高速激光熔覆錫青銅與合金鋼基體結合性能研究

□ 王新波 □ 方孝紅

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

錫青銅作為摩擦磨損件的基礎材料之一在工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛,該材料特別適合于低速重載工況,應用于滑動(dòng)軸承的主要形式有單金屬軸套與推力軸承、粉末燒結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?jiǎn)谓饘佥S套、粉末冶金單金屬軸套等。激光熔覆是一種高效的表面強化與再制造修復技術(shù),具有與基體結合效果好、稀釋率低、熱影響區小等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆是多參數耦合的復雜過(guò)程,激光功率、激光掃描速度、送粉速度、光斑直徑等參數對熔覆層的質(zhì)量非常重要,國內外已經(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(wú)缺陷、高結合強度、低稀釋率的熔覆層,比傳統激光熔覆更有優(yōu)勢。應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(cháng)時(shí)間過(guò)盈配合產(chǎn)生蠕變而導致的跑圈問(wèn)題。并且錫青銅合金層出現失效后,可以將其加工去除后重新熔覆,從而實(shí)現再制造。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(guān)成分和組織、宏觀(guān)結合強度對雙層金屬材料的結合情況。研究結果證明,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體已經(jīng)達到了冶金結合。

為了對材料的結合強度進(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合面附近的化學(xué)成分采用的平面試樣,測試材料結合強度采用的圓形試樣。

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(dòng)性就越好,熔覆之后缺陷也就越少,特別對于結合面而言,缺陷會(huì )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。錫青銅粉末內部金相晶粒較細,圖2(a)所示為大部分等軸晶,圖2(b)所示為小部分樹(shù)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,未出現偏析現象。

▲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,其中激光熔覆設備的光源為光纖激光器,激光波長(cháng)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(guò)準直透鏡變?yōu)槠叫泄?然后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡實(shí)現聚焦,將能量集中于一點(diǎn),在焦點(diǎn)處將金屬熔化實(shí)現激光熔覆加工。采用同軸環(huán)形氣載送粉,送粉均勻,送粉氣體為氬氣,同時(shí)氬氣作為保護氣體,可減少激光熔覆過(guò)程中材料的氧化。為帶走激光器在電能轉換為光能過(guò)程中產(chǎn)生的多余熱量,同時(shí)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。

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合金鋼基體結合面附近區域進(jìn)行材料表征和分析,具體操作時(shí)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合強度測試試樣如圖4所示,用于測定CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體之間的結合強度。

▲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合強度測試試樣

3.1 金相組織

對試樣進(jìn)行金相分析,分析設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體積分數為95%的乙醇溶液。通過(guò)觀(guān)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,靠近結合面附近,CuSn12Ni2錫青銅以樹(shù)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(guò)冷度越大,越容易形成等軸晶粒,越靠近結合面,過(guò)冷度越小,越利于樹(shù)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(guò)程中,CuSn12Ni2錫青銅中會(huì )有一定量的元素滲透到42CrMo合金鋼基體中,在結合面附近形成冶金結合。在結合面處進(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(guò)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)成分相對較穩定,能夠更好地保持材料原有的機械性能。在平面試樣上取樣,進(jìn)行結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)注元素分布在結合面處較為分明,說(shuō)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(shuō)明結合面附近產(chǎn)生了冶金結合。

▲圖7 結合面附近能譜掃描分析結果

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

▲圖8 法向結合強度試驗

▲圖9 法向結合強度試驗結果

▲圖10 法向結合強度試驗斷裂后試樣

在結合面附近,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(shuō)明結合面附近過(guò)冷度較小,表層過(guò)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械性能的影響較小。

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

高速激光熔覆工藝參數調整到合適參數,結合面結合強度可以超過(guò)CuSn12Ni2錫青銅抗拉強度。