Cínový bronz je základním materiálem pro díly podléhající opotřebení a je široce používán v průmyslové oblasti. Byla analyzována metalografická struktura a energetické spektrum cínového bronzu CuSn12Ni2 a prášek cínového bronzu CuSn12Ni2 byl nanesen na substrát z legované oceli 42CrMo pomocí vysokorychlostní laserové opláštění proces pro provedení zkoušky pevnosti spoje. Výsledky výzkumu ukazují, že metalurgického spojení je dosaženo mezi cínovým bronzem CuSn12Ni2 a substrátem z legované oceli 42CrMo.

1. Pozadí výzkumu

Cínový bronz je široce používán v průmyslové oblasti jako jeden ze základních materiálů pro třecí a opotřebitelné díly. Tento materiál je zvláště vhodný pro nízké rychlosti a vysoké zatížení. Mezi hlavní formy používané v kluzných ložiskách patří jednoduchá kovová pouzdra a axiální ložiska, práškově sintrovaná bimetalová pouzdra a axiální ložiska, odstředivě litá bimetalová pouzdra a axiální ložiska, zvlákňovací jednokovová pouzdra, pouzdra z jednoho kovu práškovou metalurgií atd. Laserové plátování je účinný povrch technologie opravy zpevnění a renovace s výhodami dobrého spojení s podkladem, nízkou rychlostí ředění a malou tepelně ovlivněnou zónou. Laserové plátování je komplexní proces multiparametrové vazby. Parametry jako výkon laseru, rychlost laserového skenování, rychlost podávání prášku a průměr bodu jsou velmi důležité pro kvalitu plátovací vrstvy. Výroba aditiv laserového plátování byla studována v mnoha aspektech doma i v zahraničí. U konvenčního laserového plátování však prášek absorbuje 20% energie, míra využití energie je nízká, míra ředění je 5%~15% a následný objem zpracování je po dokončení plátování velký a náklady na zpracování je vysoká. U vysokorychlostního laserového plátování může prášek absorbovat 80% energie, míra využití energie je vysoká, míra ředění může být menší než 3% a následný objem zpracování je po dokončení plátování malý a zpracování náklady jsou nízké. Technologie vysokorychlostního nebo dokonce ultravysokorychlostního laserového plátování optimalizuje formu tavení a poměr absorpce energie prášku, zvyšuje rychlost nanášení materiálu a získává vysoce účinnou, bezvadnou, vysokou pevnost spoje a nízkou vrstva plátování s mírou ředění, která je výhodnější než tradiční laserové plátování. Proces přípravy vysokorychlostního laserového povlaku se používá k přípravě vrstvy slitiny cínu a bronzu na ocelovém substrátu hřídele, což může vyřešit problém běžících kruhů způsobených tečením způsobeným dlouhodobým přesahem mezi pouzdrem hřídele a ocelí. substrát. A poté, co vrstva slitiny cínového bronzu selže, může být zpracována a odstraněna a poté znovu pokryta, aby se dosáhlo repasování. V současné době existuje relativně málo studií o vysokorychlostním laserovém plátování práškového cínového bronzu na substrátech ocelových hřídelů. Autor aplikuje technologii vysokorychlostního laserového plátování na plátovaný cínový bronzový prášek CuSn12Ni2 na substrát z legované oceli 42CrMo ke studiu mikrosložení a organizace materiálu a pevnosti makrospojení dvouvrstvého kovového materiálu. Výsledky výzkumu ukazují, že cínový bronz CuSn12Ni2 a substrát z legované oceli 42CrMo dosáhly metalurgického spojení.

2 Příprava vzorku

Aby bylo možné plně prostudovat pevnost spojování materiálu, jsou nejprve připraveny výzkumné vzorky, včetně rovinných vzorků používaných k testování defektů materiálu a chemického složení v blízkosti povrchu spojování materiálu a kruhových vzorků používaných k testování pevnosti spojování materiálu.

2.1 Příprava prášku

Čím koncentrovanější je velikost částic, tím lepší je sférický tvar a čím rovnoměrnější je rozložení složení prášku použitého pro vysokorychlostní laserové plátování, tím lepší je tekutost prášku a tím méně defektů po plátování, zejména pro lepení. povrchu, bude méně vad. Autorem použitý cínový bronzový prášek CuSn12Ni2 se získává procesem rozprašování plynem. Principem je použití vysokorychlostního proudění vzduchu k rozbití kapaliny ze slitiny mědi na drobné kapičky a následné rychlé ochlazení za vzniku kulovitých kovových částic. Velikost částic je koncentrována hlavně v 50~150μm a kulovitost je dobrá, jak ukazuje obrázek 1. Metalografická zrna uvnitř prášku cínového bronzu jsou jemná. Obrázek 2 (a) ukazuje většinu rovnoosých krystalů a obrázek 2 (b) ukazuje malou část dendritů. Kromě toho analýza průřezového energetického spektra prášku cínového bronzu ukazuje, že distribuce prvků mědi, cínu a niklu je relativně rovnoměrná a nedochází k žádné segregaci.

2.2 Příprava vzorku

Příprava vzorku využívá vysokorychlostní proces laserového plátování, ve kterém je zdrojem světla laserového plátovacího zařízení vláknový laser s vlnovou délkou laseru asi 1.06 μm a maximálním výkonem 6 kW. Poté, co je laser emitován z konektoru vlákna, je přeměněn na paralelní světlo prostřednictvím kolimační čočky a poté zaostřen pomocí zaostřovací čočky, aby se soustředila energie v jednom bodě, a kov se v ohnisku roztaví, aby se dosáhlo zpracování laserového plátování. Koaxiální prstencový nosič plynu se používá k rovnoměrnému dodávání prášku. Plyn dodávající prášek je argon. Argon se zároveň používá jako ochranný plyn pro snížení oxidace materiálů při laserovém plátování. Aby se odstranilo přebytečné teplo generované laserem v procesu přeměny elektrické energie na světelnou energii, a aby se odstranila část tepla absorbovaného čočkou odrážející laserový paprsek ve vnější optické dráze, je k dispozici vodní chlazení. laser.

Tloušťka plátovací vrstvy v autorově studii je 1.2 mm, rychlost plátování je 60~100mm/s, průměr bodu je 2mm, množství přiváděného prášku je 40~50g/min a výkon laseru je 4500kW~4800kW.

Rovinný vzorek připravený procesem vysokorychlostního laserového plátování je znázorněn na obrázku 3, který se používá k charakterizaci a analýze materiálu v blízkosti lepeného povrchu cínového bronzu CuSn12Ni2 a substrátu z legované oceli 42CrMo. V konkrétní operaci je nutné odebrat vzorky z rovinného vzorku a následně vzorek připravit pro analýzu metalografické struktury a analýzu energetického spektra. Normální zkušební vzorek pevnosti spojení připravený procesem vysokorychlostního laserového plátování je znázorněn na obrázku 4, který se používá ke stanovení pevnosti spojení mezi cínovým bronzem CuSn12Ni2 a substrátem z legované oceli 42CrMo.

3 Charakterizace a analýza vysokorychlostních laserových povlakových materiálů

3.1 Metalografická struktura

Vzorek byl podroben metalografické analýze. Analytické zařízení používalo mikroskop s ultrahloubkou pole. Obrázek 5 ukazuje morfologii mikrostruktury vzorku před korozí a obrázek 6 ukazuje metalografickou strukturu vzorku po korozi. Roztok použitý pro vzorek koroze je složen ze směsi tří látek: 10 gFeCl, 6H, 0, 2 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové o hustotě 1.16 g/ml a 98 ml roztoku ethanolu s objemovým podílem 95 %. Z obrázku 5 je vidět, že cínový bronz CuSn12Ni2 připravený procesem vysokorychlostního laserového plátování má stále určité póry a největší průměr pórů je 97.14 μm. Z obrázku 6 je vidět, že metalografická struktura vzorku po korozi jsou převážně dendrity v blízkosti vazebného povrchu a rovnoosá zrna se tvoří hlavně blíže k povrchu cínového bronzu CuSn12Ni2. Hlavním důvodem je, že čím blíže k povrchu, tím větší je stupeň podchlazení, tím snazší je vytvořit rovnoosá zrna a čím blíže k povrchu vazby, tím menší je stupeň podchlazení, což více přispívá k tvorbě dendritová zrna.

3.2 Analýza energetického spektra

Během procesu laserového plátování určité množství prvků v cínovém bronzu CuSn12Ni2 pronikne do matrice z legované oceli 42CrMo a vytvoří metalurgickou vazbu v blízkosti lepeného povrchu. Účelem analýzy energetického spektra na lepeném povrchu je, že míra ředění cínového bronzu CuSn12Ni2 není vysoká, takže proces má malý vliv na složení a mechanické vlastnosti cínového bronzu. I když rychlost zředění není vysoká, do matrice legované oceli vstupuje malé množství prvků, což naznačuje, že metalurgická vazba se vyskytuje v blízkosti spojovacího povrchu.

4 Zkouška pevnosti spoje

Poté, co je materiál z cínového bronzu CuSn12Ni2 nanesen na matrici z legované oceli 42CrMo vysokorychlostním laserovým procesem, musí mít vysokou pevnost spojení s matricí, když je použit jako vrstva kluzné vrstvy snižující tření a odolná proti opotřebení. ložisko. Toho lze dosáhnout úpravou parametrů procesu pokovování vysokorychlostním laserem. Autor připravil vzorky pro zkoušku pevnosti spojení podle národní normy GB/T12948-1991 „Destrukční zkušební metoda pro pevnost bimetalického spojení kluzných ložisek“ a provedl zkoušku pevnosti spojení. Mez kluzu materiálu cínového bronzu CuSn12Ni2 je 140MPa~150MPa a pevnost v tahu je 260MPa~300MPa. Když je pevnost spoje menší než mez kluzu, dojde na povrchu spoje k lomu. Když je pevnost spoje mezi mezí kluzu a pevností v tahu, dojde k lomu na povrchu spoje, ale těleso z cínového bronzu CuSn12 již povolilo. Když je pevnost spoje větší než pevnost v tahu, dojde k lomu v těle z cínového bronzu CuSn12Ni2. Normální zkouška pevnosti spojení je zobrazena na obrázku 8 a výsledky testu jsou uvedeny na obrázku 9. Jak je vidět z obrázku 9, normální pevnosti spojení dvou vzorků po testu jsou 429.5 MPa a 326.6 MPa, v tomto pořadí, jsou větší než pevnost v tahu materiálu, což naznačuje, že pevnost spoje lepeného povrchu přesahuje pevnost v tahu cínového bronzu CuSn12Ni2. Z testu je známo, že lomová plocha vzorku je těleso z cínového bronzu CuSn12Ni2, jak je znázorněno na obrázku 10, což také potvrzuje, že pevnost spojení spojovacího povrchu přesahuje pevnost v tahu cínového bronzu CuSn12Ni2. Výsledky testu pevnosti spojení také ukazují, že cínový bronz CuSn12Ni2 a matrice z legované oceli 42CrMo mají metalurgickou vazbu.

Závěr 5

Autor studoval vazebné vlastnosti CuSn12Ni2 cínového bronzu a matrice legované oceli připravené vysokorychlostním laserovým procesem plátování a zjistil, že CuSn12Ni2 cínový bronz a matrice legované oceli 42CrMo vytvořily metalurgické spojení.

V blízkosti lepeného povrchu je cínový bronz CuSn12Ni2 převážně dendrity. V blízkosti povrchu cínového bronzu CuSn12Ni2 jsou převážně přítomny rovnoosé krystaly. To znamená, že podchlazení v blízkosti lepeného povrchu je malé a podchlazení na povrchu je velké.

Rychlost ředění cínového bronzu CuSn12Ni2 vysokorychlostním laserovým procesem plátování není příliš vysoká, takže proces má malý vliv na složení a mechanické vlastnosti cínového bronzu.

Když jsou parametry procesu plátování vysokorychlostním laserem nastaveny na vhodné parametry, může pevnost spoje lepeného povrchu překročit pevnost v tahu cínového bronzu CuSn12Ni2.