Ο μπρούτζος κασσίτερος είναι βασικό υλικό για εξαρτήματα φθοράς και χρησιμοποιείται ευρέως στον βιομηχανικό τομέα. Η μεταλλογραφική δομή και το ενεργειακό φάσμα του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 αναλύθηκαν και η σκόνη χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 επιστρώθηκε στο υπόστρωμα από κράμα χάλυβα 42CrMo χρησιμοποιώντας ένα επένδυση λέιζερ υψηλής ταχύτητας διαδικασία διεξαγωγής δοκιμής αντοχής συγκόλλησης. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι επιτυγχάνεται μεταλλουργική συγκόλληση μεταξύ του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 και του υποστρώματος από κράμα χάλυβα 42CrMo.

1. Ιστορικό έρευνας

Ο μπρούτζος κασσίτερος χρησιμοποιείται ευρέως στον βιομηχανικό τομέα ως ένα από τα βασικά υλικά για εξαρτήματα τριβής και φθοράς. Αυτό το υλικό είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για συνθήκες χαμηλής ταχύτητας και μεγάλου φορτίου. Οι κύριες μορφές που χρησιμοποιούνται στα συρόμενα ρουλεμάν περιλαμβάνουν μονό μεταλλικό χιτώνιο και ρουλεμάν ώθησης, διμεταλλικά χιτώνια και ρουλεμάν με πυροσυσσωμάτωση σε σκόνη, διμεταλλικά χιτώνια και ρουλεμάν ώθησης χυτά φυγοκεντρικά, περιστρεφόμενα μονό μεταλλικά χιτώνια, μεταλλουργία σκόνης μονή επιφάνεια μετάλλου κ.λπ. τεχνολογία επισκευής ενίσχυσης και ανακατασκευής με τα πλεονεκτήματα της καλής συγκόλλησης με το υπόστρωμα, του χαμηλού ποσοστού αραίωσης και της μικρής ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα. Η επένδυση λέιζερ είναι μια πολύπλοκη διαδικασία σύζευξης πολλαπλών παραμέτρων. Παράμετροι όπως η ισχύς λέιζερ, η ταχύτητα σάρωσης λέιζερ, η ταχύτητα τροφοδοσίας σκόνης και η διάμετρος κηλίδας είναι πολύ σημαντικές για την ποιότητα του στρώματος επένδυσης. Η κατασκευή πρόσθετων επένδυσης λέιζερ έχει μελετηθεί από πολλές απόψεις στο εσωτερικό και στο εξωτερικό. Ωστόσο, για τη συμβατική επένδυση λέιζερ, η σκόνη απορροφά το 20% της ενέργειας, ο ρυθμός χρήσης ενέργειας είναι χαμηλός, ο ρυθμός αραίωσης είναι 5% ~ 15% και ο επακόλουθος όγκος επεξεργασίας είναι μεγάλος μετά την ολοκλήρωση της επένδυσης και το κόστος επεξεργασίας είναι ψηλά. Για επένδυση λέιζερ υψηλής ταχύτητας, η σκόνη μπορεί να απορροφήσει το 80% της ενέργειας, ο ρυθμός χρήσης ενέργειας είναι υψηλός, ο ρυθμός αραίωσης μπορεί να είναι μικρότερος από 3% και ο επακόλουθος όγκος επεξεργασίας είναι μικρός μετά την ολοκλήρωση της επένδυσης και την επεξεργασία το κόστος είναι χαμηλό. Η τεχνολογία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας ή ακόμη και εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας βελτιστοποιεί τη μορφή τήξης και την αναλογία απορρόφησης ενέργειας της σκόνης, αυξάνει τον ρυθμό εναπόθεσης υλικού και αποκτά υψηλή απόδοση, χωρίς ελαττώματα, αντοχή υψηλής πρόσφυσης και χαμηλή στρώμα επένδυσης με ρυθμό αραίωσης, το οποίο είναι πιο πλεονεκτικό από την παραδοσιακή επένδυση λέιζερ. Η διαδικασία προετοιμασίας επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιείται για την προετοιμασία του στρώματος κράματος κασσίτερου-μπρούτζου στο υπόστρωμα του άξονα χάλυβα, το οποίο μπορεί να λύσει το πρόβλημα των κύκλων που προκαλούνται από ερπυσμό που προκαλείται από τη μακροχρόνια εφαρμογή παρεμβολής μεταξύ του χιτωνίου άξονα και του χάλυβα υπόστρωμα. Και αφού το στρώμα κράματος μπρούτζου κασσίτερου αποτύχει, μπορεί να υποστεί επεξεργασία και να αφαιρεθεί και στη συνέχεια να ξαναεπενδυθεί για να επιτευχθεί ανακατασκευή. Επί του παρόντος, υπάρχουν σχετικά λίγες μελέτες για την επένδυση λέιζερ υψηλής ταχύτητας σκόνης μπρούτζου κασσίτερου σε υποστρώματα χαλύβδινων αξόνων. Ο συγγραφέας εφαρμόζει τεχνολογία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας για την επένδυση σκόνης μπρούτζου κασσίτερου CuSn12Ni2 σε υπόστρωμα από κράμα χάλυβα 42CrMo για να μελετήσει τη μικροσύνθεση και την οργάνωση του υλικού και την αντοχή μακρο-συγκόλλησης του μεταλλικού υλικού διπλής στρώσης. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι ο χαλκός κασσίτερος CuSn12Ni2 και το υπόστρωμα από κράμα χάλυβα 42CrMo έχουν επιτύχει μεταλλουργική συγκόλληση.

2 Προετοιμασία δείγματος

Προκειμένου να μελετηθεί πλήρως η αντοχή συγκόλλησης του υλικού, προετοιμάζονται πρώτα τα ερευνητικά δείγματα, συμπεριλαμβανομένων των επίπεδων δειγμάτων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των ελαττωμάτων του υλικού και της χημικής σύνθεσης κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης του υλικού και κυκλικά δείγματα που χρησιμοποιούνται για τη δοκιμή της αντοχής συγκόλλησης υλικού.

2.1 Παρασκευή σκόνης

Όσο πιο συμπυκνωμένο είναι το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο καλύτερο είναι το σφαιρικό σχήμα και όσο πιο ομοιόμορφη είναι η κατανομή της σύνθεσης της σκόνης που χρησιμοποιείται για την επένδυση με λέιζερ υψηλής ταχύτητας, τόσο καλύτερη είναι η ρευστότητα της σκόνης και τόσο λιγότερα ελαττώματα μετά την επένδυση, ειδικά για τη συγκόλληση επιφάνεια, θα υπάρχουν λιγότερα ελαττώματα. Η σκόνη χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 που χρησιμοποιείται από τον συγγραφέα λαμβάνεται με διαδικασία ψεκασμού αερίου. Η αρχή είναι να χρησιμοποιείται ροή αέρα υψηλής ταχύτητας για να σπάσει το υγρό του κράματος χαλκού σε μικροσκοπικά σταγονίδια και στη συνέχεια να το ψύχει γρήγορα για να σχηματίσει σφαιρικά μεταλλικά σωματίδια. Το μέγεθος των σωματιδίων συγκεντρώνεται κυρίως σε 50~150μm και η σφαιρικότητα είναι καλή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Οι μεταλλογραφικοί κόκκοι μέσα στη σκόνη μπρούτζου κασσίτερου είναι λεπτοί. Το Σχήμα 2 (α) δείχνει τους περισσότερους από τους ισοαξονισμένους κρυστάλλους και το Σχήμα 2 (β) δείχνει ένα μικρό μέρος των δενδριτών. Επιπλέον, η ανάλυση του ενεργειακού φάσματος διατομής της σκόνης μπρούτζου κασσιτέρου δείχνει ότι η κατανομή των στοιχείων χαλκού, κασσίτερου και νικελίου είναι σχετικά ομοιόμορφη και δεν υπάρχει διαχωρισμός.

2.2 Προετοιμασία δείγματος

Η προετοιμασία του δείγματος υιοθετεί μια διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας, στην οποία η πηγή φωτός του εξοπλισμού επένδυσης λέιζερ είναι ένα λέιζερ ινών με μήκος κύματος λέιζερ περίπου 1.06 μm και μέγιστη ισχύ 6 kW. Αφού το λέιζερ εκπέμπεται από τον σύνδεσμο ίνας, μετατρέπεται σε παράλληλο φως μέσω ενός φακού ευθυγράμμισης και στη συνέχεια εστιάζει μέσω ενός φακού εστίασης για να συγκεντρωθεί η ενέργεια σε ένα σημείο και το μέταλλο τήκεται στην εστία για να επιτευχθεί επεξεργασία επένδυσης λέιζερ. Ο ομοαξονικός δακτυλιοειδής φορέας αερίου χρησιμοποιείται για την ομοιόμορφη παροχή σκόνης. Το αέριο παροχής σκόνης είναι αργό. Ταυτόχρονα, το αργό χρησιμοποιείται ως προστατευτικό αέριο για τη μείωση της οξείδωσης των υλικών κατά την επένδυση με λέιζερ. Προκειμένου να αφαιρεθεί η περίσσεια θερμότητας που παράγεται από το λέιζερ κατά τη διαδικασία μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε ενέργεια φωτός και να αφαιρεθεί μέρος της θερμότητας που απορροφάται από τον φακό που αντανακλά τη δέσμη λέιζερ στην εξωτερική οπτική διαδρομή, παρέχεται ένα σύστημα ψύξης νερού για το λέιζερ.

Το πάχος του στρώματος επένδυσης στη μελέτη του συγγραφέα είναι 1.2 mm, η ταχύτητα επένδυσης είναι 60~100 mm/s, η διάμετρος του σημείου είναι 2 mm, η ποσότητα τροφοδοσίας σκόνης είναι 40~50 g/min και η ισχύς λέιζερ είναι 4500kW~4800kW.

Το επίπεδο δείγμα που παρασκευάστηκε με τη διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας φαίνεται στο Σχήμα 3, το οποίο χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό και την ανάλυση του υλικού κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης του υποστρώματος χαλκού από κασσίτερο CuSn12Ni2 και κράματος χάλυβα 42CrMo. Στη συγκεκριμένη λειτουργία, είναι απαραίτητη η λήψη δειγμάτων από το επίπεδο δείγμα και στη συνέχεια η προετοιμασία του δείγματος για ανάλυση μεταλλογραφικής δομής και ανάλυση ενεργειακού φάσματος. Το δείγμα δοκιμής κανονικής αντοχής συγκόλλησης που παρασκευάστηκε με τη διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας φαίνεται στο Σχήμα 4, το οποίο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της αντοχής συγκόλλησης μεταξύ χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 και υποστρώματος από κράμα χάλυβα 42CrMo.

3 Χαρακτηρισμός και ανάλυση υλικών επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας

3.1 Μεταλλογραφική δομή

Το δείγμα υποβλήθηκε σε μεταλλογραφική ανάλυση. Ο εξοπλισμός ανάλυσης χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο εξαιρετικά βάθους πεδίου. Το σχήμα 5 δείχνει τη μορφολογία μικροδομής του δείγματος πριν από τη διάβρωση και το σχήμα 6 δείχνει τη μεταλλογραφική δομή του δείγματος μετά τη διάβρωση. Το διάλυμα που χρησιμοποιείται για το δείγμα διάβρωσης αποτελείται από ένα μείγμα τριών ουσιών: 10gFeCl, 6H, 0, 2mL διαλύματος υδροχλωρικού οξέος με πυκνότητα 1.16g/mL και 98mL διαλύματος αιθανόλης με κλάσμα όγκου 95%. Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 5 ότι ο χαλκός από κασσίτερο CuSn12Ni2 που παρασκευάστηκε με τη διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας εξακολουθεί να έχει ορισμένους πόρους και η μεγαλύτερη διάμετρος πόρων είναι 97.14μm. Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 6 ότι η μεταλλογραφική δομή του δείγματος μετά τη διάβρωση είναι κυρίως δενδρίτες κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης και οι ισοαξονικοί κόκκοι σχηματίζονται κυρίως πιο κοντά στην επιφάνεια του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2. Ο κύριος λόγος είναι ότι όσο πιο κοντά στην επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός υπερψύξης, τόσο πιο εύκολο είναι να σχηματιστούν ισοαξονικοί κόκκοι, και όσο πιο κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης, τόσο μικρότερος είναι ο βαθμός υπερψύξης, που ευνοεί περισσότερο τον σχηματισμό κόκκοι δενδρίτη.

3.2 Ανάλυση ενεργειακού φάσματος

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επένδυσης με λέιζερ, μια ορισμένη ποσότητα στοιχείων σε χαλκό κασσίτερου CuSn12Ni2 θα διεισδύσει στη μήτρα από κράμα χάλυβα 42CrMo και θα σχηματίσει έναν μεταλλουργικό δεσμό κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης. Ο σκοπός της ανάλυσης ενεργειακού φάσματος στην επιφάνεια σύνδεσης είναι ότι ο ρυθμός αραίωσης του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 δεν είναι υψηλός, επομένως η διαδικασία έχει μικρή επίδραση στη σύνθεση και τις μηχανικές ιδιότητες του μπρούντζου κασσίτερου. Αν και ο ρυθμός αραίωσης δεν είναι υψηλός, μια μικρή ποσότητα στοιχείων εισέρχεται στη μήτρα του κράματος χάλυβα, υποδεικνύοντας ότι η μεταλλουργική συγκόλληση συμβαίνει κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης.

4 Δοκιμή αντοχής συγκόλλησης

Αφού το υλικό χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 επιστρωθεί στη μήτρα από κράμα χάλυβα 42CrMo με διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας, πρέπει να έχει υψηλή αντοχή συγκόλλησης με τη μήτρα όταν χρησιμοποιείται ως στρώμα ολίσθησης που μειώνει την τριβή και είναι ανθεκτικό στη φθορά. ρουλεμάν. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί προσαρμόζοντας τις παραμέτρους της διαδικασίας επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας. Ο συγγραφέας προετοίμασε τα δείγματα για τη δοκιμή αντοχής συγκόλλησης σύμφωνα με το εθνικό πρότυπο GB/T12948-1991 «Καταστροφική μέθοδος δοκιμής για διμεταλλική αντοχή δεσμού συρόμενων ρουλεμάν» και πραγματοποίησε μια δοκιμή αντοχής συγκόλλησης. Η αντοχή διαρροής του χαλκού υλικού κασσίτερου CuSn12Ni2 είναι 140MPa~150MPa και η αντοχή εφελκυσμού είναι 260MPa~300MPa. Όταν η αντοχή συγκόλλησης είναι μικρότερη από την αντοχή διαρροής, θα συμβεί θραύση στην επιφάνεια συγκόλλησης. Όταν η ισχύς συγκόλλησης είναι μεταξύ της αντοχής διαρροής και της αντοχής σε εφελκυσμό, η θραύση θα εξακολουθεί να εμφανίζεται στην επιφάνεια συγκόλλησης, αλλά το χάλκινο σώμα από κασσίτερο CuSn12 έχει ήδη υποχωρήσει. Όταν η αντοχή συγκόλλησης είναι μεγαλύτερη από την αντοχή σε εφελκυσμό, θα συμβεί θραύση στο σώμα χαλκού από κασσίτερο CuSn12Ni2. Η δοκιμή κανονικής αντοχής σύνδεσης φαίνεται στο σχήμα 8 και τα αποτελέσματα της δοκιμής φαίνονται στο σχήμα 9. Όπως φαίνεται από το σχήμα 9, οι κανονικές αντοχές συγκόλλησης των δύο δειγμάτων μετά τη δοκιμή είναι 429.5 MPa και 326.6 MPa, αντίστοιχα, τα οποία είναι μεγαλύτερες από την αντοχή εφελκυσμού του υλικού, υποδεικνύοντας ότι η αντοχή συγκόλλησης της επιφάνειας συγκόλλησης υπερβαίνει την αντοχή εφελκυσμού του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2. Η επιφάνεια θραύσης του δείγματος είναι γνωστό από τη δοκιμή ότι είναι το χάλκινο σώμα CuSn12Ni2 από κασσίτερο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 10, το οποίο επιβεβαιώνει επίσης ότι η αντοχή συγκόλλησης της επιφάνειας συγκόλλησης υπερβαίνει την αντοχή εφελκυσμού του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2. Τα αποτελέσματα της δοκιμής αντοχής συγκόλλησης δείχνουν επίσης ότι ο χαλκός κασσίτερος CuSn12Ni2 και η μήτρα από κράμα χάλυβα 42CrMo έχουν μεταλλουργική συγκόλληση.

Συμπέρασμα 5

Ο συγγραφέας μελέτησε την απόδοση συγκόλλησης της μήτρας χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 και μήτρας κραματοποιημένου χάλυβα που παρασκευάστηκε με διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας και διαπίστωσε ότι ο χαλκός κασσίτερος CuSn12Ni2 και η μήτρα από κράμα χάλυβα 42CrMo παρήγαγαν μεταλλουργική συγκόλληση.

Κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης, ο χαλκός κασσίτερος CuSn12Ni2 είναι κυρίως δενδρίτες. Κοντά στην επιφάνεια του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2, υπάρχουν κυρίως ισοαξονικοί κρύσταλλοι. Αυτό δείχνει ότι η υποψύξη κοντά στην επιφάνεια συγκόλλησης είναι μικρή και η υποψύξη στην επιφάνεια είναι μεγάλη.

Ο ρυθμός αραίωσης του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2 με τη διαδικασία επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας δεν είναι πολύ υψηλός, επομένως η διαδικασία έχει μικρή επίδραση στη σύνθεση και τις μηχανικές ιδιότητες του μπρούτζου κασσίτερου.

Όταν οι παράμετροι της διαδικασίας επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας προσαρμόζονται στις κατάλληλες παραμέτρους, η αντοχή συγκόλλησης της επιφάνειας συγκόλλησης μπορεί να υπερβεί την αντοχή εφελκυσμού του χαλκού κασσίτερου CuSn12Ni2.