
在汽輪機、渦輪機、風力發(fā)電機等大型重載設備中,巴氏合金常被熔覆于強度較高的基體材料表面,以滿足運動副配合面減摩、耐磨的功能需求。隨著零件服役愈加趨向于高油溫、高載荷、高轉速的惡劣情況,對巴氏合金熔覆層性能及缺陷控制的要求不斷提高。為了減少巴氏合金熔覆層的失效率,學界對其摩擦磨損行為、蠕變力學性能、結合性能以及孔隙和物相偏析等問題開展了廣泛的研究[1-7]。
在油溫、載荷、沖擊載荷的共同作用下,巴氏合金熔覆層常出現(xiàn)整體或局部脫落等失效形式,解決此類問題的關鍵是提高巴氏合金與基體材料的結合強度。王建梅等[8-10]研究發(fā)現(xiàn),五層復合結構襯套界面結合性能優(yōu)于三層復合結構襯套。王星星等[11]研究了時效處理對巴氏合金堆焊層結合強度的影響,結果表明,結合強度隨時效時間增加而降低。宋振亞等[12]對比了不同制備方法對錫基巴氏合金軸瓦組織及性能的影響,實驗證明,MIG 堆焊工藝的結合強度遠大于離心澆鑄制備工藝,而且MIG 堆焊巴氏合金試樣組織更為細小均勻。此外,堆焊前,對基體表面進行毛化預處理也是提升結合強度的有效方式之一[13]。石玗等[14]通過激光毛化工藝改變鋼表面微觀形貌,開展了鋁上鋼下的TIG 熔釬焊搭接試驗,研究發(fā)現(xiàn),由于鋁鋼反應接觸面積增大以及機械咬合作用增強,鋁鋼接頭結合強度獲得提升。激光毛化預處理的方式具有制槽精度高、靈活性強等優(yōu)點,但激光熔化去除材料的方式也存在引入氧化物雜質(zhì)的風險,毛化的效率也有待提高。本文采用精密刨床對基體表面進行機械式毛化預處理,然后利用 MIG 在基板表面堆焊SnSb11Cu6 巴氏合金,對比了不同毛化形貌及參數(shù)對巴氏合金堆焊層界面組織、金屬間化合物微觀結構、結合強度及斷裂形貌的影響規(guī)律。
實驗所用基體材料是Q235 鋼,尺寸為300 mm×300 mm×3 mm;焊絲是直徑為1.6 mm 的SnSb11Cu6合金焊絲,其化學成分見表1。堆焊前,采用刨床對基體表面進行機械毛化處理,刀具選用45°切槽刨刀,毛化槽深有0.15、0.3 mm 兩種規(guī)格,毛化形貌有直槽和網(wǎng)格槽兩種類型,如圖1 所示。每個試樣的毛化參數(shù)與堆焊參數(shù)見表2。
表1 SnSb11Cu6 合金化學成分Tab.1 chemical composition of SnSb11Cu6 alloy wt%
表2 毛化及堆焊參數(shù)Tab.2 Texturing and welding parameters
圖1 不同的毛化類型Fig.1 Schematic diagram of different texturing types: a) mesh texturing morphology; b) straight groove texturing morphology; c)schematic diagram of texturing parameters
堆焊前,先用角磨機對鋼板表面進行清理,再用丙酮洗去鋼基體上的油污,最后用無水乙醇對鋼基體進行脫水處理。堆焊合金高度為8 mm,堆焊合金層數(shù)為3 層。堆焊第一層時,采用較大焊接速度的單層多道焊接方式;后續(xù)堆焊,采用Z 型擺焊工藝來增大熔寬。焊后冷卻時間為1~2 min,且每次焊完后對合金表面進行清理。
堆焊完成后,用銑床銑平巴氏合金堆焊層表面,并涂抹潤滑油,然后對堆焊試樣進行超聲波檢測,以免出現(xiàn)明顯缺陷,影響后續(xù)實驗的可靠性。確保檢測合格后,將試樣切成8 mm×8 mm 的方塊,再將方塊打磨拋光成金相試樣。通過4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,利用GX51F 金相顯微鏡觀察其界面形貌與合金的物相分布;采用XRD-7000S 型X 射線衍射儀檢測巴氏合金堆焊層的物相成分;利用PWS-E100 電液伺服動靜萬能試驗機測試堆焊層與鋼基體之間的結合強度;結合使用Zeiss Sigma 掃描電鏡和Smart EDX能譜儀觀測界面處各元素的分布情況。
采用X 射線衍射儀對SnSb11Cu6 合金堆焊層進行了檢測,結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出,合金的物相組成有:Sn 基固溶體α 相、Cu6Sn5星狀或針狀的ε 硬質(zhì)相、SnSb 立方晶體β 硬質(zhì)相。軟相基體使得巴氏合金具備良好的嵌藏性和順應性,硬質(zhì)相起支撐作用。在結晶過程中,星狀ε 硬質(zhì)相先結晶析出,立方晶體β 硬質(zhì)相以體積較小的β 硬質(zhì)相為結晶中心生長結晶。ε 硬質(zhì)相析出后,以網(wǎng)狀均勻分布在軟基體α 相中,阻礙了β 相,因比質(zhì)量較低而產(chǎn)生上浮,使得硬質(zhì)相在軟相基體中分布相對均勻[15-16]。得益于巴氏合金組織均勻分布的特性,在磨合過程中,合金表面的軟基體向內(nèi)凹陷,硬質(zhì)相向外凸出,形成微小間隙,這些間隙能儲存潤滑油,起到減摩的作用[1]。
圖2 SnSb11Cu6 巴氏合金堆焊層XRD 圖譜Fig.2 XRD results of SnSb11Cu6 Babbitt alloy cladding layer
在金相顯微鏡下觀察到的界面組織如圖3 所示,上層為SnSb11Cu6 巴氏合金,下層為Q235 鋼基體。如圖1 所示,毛化處理獲得的槽形大體是圓弧形,但從圖3a 可以看出,毛化槽形貌發(fā)生變化,深度方向變化不大,但是毛化凹槽槽寬大幅度增加,圓弧形凹槽已經(jīng)轉變?yōu)闄E圓形槽。這是在堆焊過程中,電弧產(chǎn)生的高溫熔化了凹槽邊緣的鋼基體材料,熔化的材料進入熔池,會提高界面部位的Fe 元素濃度,有利于促進界面反應和元素擴散。
圖3 Q235 鋼與SnSb11Cu6 巴氏合金的界面金相組織Fig.3 The metallographic structure of the interface between Q235 steel and SnSb11Cu6 Babbitt alloy: a) 0.15 mm straight groove texturing sample; b) non-textured sample
在毛化和無毛化兩種試樣金相截面上,都可以看到清晰的界面,還都可以發(fā)現(xiàn)眾多的白色硬質(zhì)相沿著界面分布。在巴氏合金熔池冷卻過程中,熔池通過基體熱傳導快速散熱,靠近基體一側的巴氏合金快速冷卻,過冷度增大,形核率提升,使得巴氏合金中首先結晶析出的ε 硬質(zhì)相Cu6Sn5在界面處聚集,β 硬質(zhì)相SnSb 以ε 相為結晶中心生長[17-19],數(shù)量較多的ε 相以及相對較高的過冷度也為β 相結晶提供了良好條件,故β 相也密集分布在界面部位。
對比圖3a、3b 可知,堆焊表面做毛化處理后,硬質(zhì)相沿著界面密集分布的情況更為顯著。原因有以下兩點:首先,堆焊表面經(jīng)毛化后,表面積大幅增加,使得冷卻速率增加,過冷度增大,形核率進一步提升;其次,毛化處理本身會增加原子的擴散距離,在接觸面積增大的同時,巴氏合金熔池內(nèi)會形成更高的化學勢能梯度,活性金屬元素更易向界面處移動[20]。
為探究Q235 鋼與SnSb11Cu6 巴氏合金界面特征,采用SEM 對未腐蝕的試樣進行觀察,并結合EDS進行元素分析。EDS 線掃描結果如圖4 所示。圖4a中橫坐標32 μm 處為巴氏合金與鋼基體的分界面,F(xiàn)e元素強度大幅度提升,Sn 和Sb 強度大幅度降低,表明元素擴散距離不長,巴氏合金堆焊層與鋼基體的分界線比較明顯。從圖4b 可以清晰地看出,在17、34 μm處有兩個較為明顯的界限。17 μm 之前,Sn 和Sb 元素的強度較高,說明該區(qū)域為巴氏合金;34 μm 之后,只有Fe 元素的強度較高,說明該區(qū)域為鋼基體;17~34 μm 區(qū)域,F(xiàn)e、Sn、Sb、Cu 元素都能有一定強度,說明這幾種元素在該區(qū)域都存在。分析認為,圖4b 界面部位出現(xiàn)了較為劇烈的界面反應,在界面中間部位生成約為15 μm 厚的金屬間化合物。有研究指出,金屬間化合物的主要成分為FeSn2,且FeSn2能增強鋼基體與巴氏合金之間的結合強度[21]。無毛化與毛化試樣從整體界面上看都存在金屬間化合物,然而毛化處理的試樣生成的金屬間化合物更厚,且具備更廣闊的接觸面積,易生成更多的金屬間化合物??偟貋碚f,毛化處理對界面反應的影響有以下幾點:首先,毛化基板更利于原子擴散,接觸面積增大使得化學勢能梯度增加,合金與基體間原子擴散距離更遠,且反應更加劇烈;其次,電弧高溫熔化毛化凹槽邊緣基體材料,使得更多被溶解的Fe 元素向巴氏合金液態(tài)金屬中擴展,加劇了界面反應;最后,毛化凹槽輪廓峰對三相線位移產(chǎn)生釘扎作用,潤濕鋪展效果受到抑制,但活性金屬元素更易于向界面處擴散,進一步促進了界面反應。
圖4 鋼基體/巴氏合金界面區(qū)域能譜掃描結果Fig.4 EDS results of the interface area between steel matrix and Babbitt alloy: a) non-textured sample, b) 0.1 mm straight groove texturing sample
巴氏合金主要用于大型重載機械的軸承、軸瓦、軸襯、軸套等零部件中,巴氏合金堆焊層在這些工況下承受的主要載荷是剪切力,因此選用拉剪法測量堆焊層與鋼基體之間的結合強度[22-25]。堆焊完成后,利用線切割加工出如圖5 所示的拉剪測試樣件。通過電子萬能實驗機以0.2 cm/min 的速率均勻施加載荷,保持載荷增值,直到合金或結合層斷裂為止。實驗中每組參數(shù)的試樣測量3 次,記錄實驗過程中的載荷情況,讀取錫基巴氏合金層剝離時的最大載荷。結合強度的計算公式為:
圖5 拉剪試件結構Fig.5 Schematic diagram of tensile-shear specimen structure
式中:W為結合強度,MPa;F為剝離時最大載荷,kN;S為試樣剪切面積,mm2。
測試計算后,得到各試樣的結合強度,見表3。拉剪測試中,15 個試樣斷裂的位置全部位于巴氏合金一側,這說明無論有無毛化,巴氏合金與基體的結合強度都超過了巴氏合金的抗拉強度。毛化試樣的結合強度高于無毛化試樣,無毛化試樣的結合強度平均值為39.67 MPa,而各毛化試樣所測得的結合強度較為相近,平均值為51.14 MPa,增幅為28.9%。毛化處理提升堆焊層結合強度的原因有3 個方面:首先,毛化處理后,基體的輪廓表面積增加,表面積的增加意味著巴氏合金與基體之間更大的接觸面積,分離合金與基體所需要的拉剪力更大,即更大的結合強度;其次,毛化處理后,基體與合金的接觸面由平行于載荷方向的平面變?yōu)榫哂兄T多凹槽的復雜曲面,凹槽中嵌合了部分巴氏合金,形成了基體間與合金層之間的機械咬合作用,該機械咬合作用有利于抵御剪切載荷;最后,如2.2 節(jié)和2.3 節(jié)所分析,毛化后的基體表面更有利于元素擴散和界面反應,包含金屬間化合物的過渡區(qū)域更厚,這些也是毛化處理增加結合強度的重要原因。
表3 拉剪實驗結果Tab.3 Statistics of tensile-shear test results
對比表3 中不同毛化參數(shù)下的測試結果,可以發(fā)現(xiàn),結合強度較為相近。這是由于,盡管網(wǎng)格槽毛化可以獲得比直槽毛化更大的表面積增量,但是網(wǎng)格槽毛化情況下,巴氏合金在基體表面浸潤性更差。在圖6 所示的各類試樣的潤濕角測試中,無毛化、直槽毛化、網(wǎng)格槽毛化三種情況下的潤濕角依次增大。良好潤濕性有利于提升結合強度,但是在巴氏合金潤濕過程中,毛化凹槽輪廓峰對三相線的位移有釘扎作用,所測得的潤濕角較大,潤濕鋪展受到阻礙。
圖6 各毛化類型的潤濕角Fig.6 Wetting angle of each texturing type: a) no roughening; b) straight groove roughening; c) grid groove roughening
在堆焊前采用精密刨槽加工對鋼基體表面進行毛化處理,對比分析了無毛化與不同毛化參數(shù)條件下的巴氏合金堆焊層界面組織、物相分布以及結合強度,主要得出以下結論:
1)毛化處理增加了巴氏合金與基體材料間的接觸面積,且毛化凹槽嵌合了一部分巴氏合金,基體與合金層之間產(chǎn)生了機械咬合。毛化處理加劇了元素擴散,毛化輪廓邊緣的材料易于熔化,從而促進了界面反應。
2)不同毛化參數(shù)條件下,合金與基體的結合強度變化不大。網(wǎng)格槽毛化可以獲得比直槽毛化更大的表面積增幅,但網(wǎng)格槽毛化情況下,巴氏合金在鋼基體表面的浸潤性更差。