El bronze d'estany és un material bàsic per a peces de desgast i s'utilitza àmpliament en l'àmbit industrial. Es va analitzar l'estructura metal·logràfica i l'espectre energètic del bronze d'estany CuSn12Ni2 i la pols de bronze d'estany CuSn12Ni2 es va revestir al substrat d'acer d'aliatge 42CrMo mitjançant un revestiment làser d'alta velocitat procés per dur a terme una prova de força d'unió. Els resultats de la investigació mostren que s'aconsegueix unió metal·lúrgica entre el bronze d'estany CuSn12Ni2 i el substrat d'acer d'aliatge 42CrMo.

1. Antecedents de la investigació

El bronze d'estany s'utilitza àmpliament en l'àmbit industrial com un dels materials bàsics per a les peces de fricció i desgast. Aquest material és especialment adequat per a condicions de baixa velocitat i càrrega pesada. Les formes principals utilitzades en els coixinets lliscants inclouen coixinets metàl·lics únics i coixinets d'embranzida, coixinets bimetall sinteritzats en pols i coixinets d'empenta, coixinets i coixinets d'empenta bimetàl·lics colats de forma centrífuga, mànigues metàl·liques simples giratòries, metal·lúrgia en pols, mànigues de metall únic, etc. tecnologia de reparació d'enfortiment i remanufactura amb els avantatges d'una bona unió amb el substrat, baixa taxa de dilució i petita zona afectada per la calor. El revestiment làser és un procés complex d'acoblament multi-paràmetre. Paràmetres com ara la potència del làser, la velocitat d'escaneig làser, la velocitat d'alimentació de la pols i el diàmetre del punt són molt importants per a la qualitat de la capa de revestiment. La fabricació d'additius de revestiment làser s'ha estudiat en molts aspectes a casa i a l'estranger. Tanmateix, per al revestiment làser convencional, la pols absorbeix el 20% de l'energia, la taxa d'utilització d'energia és baixa, la taxa de dilució és del 5% ~ 15% i el volum de processament posterior és gran un cop finalitzat el revestiment i el cost de processament. és alt. Per al revestiment làser d'alta velocitat, la pols pot absorbir el 80% de l'energia, la taxa d'utilització d'energia és alta, la taxa de dilució pot ser inferior al 3% i el volum de processament posterior és petit després de completar el revestiment i el processament. el cost és baix. La tecnologia de revestiment làser d'alta velocitat o fins i tot d'ultra alta velocitat optimitza la forma de fusió i la relació d'absorció d'energia de la pols, augmenta la taxa de deposició del material i obté una força d'unió alta, sense defectes i d'alta eficiència i baixa. capa de revestiment de velocitat de dilució, que és més avantatjosa que el revestiment làser tradicional. El procés de preparació del revestiment làser d'alta velocitat s'utilitza per preparar la capa d'aliatge d'estany-bronze al substrat de l'eix d'acer, que pot resoldre el problema dels cercles de circulació causats per la fluïdesa causada per l'ajust d'interferència a llarg termini entre la màniga de l'eix i l'acer. substrat. I després que la capa d'aliatge de bronze d'estany falli, es pot processar i eliminar i tornar a revestir per aconseguir la remanufactura. Actualment, hi ha relativament pocs estudis sobre el revestiment làser d'alta velocitat de pols de bronze d'estany sobre substrats d'eix d'acer. L'autor aplica la tecnologia de revestiment làser d'alta velocitat per revestir pols de bronze d'estany CuSn12Ni2 sobre un substrat d'acer d'aliatge 42CrMo per estudiar la microcomposició i l'organització del material i la força d'unió macro del material metàl·lic de doble capa. Els resultats de la investigació mostren que el bronze d'estany CuSn12Ni2 i el substrat d'acer d'aliatge 42CrMo han aconseguit unió metal·lúrgica.

2 Preparació de mostres

Per tal d'estudiar completament la força d'unió del material, primer es preparen les mostres d'investigació, incloses mostres planes utilitzades per provar defectes del material i la composició química a prop de la superfície d'unió del material, i mostres circulars utilitzades per provar la força d'unió del material.

2.1 Preparació en pols

Com més concentrada sigui la mida de la partícula, millor serà la forma esfèrica i més uniforme sigui la distribució de la composició de la pols utilitzada per al revestiment làser d'alta velocitat, millor serà la fluïdesa de la pols i menys defectes després del revestiment, especialment per a la unió. superfície, hi haurà menys defectes. La pols de bronze d'estany CuSn12Ni2 utilitzada per l'autor s'obté per procés d'atomització de gas. El principi és utilitzar un flux d'aire d'alta velocitat per trencar el líquid d'aliatge de coure en petites gotes i després refredar-lo ràpidament per formar partícules metàl·liques esfèriques. La mida de la partícula es concentra principalment en 50 ~ 150 μm i l'esfericitat és bona, tal com es mostra a la figura 1. Els grans metal·logràfics dins de la pols de bronze d'estany estan bé. La figura 2 (a) mostra la majoria dels cristalls equiaxials, i la figura 2 (b) mostra una petita part de les dendrites. A més, l'anàlisi de l'espectre d'energia transversal de la pols de bronze d'estany mostra que la distribució dels elements de coure, estany i níquel és relativament uniforme i no es produeix cap segregació.

2.2 Preparació de mostres

La preparació de la mostra adopta un procés de revestiment làser d'alta velocitat, en el qual la font de llum de l'equip de revestiment làser és un làser de fibra amb una longitud d'ona làser d'uns 1.06 μm i una potència màxima de 6 kW. Després que el làser s'emet des del connector de fibra, es converteix en llum paral·lela a través d'una lent col·limadora, i després es focalitza a través d'una lent d'enfocament per concentrar l'energia en un punt, i el metall es fon al focus per aconseguir el processament del revestiment làser. El transportador de gas anular coaxial s'utilitza per lliurar la pols de manera uniforme. El gas de lliurament de pols és argó. Al mateix temps, l'argó s'utilitza com a gas protector per reduir l'oxidació dels materials durant el revestiment làser. Per tal d'eliminar l'excés de calor generat pel làser en el procés de conversió d'energia elèctrica en energia lluminosa, i per eliminar part de la calor absorbida per la lent que reflecteix el feix làser en el camí òptic extern, es disposa d'un sistema de refrigeració per aigua. el làser.

El gruix de la capa de revestiment de l'estudi de l'autor és d'1.2 mm, la velocitat de revestiment és de 60 ~ 100 mm / s, el diàmetre del punt és de 2 mm, la quantitat d'alimentació de pols és de 40 ~ 50 g / min i la potència del làser és de 4500kW ~ 4800kW.

La mostra plana preparada pel procés de revestiment làser d'alta velocitat es mostra a la figura 3, que s'utilitza per caracteritzar i analitzar el material prop de la superfície d'unió del bronze d'estany CuSn12Ni2 i el substrat d'acer d'aliatge 42CrMo. En l'operació específica, cal prendre mostres de la mostra plana i, a continuació, preparar la mostra per a l'anàlisi de l'estructura metal·logràfica i l'anàlisi de l'espectre energètic. La mostra de prova de força d'unió normal preparada pel procés de revestiment làser d'alta velocitat es mostra a la figura 4, que s'utilitza per determinar la força d'unió entre el bronze d'estany CuSn12Ni2 i el substrat d'acer d'aliatge 42CrMo.

3 Caracterització i anàlisi de materials de revestiment làser d'alta velocitat

3.1 Estructura metal·logràfica

La mostra es va sotmetre a anàlisi metal·logràfica. L'equip d'anàlisi utilitzava un microscopi d'ultra profunditat de camp. La figura 5 mostra la morfologia de la microestructura de la mostra abans de la corrosió, i la figura 6 mostra l'estructura metal·logràfica de la mostra després de la corrosió. La solució utilitzada per a la mostra de corrosió es compon d'una barreja de tres substàncies: 10gFeCl, 6H, 0, 2mL de solució d'àcid clorhídric amb una densitat d'1.16 g/mL i 98mL de solució d'etanol amb una fracció de volum del 95%. A la figura 5 es pot veure que el bronze d'estany CuSn12Ni2 preparat pel procés de revestiment làser d'alta velocitat encara té certs porus i el diàmetre de porus més gran és de 97.14 μm. A la figura 6 es pot veure que l'estructura metal·logràfica de la mostra després de la corrosió és principalment dendrites a prop de la superfície d'enllaç i els grans equiaxials es formen principalment més a prop de la superfície del bronze d'estany CuSn12Ni2. La raó principal és que com més a prop de la superfície, més gran sigui el grau de superrefrigerament, més fàcil és formar grans equiaxials, i com més a prop de la superfície d'enllaç, menor serà el grau de superrefrigerament, que és més propici per a la formació de grans de dendrita.

3.2 Anàlisi de l'espectre energètic

Durant el procés de revestiment làser, una certa quantitat d'elements en bronze d'estany CuSn12Ni2 penetraran a la matriu d'acer d'aliatge 42CrMo i formaran un enllaç metal·lúrgic a prop de la superfície d'enllaç. L'objectiu de l'anàlisi de l'espectre d'energia a la superfície d'enllaç és que la taxa de dilució del bronze d'estany CuSn12Ni2 no sigui alta, de manera que el procés té poc efecte sobre la composició i les propietats mecàniques del bronze d'estany. Tot i que la taxa de dilució no és alta, una petita quantitat d'elements entren a la matriu d'acer d'aliatge, cosa que indica que la unió metal·lúrgica es produeix a prop de la superfície d'enllaç.

4 Prova de força d'unió

Després que el material de bronze d'estany CuSn12Ni2 estigui revestit a la matriu d'acer d'aliatge de 42CrMo mitjançant un procés de revestiment làser d'alta velocitat, ha de tenir una gran força d'unió amb la matriu quan s'utilitza com a capa reductora de la fricció i resistent al desgast d'un lliscament. coixinet. Això es pot obtenir ajustant els paràmetres del procés de revestiment làser d'alta velocitat. L'autor va preparar les mostres per a la prova de resistència d'unió segons l'estàndard nacional GB/T12948-1991 "Mètode de prova destructiva per a la resistència de l'enllaç bimetàl·lic dels coixinets de lliscament" i va realitzar una prova de resistència d'unió. La resistència a la fluència del material de bronze d'estany CuSn12Ni2 és de 140MPa ~ 150MPa i la resistència a la tracció és de 260MPa ~ 300MPa. Quan la força d'unió és menor que la força elàstica, es produirà una fractura a la superfície d'unió. Quan la força d'unió està entre la resistència elàstica i la resistència a la tracció, la fractura encara es produirà a la superfície d'unió, però el cos de bronze d'estany CuSn12 ja ha cedit. Quan la força d'unió és superior a la resistència a la tracció, es produirà una fractura al cos de material de bronze d'estany CuSn12Ni2. La prova de força d'unió normal es mostra a la figura 8 i els resultats de la prova es mostren a la figura 9. Com es pot veure a la figura 9, les forces d'unió normals de les dues mostres després de la prova són de 429.5 MPa i 326.6 MPa, respectivament, que són superiors a la resistència a la tracció del material, cosa que indica que la força d'unió de la superfície d'unió supera la resistència a la tracció del bronze d'estany CuSn12Ni2. La superfície de fractura de la mostra es coneix per la prova que és el cos de bronze d'estany CuSn12Ni2, tal com es mostra a la figura 10, que també confirma que la força d'unió de la superfície d'unió supera la resistència a la tracció del bronze d'estany CuSn12Ni2. Els resultats de la prova de força d'unió també mostren que el bronze d'estany CuSn12Ni2 i la matriu d'acer d'aliatge 42CrMo tenen unió metal·lúrgica.

5 Conclusió

L'autor va estudiar el rendiment d'unió del bronze d'estany CuSn12Ni2 i la matriu d'acer d'aliatge preparada mitjançant un procés de revestiment làser d'alta velocitat i va trobar que el bronze d'estany CuSn12Ni2 i la matriu d'acer d'aliatge 42CrMo produïen unió metal·lúrgica.

A prop de la superfície d'unió, el bronze d'estany CuSn12Ni2 és principalment dendrites. A prop de la superfície del bronze d'estany CuSn12Ni2, hi ha principalment cristalls equiaxials. Això indica que el refredament inferior a prop de la superfície d'enllaç és petit i el refredament inferior a la superfície és gran.

La taxa de dilució del bronze d'estany CuSn12Ni2 mitjançant un procés de revestiment làser d'alta velocitat no és molt alta, de manera que el procés té poc efecte sobre la composició i les propietats mecàniques del bronze d'estany.

Quan els paràmetres del procés de revestiment làser d'alta velocitat s'ajusten als paràmetres adequats, la força d'unió de la superfície d'unió pot superar la resistència a la tracció del bronze d'estany CuSn12Ni2.