Калайеният бронз е основен материал за износващи се части и се използва широко в индустриалната област. Металографската структура и енергийният спектър на CuSn12Ni2 калаен бронз бяха анализирани и CuSn12Ni2 калаен бронзов прах беше покрит върху субстрат от легирана стомана 42CrMo с помощта на високоскоростно лазерно облицоване процес за провеждане на тест за якост на свързване. Резултатите от изследването показват, че се постига металургично свързване между калаен бронз CuSn12Ni2 и основа от легирана стомана 42CrMo.

1. Изследователски опит

Калайеният бронз се използва широко в промишлеността като един от основните материали за триене и износващи се части. Този материал е особено подходящ за условия на ниска скорост и тежко натоварване. Основните форми, използвани в плъзгащите лагери, включват единични метални втулки и аксиални лагери, прахово синтеровани биметални втулки и аксиални лагери, центробежно отлети биметални втулки и аксиални лагери, въртящи се единични метални втулки, единични метални втулки в праховата металургия и др. Лазерното покритие е ефективна повърхност технология за укрепване и възстановяване на ремонта с предимствата на добра връзка със субстрата, ниска степен на разреждане и малка зона, засегната от топлина. Лазерното покритие е сложен процес на многопараметрично свързване. Параметри като лазерна мощност, скорост на лазерно сканиране, скорост на подаване на прах и диаметър на петна са много важни за качеството на облицовъчния слой. Производството на добавки за лазерни облицовки е изследвано в много аспекти у дома и в чужбина. Въпреки това, за конвенционалното лазерно облицоване прахът абсорбира 20% от енергията, степента на използване на енергията е ниска, степента на разреждане е 5%~15%, а последващият обем на обработка е голям след завършване на облицовката и разходите за обработка е високо. За високоскоростно лазерно облицоване прахът може да абсорбира 80% от енергията, степента на използване на енергията е висока, степента на разреждане може да бъде по-малка от 3%, а последващият обем на обработка е малък след завършване на облицовката и обработката цената е ниска. Технологията за високоскоростно или дори ултрависокоскоростно лазерно облицоване оптимизира формата на топене и коефициента на поглъщане на енергия на праха, увеличава скоростта на отлагане на материала и постига високоефективна, бездефектна, висока якост на свързване и ниско- облицовъчен слой със скорост на разреждане, който е по-изгоден от традиционното лазерно облицоване. Високоскоростният процес на подготовка на лазерно облицоване се използва за подготовка на слоя от калаено-бронзова сплав върху основата на стоманения вал, което може да реши проблема с движещи се кръгове, причинени от пълзене, причинено от дълготрайното намесено прилягане между втулката на вала и стоманата субстрат. И след като слоят от калаено-бронзова сплав се повреди, той може да бъде обработен и отстранен и след това отново облечен, за да се постигне повторно производство. Понастоящем има относително малко проучвания за високоскоростно лазерно облицоване на прах от калаен бронз върху субстрати от стоманен вал. Авторът прилага технология за високоскоростно лазерно облицоване към покрит CuSn12Ni2 калаен бронзов прах върху субстрат от легирана стомана 42CrMo, за да изследва микросъстава и организацията на материала и силата на макросвързване на двуслойния метален материал. Резултатите от изследването показват, че CuSn12Ni2 калаен бронз и субстрат от легирана стомана 42CrMo са постигнали металургично свързване.

2 Подготовка на пробата

За да се проучи напълно силата на свързване на материала, първо се подготвят пробите за изследване, включително равнинни проби, използвани за тестване на дефекти на материала и химичен състав в близост до повърхността на свързване на материала, и кръгли проби, използвани за тестване на якостта на свързване на материала.

2.1 Приготвяне на прах

Колкото по-концентриран е размерът на частиците, толкова по-добра е сферичната форма и колкото по-равномерно е разпределението на състава на праха, използван за високоскоростно лазерно покритие, толкова по-добра е течливостта на праха и по-малко дефекти след покритието, особено за свързване повърхност, ще има по-малко дефекти. Прахът от калаен бронз CuSn12Ni2, използван от автора, е получен чрез процес на газова пулверизация. Принципът е да се използва високоскоростен въздушен поток, за да се разбие течността от медна сплав на малки капчици и след това бързо да се охлади, за да се образуват сферични метални частици. Размерът на частиците е концентриран главно в 50 ~ 150 μm, а сферичността е добра, както е показано на фигура 1. Металографските зърна вътре в праха от калаен бронз са фини. Фигура 2 (a) показва повечето от равноосните кристали, а Фигура 2 (b) показва малка част от дендритите. В допълнение, анализът на енергийния спектър на напречното сечение на калаено-бронзовия прах показва, че разпределението на елементите мед, калай и никел е относително равномерно и не се получава сегрегация.

2.2 Подготовка на пробата

При подготовката на пробата се използва високоскоростен процес на лазерно облицоване, при който източникът на светлина на оборудването за лазерно облицоване е влакнест лазер с лазерна дължина на вълната около 1.06 μm и максимална мощност от 6kW. След като лазерът се излъчи от влакнестия конектор, той се преобразува в паралелна светлина чрез колимираща леща и след това се фокусира през фокусираща леща, за да се концентрира енергията в една точка, а металът се разтопява във фокуса, за да се постигне обработка на лазерна облицовка. Коаксиалният пръстеновиден газов носител се използва за равномерно подаване на прах. Газът за доставяне на прах е аргон. В същото време аргонът се използва като защитен газ за намаляване на окисляването на материалите по време на лазерно облицоване. За да се отстрани излишната топлина, генерирана от лазера в процеса на преобразуване на електрическата енергия в светлинна, и да се отнеме част от топлината, погълната от лещата, отразяваща лазерния лъч по външния оптичен път, е предвидена система за водно охлаждане лазера.

Дебелината на облицовъчния слой в изследването на автора е 1.2 mm, скоростта на облицовката е 60 ~ 100 mm / s, диаметърът на петното е 2 mm, количеството на подаване на прах е 40 ~ 50 g / min, а мощността на лазера е 4500kW ~ 4800kW.

Плоската проба, приготвена чрез процеса на високоскоростно лазерно облицоване, е показана на Фигура 3, която се използва за характеризиране и анализ на материала в близост до повърхността на свързване на CuSn12Ni2 калаен бронз и субстрат от легирана стомана 42CrMo. При конкретната операция е необходимо да се вземат проби от равнинната проба и след това да се подготви пробата за металографски структурен анализ и анализ на енергийния спектър. Пробата за изпитване на нормална якост на свързване, изготвена чрез процеса на високоскоростно лазерно облицоване, е показана на фигура 4, която се използва за определяне на якостта на свързване между калаен бронз CuSn12Ni2 и субстрат от легирана стомана 42CrMo.

3 Характеризиране и анализ на високоскоростни лазерни облицовъчни материали

3.1 Металографска структура

Пробата беше подложена на металографски анализ. Оборудването за анализ използва микроскоп с ултрадълбочина на полето. Фигура 5 показва морфологията на микроструктурата на пробата преди корозия, а Фигура 6 показва металографската структура на пробата след корозия. Разтворът, използван за корозионната проба, се състои от смес от три вещества: 10gFeCl, 6H, 0mL разтвор на солна киселина с плътност 2g/mL и 1.16mL разтвор на етанол с обемна фракция 98%. От Фигура 95 може да се види, че калаеният бронз CuSn5Ni12, получен чрез процеса на високоскоростно лазерно облицоване, все още има определени пори, а най-големият диаметър на порите е 2 μm. Може да се види от Фигура 97.14, че металографската структура на пробата след корозия е главно дендрити близо до повърхността на свързване, а равноосните зърна се образуват главно по-близо до повърхността на CuSn6Ni12 калаен бронз. Основната причина е, че колкото по-близо до повърхността, толкова по-голяма е степента на преохлаждане, толкова по-лесно е да се образуват равноосни зърна и колкото по-близо до повърхността на свързване, толкова по-малка е степента на преохлаждане, което е по-благоприятно за образуването на дендритни зърна.

3.2 Анализ на енергийния спектър

По време на процеса на лазерно покритие определено количество елементи в калаен бронз CuSn12Ni2 ще проникнат в матрицата от легирана стомана 42CrMo и ще образуват металургична връзка близо до повърхността на свързване. Целта на анализа на енергийния спектър на повърхността на свързване е, че степента на разреждане на CuSn12Ni2 калаен бронз не е висока, така че процесът има малък ефект върху състава и механичните свойства на калаения бронз. Въпреки че степента на разреждане не е висока, малко количество елементи навлизат в матрицата от легирана стомана, което показва, че металургичното свързване се извършва близо до повърхността на свързване.

4 Тест за якост на свързване

След като материалът CuSn12Ni2 калаен бронз е облечен върху матрицата от легирана стомана 42CrMo чрез процес на високоскоростно лазерно облицоване, той трябва да има висока якост на свързване с матрицата, когато се използва като намаляващ триенето и устойчив на износване слой на плъзгане лагер. Това може да се постигне чрез регулиране на параметрите на процеса на високоскоростно лазерно облицоване. Авторът подготви образците за изпитване за якост на свързване съгласно националния стандарт GB/T12948-1991 „Метод за разрушителен тест за якост на биметална връзка на плъзгащи се лагери“ и проведе тест за якост на свързване. Границата на провлачване на CuSn12Ni2 калаен бронзов материал е 140MPa~150MPa, а якостта на опън е 260MPa~300MPa. Когато якостта на свързване е по-малка от границата на провлачване, ще настъпи счупване на повърхността на свързване. Когато якостта на свързване е между границата на провлачване и якостта на опън, счупването все още ще настъпи на повърхността на свързване, но тялото от калаен бронз CuSn12 вече е податливо. Когато якостта на свързване е по-голяма от якостта на опън, ще настъпи счупване в тялото на бронзов калай CuSn12Ni2. Тестът за нормална якост на свързване е показан на Фигура 8, а резултатите от теста са показани на Фигура 9. Както може да се види от Фигура 9, нормалните якости на свързване на двете проби след теста са съответно 429.5MPa и 326.6MPa, което са по-големи от якостта на опън на материала, което показва, че якостта на свързване на свързващата повърхност надвишава якостта на опън на CuSn12Ni2 калаен бронз. Повърхността на счупване на пробата е известно от теста, че е CuSn12Ni2 калаено бронзово тяло, както е показано на фигура 10, което също потвърждава, че якостта на свързване на свързващата повърхност надвишава якостта на опън на CuSn12Ni2 калаен бронз. Резултатите от теста за якост на свързване също показват, че CuSn12Ni2 калаен бронз и матрица от легирана стомана 42CrMo имат металургично свързване.

5 Заключение

Авторът изследва ефективността на свързване на CuSn12Ni2 калаен бронз и матрица от легирана стомана, приготвена чрез процес на високоскоростно лазерно облицоване, и установи, че CuSn12Ni2 калаен бронз и 42CrMo матрица от легирана стомана създават металургично свързване.

Близо до повърхността на свързване калаеният бронз CuSn12Ni2 е главно дендрит. Близо до повърхността на калаен бронз CuSn12Ni2 присъстват главно равноосни кристали. Това показва, че преохлаждането в близост до свързващата повърхност е малко, а преохлаждането на повърхността е голямо.

Степента на разреждане на CuSn12Ni2 калаен бронз чрез високоскоростен лазерен процес на облицовка не е много висока, така че процесът има малък ефект върху състава и механичните свойства на калаения бронз.

Когато параметрите на процеса на високоскоростно лазерно облицоване се регулират до подходящи параметри, якостта на свързване на свързващата повърхност може да надвиши якостта на опън на CuSn12Ni2 калаен бронз.