Zinnbronze ist ein Grundmaterial für Verschleißteile und wird im industriellen Bereich häufig verwendet. Die metallografische Struktur und das Energiespektrum von CuSn12Ni2-Zinnbronze wurden analysiert, und das CuSn12Ni2-Zinnbronzepulver wurde mithilfe eines Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen Verfahren zur Durchführung eines Tests der Bindungsstärke. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass eine metallurgische Bindung zwischen CuSn12Ni2-Zinnbronze und dem 42CrMo-Legierungsstahlsubstrat erreicht wird.

1. Forschungshintergrund

Zinnbronze wird in der Industrie häufig als eines der Grundmaterialien für Reibungs- und Verschleißteile verwendet. Dieses Material eignet sich besonders für niedrige Geschwindigkeiten und hohe Belastungen. Die wichtigsten Formen, die in Gleitlagern verwendet werden, sind einzelne Metallhülsen und Axiallager, pulvergesinterte Bimetallhülsen und Axiallager, schleudergegossene Bimetallhülsen und Axiallager, rotierende einzelne Metallhülsen, pulvermetallurgische einzelne Metallhülsen usw. Das Laserauftragschweißen ist eine effiziente Technologie zur Oberflächenverstärkung und -reparatur mit den Vorteilen einer guten Bindung mit dem Substrat, einer geringen Verdünnungsrate und einer kleinen Wärmeeinflusszone. Das Laserauftragschweißen ist ein komplexer Prozess der Mehrparameterkopplung. Parameter wie Laserleistung, Laserabtastgeschwindigkeit, Pulverzufuhrgeschwindigkeit und Punktdurchmesser sind für die Qualität der Plattierungsschicht sehr wichtig. Die additive Fertigung durch Laserauftragschweißen wurde im In- und Ausland in vielerlei Hinsicht untersucht. Beim herkömmlichen Laserplattieren absorbiert das Pulver jedoch 20 % der Energie, die Energienutzungsrate ist niedrig, die Verdünnungsrate beträgt 5 bis 15 %, das nachfolgende Verarbeitungsvolumen ist nach Abschluss des Plattierens groß und die Verarbeitungskosten sind hoch. Beim Hochgeschwindigkeits-Laserplattieren kann das Pulver 80 % der Energie absorbieren, die Energienutzungsrate ist hoch, die Verdünnungsrate kann weniger als 3 % betragen, das nachfolgende Verarbeitungsvolumen ist nach Abschluss des Plattierens klein und die Verarbeitungskosten sind niedrig. Die Hochgeschwindigkeits- oder sogar Ultrahochgeschwindigkeits-Laserplattierungstechnologie optimiert die Schmelzform und das Energieabsorptionsverhältnis des Pulvers, erhöht die Materialabscheidungsrate und erhält eine hocheffiziente, fehlerfreie, hochfeste und niedrigverdünnte Plattierungsschicht, die vorteilhafter ist als herkömmliches Laserplattieren. Das Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsvorbereitungsverfahren wird verwendet, um die Zinnbronze-Legierungsschicht auf dem Stahlwellensubstrat vorzubereiten, wodurch das Problem von Laufkreisen gelöst werden kann, die durch Kriechen aufgrund der langfristigen Interferenzpassung zwischen der Wellenhülse und dem Stahlsubstrat verursacht werden. Und nachdem die Zinnbronze-Legierungsschicht versagt hat, kann sie verarbeitet und entfernt und dann erneut plattiert werden, um eine Wiederaufbereitung zu erreichen. Derzeit gibt es relativ wenige Studien zum Hochgeschwindigkeits-Laserplattieren von Zinnbronzepulver auf Stahlwellensubstraten. Der Autor wendet die Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungstechnologie an, um CuSn12Ni2-Zinnbronzepulver auf ein 42CrMo-Legierungsstahlsubstrat zu plattieren, um die Mikrozusammensetzung und -organisation des Materials und die Makrobindungsstärke des doppelschichtigen Metallmaterials zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass CuSn12Ni2-Zinnbronze und das 42CrMo-Legierungsstahlsubstrat eine metallurgische Bindung erreicht haben.

2 Probenvorbereitung

Um die Bindungsstärke des Materials umfassend zu untersuchen, werden zunächst die Forschungsproben vorbereitet, darunter ebene Proben zum Testen von Materialfehlern und der chemischen Zusammensetzung in der Nähe der Materialbindungsoberfläche sowie kreisförmige Proben zum Testen der Materialbindungsstärke.

2.1 Pulveraufbereitung

Je konzentrierter die Partikelgröße, desto besser die Kugelform und je gleichmäßiger die Zusammensetzungsverteilung des für das Hochgeschwindigkeits-Laserplattieren verwendeten Pulvers, desto besser die Fließfähigkeit des Pulvers und desto weniger Defekte nach dem Plattieren, insbesondere an der Verbindungsfläche, treten auf. Das vom Autor verwendete CuSn12Ni2-Zinnbronzepulver wird durch Gaszerstäubung gewonnen. Das Prinzip besteht darin, die Kupferlegierungsflüssigkeit mithilfe eines Hochgeschwindigkeitsluftstroms in winzige Tröpfchen aufzubrechen und sie dann schnell abzukühlen, um kugelförmige Metallpartikel zu bilden. Die Partikelgröße konzentriert sich hauptsächlich auf 50 bis 150 μm und die Kugelform ist gut, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die metallografischen Körner im Inneren des Zinnbronzepulvers sind fein. Abbildung 2 (a) zeigt die meisten gleichachsigen Kristalle und Abbildung 2 (b) zeigt einen kleinen Teil der Dendriten. Darüber hinaus zeigt die Querschnittsenergiespektrumanalyse des Zinnbronzepulvers, dass die Verteilung der Kupfer-, Zinn- und Nickelelemente relativ gleichmäßig ist und keine Entmischung auftritt.

2.2 Probenvorbereitung

Die Probenvorbereitung erfolgt mit einem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißverfahren, bei dem die Lichtquelle der Laserauftragschweißanlage ein Faserlaser mit einer Laserwellenlänge von etwa 1.06 μm und einer maximalen Leistung von 6 kW ist. Nachdem der Laser aus dem Faseranschluss emittiert wurde, wird er durch eine Kollimationslinse in paralleles Licht umgewandelt und dann durch eine Fokussierungslinse fokussiert, um die Energie an einem Punkt zu konzentrieren. Das Metall wird im Fokus geschmolzen, um die Laserauftragschweißverarbeitung zu erreichen. Der koaxiale ringförmige Gasträger wird verwendet, um das Pulver gleichmäßig zuzuführen. Das Pulverzufuhrgas ist Argon. Gleichzeitig wird Argon als Schutzgas verwendet, um die Oxidation von Materialien während des Laserauftragschweißens zu verringern. Um die überschüssige Wärme abzuführen, die der Laser beim Umwandeln von elektrischer Energie in Lichtenergie erzeugt, und um einen Teil der Wärme abzuführen, die von der Linse absorbiert wird, die den Laserstrahl im externen optischen Pfad reflektiert, ist für den Laser ein Wasserkühlsystem vorgesehen.

Die Dicke der Mantelschicht beträgt in der Untersuchung des Autors 1.2 mm, die Mantelgeschwindigkeit beträgt 60–100 mm/s, der Punktdurchmesser beträgt 2 mm, die Pulverzufuhrmenge beträgt 40–50 g/min und die Laserleistung beträgt 4500–4800 kW.

Abbildung 3 zeigt die mit dem Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsverfahren hergestellte ebene Probe. Sie dient zur Charakterisierung und Analyse des Materials in der Nähe der Verbindungsfläche zwischen CuSn12Ni2-Zinnbronze und 42CrMo-Legierungsstahlsubstrat. Im konkreten Vorgang müssen Proben aus der ebenen Probe entnommen und dann für die metallografische Strukturanalyse und die Energiespektrumanalyse vorbereitet werden. Abbildung 4 zeigt die mit dem Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsverfahren hergestellte normale Testprobe für die Verbindungsfestigkeit. Sie dient zur Bestimmung der Verbindungsfestigkeit zwischen CuSn12Ni2-Zinnbronze und 42CrMo-Legierungsstahlsubstrat.

3 Charakterisierung und Analyse von Hochgeschwindigkeitslaser-Auftragsmaterialien

3.1 Metallographische Struktur

Die Probe wurde einer metallografischen Analyse unterzogen. Als Analysegerät wurde ein Ultratiefenmikroskop verwendet. Abbildung 5 zeigt die Mikrostrukturmorphologie der Probe vor der Korrosion und Abbildung 6 zeigt die metallografische Struktur der Probe nach der Korrosion. Die für die Korrosionsprobe verwendete Lösung besteht aus einer Mischung aus drei Substanzen: 10 gFeCl, 6H, 0 ml Salzsäurelösung mit einer Dichte von 2 g/ml und 1.16 ml Ethanollösung mit einem Volumenanteil von 98 %. Aus Abbildung 95 ist ersichtlich, dass die im Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsverfahren hergestellte CuSn5Ni12-Zinnbronze noch bestimmte Poren aufweist und der größte Porendurchmesser 2 μm beträgt. Aus Abbildung 97.14 ist ersichtlich, dass die metallografische Struktur der Probe nach der Korrosion hauptsächlich aus Dendriten in der Nähe der Bindungsoberfläche besteht und gleichachsige Körner hauptsächlich näher an der Oberfläche der CuSn6Ni12-Zinnbronze gebildet werden. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Bildung gleichachsiger Körner umso leichter ist, je näher an der Oberfläche der Unterkühlungsgrad ist, und dass der Unterkühlungsgrad umso geringer ist, je näher an der Bindungsoberfläche der Unterkühlungsgrad ist, was die Bildung dendritischer Körner begünstigt.

3.2 Energiespektrumanalyse

Während des Laserbeschichtungsprozesses dringt eine bestimmte Menge an Elementen in CuSn12Ni2-Zinnbronze in die Matrix des legierten Stahls 42CrMo ein und bildet eine metallurgische Bindung in der Nähe der Verbindungsfläche. Der Zweck der Energiespektrumanalyse an der Verbindungsfläche besteht darin, dass die Verdünnungsrate von CuSn12Ni2-Zinnbronze nicht hoch ist, sodass der Prozess wenig Einfluss auf die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der Zinnbronze hat. Obwohl die Verdünnungsrate nicht hoch ist, dringt eine kleine Menge an Elementen in die Matrix des legierten Stahls ein, was darauf hindeutet, dass eine metallurgische Bindung in der Nähe der Verbindungsfläche auftritt.

4 Prüfung der Haftfestigkeit

Nachdem das CuSn12Ni2-Zinnbronzematerial durch ein Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsverfahren auf die 42CrMo-Legierungsstahlmatrix plattiert wurde, muss es eine hohe Bindungsstärke mit der Matrix aufweisen, wenn es als reibungsmindernde und verschleißfeste Schicht eines Gleitlagers verwendet wird. Dies kann durch Anpassen der Parameter des Hochgeschwindigkeits-Laserplattierungsverfahrens erreicht werden. Der Autor bereitete die Proben für den Bindungsstärketest gemäß der nationalen Norm GB/T12948-1991 „Zerstörendes Prüfverfahren für die bimetallische Bindungsstärke von Gleitlagern“ vor und führte einen Bindungsstärketest durch. Die Streckgrenze des CuSn12Ni2-Zinnbronzematerials beträgt 140 MPa bis 150 MPa und die Zugfestigkeit beträgt 260 MPa bis 300 MPa. Wenn die Bindungsstärke geringer als die Streckgrenze ist, tritt an der Bindungsoberfläche ein Bruch auf. Wenn die Bindungsstärke zwischen der Streckgrenze und der Zugfestigkeit liegt, kommt es an der Bindungsfläche immer noch zu Brüchen, aber der Körper aus CuSn12-Zinnbronze hat bereits nachgegeben. Wenn die Bindungsstärke größer als die Zugfestigkeit ist, kommt es im Körper aus CuSn12Ni2-Zinnbronze zu Brüchen. Der Test der normalen Bindungsstärke ist in Abbildung 8 dargestellt, und die Testergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt. Wie aus Abbildung 9 ersichtlich ist, betragen die normalen Bindungsstärken der beiden Proben nach dem Test 429.5 MPa bzw. 326.6 MPa, was größer als die Zugfestigkeit des Materials ist, was darauf hinweist, dass die Bindungsstärke der Bindungsfläche die Zugfestigkeit von CuSn12Ni2-Zinnbronze übersteigt. Aus dem Test ist bekannt, dass die Bruchfläche der Probe der Körper aus CuSn12Ni2-Zinnbronze ist, wie in Abbildung 10 gezeigt, was auch bestätigt, dass die Bindungsstärke der Bindungsfläche die Zugfestigkeit von CuSn12Ni2-Zinnbronze übersteigt. Die Ergebnisse des Bindungsfestigkeitstests zeigen auch, dass die CuSn12Ni2-Zinnbronze und die 42CrMo-Legierungsstahlmatrix eine metallurgische Bindung aufweisen.

5 Fazit

Der Autor untersuchte das Bindungsverhalten einer Matrix aus CuSn12Ni2-Zinnbronze und legiertem Stahl, die mithilfe eines Hochgeschwindigkeits-Laserbeschichtungsverfahrens hergestellt wurde, und fand heraus, dass eine Matrix aus CuSn12Ni2-Zinnbronze und 42CrMo-legiertem Stahl eine metallurgische Bindung ergab.

In der Nähe der Verbindungsfläche besteht CuSn12Ni2-Zinnbronze hauptsächlich aus Dendriten. In der Nähe der Oberfläche von CuSn12Ni2-Zinnbronze sind hauptsächlich gleichachsige Kristalle vorhanden. Dies deutet darauf hin, dass die Unterkühlung in der Nähe der Verbindungsfläche gering und die Unterkühlung an der Oberfläche groß ist.

Die Verdünnungsrate von CuSn12Ni2-Zinnbronze durch das Hochgeschwindigkeits-Laserbeschichtungsverfahren ist nicht sehr hoch, sodass das Verfahren wenig Einfluss auf die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der Zinnbronze hat.

Wenn die Prozessparameter des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens entsprechend angepasst werden, kann die Bindungsfestigkeit der Verbindungsfläche die Zugfestigkeit von CuSn12Ni2-Zinnbronze übersteigen.