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        激光功率對27SiMn鋼熔覆層組織與性能的影響

        2022-06-06 13:28:28石淑婷舒林森何雅娟王家勝
        金屬熱處理 2022年5期

        石淑婷, 舒林森,2, 何雅娟, 王家勝

        (1. 陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723001; 2. 陜西省工業(yè)自動化重點實驗室, 陜西 漢中 723001)

        27SiMn鋼具有良好的耐磨性和較高的強(qiáng)度,且切削加工性能好,常用于制造礦山機(jī)械關(guān)鍵零部件,如液壓支架油缸、立柱等。惡劣的生產(chǎn)環(huán)境易造成27SiMn鋼零件表面產(chǎn)生點蝕與磨損,致使其過早退役[1-3]。激光熔覆[4-5]能夠制備結(jié)合性良好的高性能異種金屬熔覆層,是零件表面修復(fù)再制造的有效手段,目前已有專家學(xué)者對27SiMn鋼熔覆層的性能展開了大量研究。王賢才等[6]研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼熔覆層的抗拉強(qiáng)度與27SiMn鋼基材相當(dāng),且斷裂方式均為塑性斷裂,但熔覆層的伸長率、韌窩尺寸和深度大于基材。郭衛(wèi)等[7]在27SiMn鋼上熔覆獲得了致密的鐵基涂層,對其進(jìn)行磨損試驗,載荷不變時增大轉(zhuǎn)速,磨損率先增大后減小;轉(zhuǎn)速不變時增大載荷,磨損率增大。黎文強(qiáng)[8]在27SiMn鋼上熔覆獲得了鐵基熔覆層,其硬度達(dá)到712 HV0.1,約為基材的2.5倍,耐腐蝕性能較基材提高5倍以上。Shen等[9]使用高速激光在27SiMn鋼上熔覆了431不銹鋼,腐蝕試驗結(jié)果表明,熔覆層的枝晶細(xì)小且大小均勻、成分分布均勻,有利于提高耐蝕性。通過上述研究可知,激光熔覆可以提升27SiMn鋼的表面硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能,但關(guān)于激光熔覆工藝參數(shù)對27SiMn鋼熔覆層組織與性能影響的研究較少。良好的工藝參數(shù)能夠提高熔覆層的表面平整度、界面結(jié)合強(qiáng)度,消除熔覆層氣孔及裂紋等缺陷。研究激光功率[10]、掃描速度[11]、搭接率[12]、離焦量[13]等工藝參數(shù)對熔覆層組織與性能的影響是獲得高質(zhì)量熔覆層的必要手段。因此,探尋激光功率這一重要工藝參數(shù)對熔覆層組織與性能的影響頗具意義。

        本文利用激光熔覆技術(shù),選取4種激光功率,在27SiMn鋼表面熔覆Fe-Cr-Ni粉末,對單道熔覆試件的形貌、顯微組織、硬度進(jìn)行分析,對多道熔覆試件進(jìn)行摩擦磨損性能檢測,研究激光功率對27SiMn鋼熔覆層組織及性能的影響,以期為27SiMn鋼零件的激光熔覆快速修復(fù)提供參考。

        1 試驗材料與方法

        1.1 試驗材料

        試驗所選的基材為27SiMn鋼,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為(0.24~0.32)C、(1.10~1.40)Si、(1.10~1.40)Mn、≤0.035P、≤0.035S、≤0.30Cu、≤0.30Cr、≤0.30Ni、≤0.15Mo。將27SiMn鋼試樣加工至表面粗糙度為3.6 μm,并用酒精拭去表面雜質(zhì)。熔覆材料為Fe-Cr-Ni粉末,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為(0.6~0.9)C、(3~4)Si、(16~18)Cr、(12~14)Ni,余量Fe。在27SiMn鋼板材上制備單道Fe-Cr-Ni熔覆層,激光功率分別為1800、2100、2400和2700 W,掃描速度為20 mm/s,送粉速度為20 g/min,離焦量為0 mm,氬氣流量為20 L/min。

        1.2 試驗方法

        使用VHX-7000型超景深顯微鏡觀察熔覆件的截面形貌以及顯微組織,并計算稀釋率,使用HV-1000型顯微硬度計測定熔覆層的硬度,加載載荷4.90 N,保荷時間10 s,每個測量點間隔300 μm,并重復(fù)測量3次減少誤差。制備摩擦磨損試件的過程中,先以50%搭接率進(jìn)行多道熔覆制備試件坯件,再經(jīng)線切割獲得帶有熔覆層摩擦磨損試件塊,使用MMW-2型銷-盤試驗機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗,如圖1所示;摩擦磨損試驗使用40Cr鋼球頭柱銷,對銷-盤配磨副施加100 N載荷,轉(zhuǎn)速100 rpm,試驗時間900 s,分別記錄4組試驗的摩擦因數(shù)和磨損量,使用超景深顯微鏡觀察并獲取磨損截面輪廓。

        圖1 銷-盤摩擦磨損示意圖Fig.1 Schematic diagram of pin-disk friction and wear

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 單道熔覆層形貌

        圖2為激光熔覆界面示意圖。截面由激光熔覆區(qū)(LCDZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、基材(Sub)3部分組成[14];幾何尺寸可用熔寬(w)、熔高(H)、熔深(h)來說明,結(jié)合性能可以通過稀釋率(λ)進(jìn)行表征。使用面積法計算稀釋率,公式為:λ=Am/(Am+Ac),其中Am為基材熔化區(qū)截面面積,Ac為熔覆層截面總面積。稀釋率過低導(dǎo)致熔覆層與基材的結(jié)合性不好,過高導(dǎo)致熔覆層性能降低,易產(chǎn)生開裂與變形。

        圖2 激光熔覆截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser cladding section

        圖3為w、H、h、λ隨激光功率的變化折線??梢钥闯鰓、h和λ隨激光功率增大而增大,而H則是先增大后減小,激光功率為2400 W時出現(xiàn)最大值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要為:在單位時間內(nèi),激光功率增大,熔覆粉末與基材吸收的能量更多,致使w、H、h和λ增大;當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大時,粉末充分融化且其吸收的能量到達(dá)極限,由于基材吸收的能量進(jìn)一步增加,基材熔化量增大(即h增大),從而導(dǎo)致H減小,熔覆層高度降低。

        圖3 幾何尺寸及稀釋率隨激光功率的變化Fig.3 Change of geometric dimensions and dilution rate versus laser power

        圖4為不同激光功率下單道熔覆層的截面形貌。由圖4可知,所有試件與基材結(jié)合處均無氣孔和裂紋,熔覆層組織均勻致密。左下角為熔覆層的三維宏觀形貌,所有單道熔覆層連續(xù)均勻,無剝落現(xiàn)象發(fā)生。較大的激光功率可以使粉末完全熔化,不會大量落在已熔覆表面形成熔渣,故激光功率為2400 W和2700 W的試件表面質(zhì)量較好。

        圖4 不同激光功率下單道熔覆層的截面形貌Fig.4 Cross-section morphologies of single-pass clad layers under different laser powers(a) 1800 W; (b) 2100 W; (c) 2400 W; (d) 2700 W

        2.2 顯微組織

        不同激光功率下的顯微組織如圖5所示。圖5(a~d)為熔覆層中部顯微組織,可知,熔覆層中部的顯微組織以胞狀晶和細(xì)小枝晶為主,其中,圖5(a)枝晶生長方向較為一致,而圖5(b~d)則為無規(guī)律的交錯生長,這表明熔覆功率會影響熔覆層晶體生長方向。圖5(e~h)為熱影響區(qū)顯微組織,在高能激光束作用下,基材中珠光體受熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體,激光功率越大,針狀馬氏體轉(zhuǎn)變量越大。

        圖5 不同激光功率下熔覆層中部(a~d)及熱影響區(qū)(e~h)的顯微組織Fig.5 Microstructure of the clad layer middle part(a-d) and heat affected zone(e-h) under different laser powers(a,e) 1800 W; (b,f) 2100 W; (c,g) 2400 W; (d,h) 2700 W

        圖6為不同激光功率下熔覆層中部的二次枝晶間距與胞狀晶晶粒尺寸。隨著激光功率的增加,二次枝晶間距變化不大,胞狀晶晶粒尺寸有較明顯的減小趨勢,在2400 W時出現(xiàn)胞狀晶晶粒尺寸最小值(4.52 μm),表明激光功率的增大,有助于生成更為細(xì)小致密的熔覆層組織,進(jìn)而提升熔覆層性能。

        圖6 不同激光功率下熔覆層中部枝晶間距與胞狀晶晶粒尺寸Fig.6 Dendritic spacing and cellular crystal grain size of the clad layer middle part under different laser powers

        2.3 硬度

        圖7為不同激光功率下截面硬度分布。可見,熔覆層上部硬度差異較大,激光功率為2400 W時,硬度達(dá)到最大值669 HV0.5。不同激光功率下的激光熔覆區(qū)(LCDZ)平均硬度為624 HV0.5,是基材(Sub)平均硬度的2.4倍,熔覆材料瞬時融化凝固產(chǎn)生晶粒細(xì)化現(xiàn)象,提高了熔覆層硬度。隨激光功率的增加,熱影響區(qū)(HAZ)硬度數(shù)值變化較大(隨激光功率的增大而增大),在激光功率為2700 W時達(dá)到最大值641 HV0.5。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于:激光功率增大,靠近邊界的基材部分吸收能量增加,使熱影響區(qū)硬度提高;結(jié)合熱影響區(qū)的顯微組織可知,隨著激光功率增大,熱影響區(qū)中的針狀馬氏體數(shù)量增加,進(jìn)一步提升HAZ的硬度。

        圖7 不同激光功率下試樣截面硬度的變化曲線Fig.7 Hardness profiles of cross section of the specimen under different laser powers

        2.4 摩擦磨損性能

        圖8為不同激光功率下試樣的摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線及磨損量,圖9為磨損截面輪廓圖??芍?個試件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段耗時分別約為400、400、300及300 s;在穩(wěn)定磨損階段內(nèi),其平均摩擦因數(shù)分別為0.71、0.74、0.67、0.73。在相同磨損條件下,試件均出現(xiàn)較深的犁溝,表明在磨損過程中存在嚴(yán)重的磨粒磨損,其中,激光功率為2400 W的試件磨損量最小,為8 mg,磨損深度最小,為11.3 μm,表明該試件具有較好的耐磨性。結(jié)合顯微組織與硬度,激光功率為2400 W時,試件的顯微組織較細(xì)小,熔覆層上部硬度值最高,因此在磨損過程中不易被磨粒磨削,耐磨性優(yōu)良[15]。

        圖8 不同激光功率下試樣的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線及磨損量Fig.8 Variation curves of friction coefficient with time and wear loss of the specimens under different laser powers(a) 1800 W; (b) 2100 W; (c) 2400 W; (d) 2700 W

        圖9 不同激光功率下試樣的磨損截面輪廓Fig.9 Wear profiles of the specimens under different laser powers

        3 結(jié)論

        1) 隨激光功率增加,激光熔覆試樣的熔寬w、熔深h和稀釋率λ逐漸增大,而熔高H則是先增大后減小。激光功率較低時,熔覆層中部枝晶生長方向較為一致;激光功率較高時,熱影響區(qū)吸收能量轉(zhuǎn)化而成的針狀馬氏體數(shù)量增加。激光功率對熔覆層平均硬度影響不大,但增大激光功率可提高熱影響區(qū)硬度。

        2) 隨激光功率的增加,試件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段耗時有所減少。在穩(wěn)定磨損階段,熔覆試件的平均摩擦因數(shù)約為0.7;激光功率為2400 W時,試件的平均摩擦因數(shù)最小、磨損量最小、磨損深度最小,說明該試件具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能。

        3) 27SiMn鋼表面制備Fe-Cr-Ni基熔覆層的最佳激光功率為2400 W,熔覆層組織均勻致密無裂紋、硬度較高、耐摩擦磨損性能良好。

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