Perunggu timah merupakan bahan dasar komponen aus dan banyak digunakan dalam bidang industri. Struktur metalografi dan spektrum energi perunggu timah CuSn12Ni2 dianalisis, dan bubuk perunggu timah CuSn12Ni2 dibalut pada substrat baja paduan 42CrMo menggunakan pelapisan laser berkecepatan tinggi proses untuk melakukan uji kekuatan ikatan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ikatan metalurgi tercapai antara perunggu timah CuSn12Ni2 dan substrat baja paduan 42CrMo.

1. Latar belakang penelitian

Perunggu timah banyak digunakan di bidang industri sebagai salah satu bahan dasar untuk komponen gesekan dan keausan. Bahan ini sangat cocok untuk kondisi kecepatan rendah dan beban berat. Bentuk utama yang digunakan dalam bantalan geser meliputi selongsong logam tunggal dan bantalan dorong, selongsong bimetal sinter bubuk dan bantalan dorong, selongsong bimetal cor sentrifugal dan bantalan dorong, selongsong logam tunggal berputar, selongsong logam tunggal metalurgi bubuk, dll. Pelapisan laser adalah teknologi perbaikan penguatan dan pembuatan ulang permukaan yang efisien dengan keunggulan ikatan yang baik dengan substrat, laju pengenceran rendah, dan zona yang terpengaruh panas kecil. Pelapisan laser adalah proses kompleks kopling multiparameter. Parameter seperti daya laser, kecepatan pemindaian laser, kecepatan pengumpanan bubuk, dan diameter titik sangat penting untuk kualitas lapisan pelapis. Manufaktur aditif pelapisan laser telah dipelajari dalam banyak aspek di dalam dan luar negeri. Namun, untuk pelapisan laser konvensional, bubuk menyerap 20% energi, tingkat pemanfaatan energi rendah, tingkat pengenceran 5%~15%, dan volume pemrosesan berikutnya besar setelah pelapisan selesai, dan biaya pemrosesan tinggi. Untuk pelapisan laser berkecepatan tinggi, bubuk dapat menyerap 80% energi, tingkat pemanfaatan energi tinggi, tingkat pengenceran dapat kurang dari 3%, dan volume pemrosesan berikutnya kecil setelah pelapisan selesai, dan biaya pemrosesan rendah. Teknologi pelapisan laser berkecepatan tinggi atau bahkan berkecepatan sangat tinggi mengoptimalkan bentuk leleh dan rasio penyerapan energi bubuk, meningkatkan laju pengendapan material, dan memperoleh lapisan pelapis yang sangat efisien, bebas cacat, berkekuatan ikatan tinggi, dan tingkat pengenceran rendah, yang lebih menguntungkan daripada pelapisan laser tradisional. Proses persiapan pelapisan laser berkecepatan tinggi digunakan untuk menyiapkan lapisan paduan timah-perunggu pada substrat poros baja, yang dapat memecahkan masalah lingkaran berjalan yang disebabkan oleh creep yang disebabkan oleh kecocokan interferensi jangka panjang antara selongsong poros dan substrat baja. Dan setelah lapisan paduan timah perunggu gagal, dapat diproses dan dihilangkan lalu dilapisi ulang untuk mencapai pembuatan ulang. Saat ini, ada relatif sedikit penelitian tentang pelapisan laser berkecepatan tinggi dari bubuk timah perunggu pada substrat poros baja. Penulis menerapkan teknologi pelapisan laser berkecepatan tinggi untuk melapisi bubuk perunggu timah CuSn12Ni2 pada substrat baja paduan 42CrMo untuk mempelajari komposisi mikro dan organisasi material dan kekuatan ikatan makro dari bahan logam lapisan ganda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perunggu timah CuSn12Ni2 dan substrat baja paduan 42CrMo telah mencapai ikatan metalurgi.

2 Persiapan sampel

Untuk mempelajari kekuatan rekat material secara menyeluruh, terlebih dahulu disiapkan sampel penelitian, meliputi sampel bidang yang digunakan untuk menguji cacat material dan komposisi kimia di dekat permukaan ikatan material, dan sampel melingkar yang digunakan untuk menguji kekuatan rekat material.

2.1 Persiapan bubuk

Semakin terkonsentrasi ukuran partikel, semakin baik bentuk bolanya, dan semakin seragam distribusi komposisi serbuk yang digunakan untuk pelapisan laser berkecepatan tinggi, semakin baik fluiditas serbuk, dan semakin sedikit cacat setelah pelapisan, terutama untuk pengikatan. permukaan, akan ada lebih sedikit cacat. Serbuk perunggu timah CuSn12Ni2 yang digunakan penulis diperoleh melalui proses atomisasi gas. Prinsipnya adalah menggunakan aliran udara berkecepatan tinggi untuk memecah cairan paduan tembaga menjadi tetesan kecil, lalu mendinginkannya dengan cepat hingga membentuk partikel logam berbentuk bola. Ukuran partikel sebagian besar terkonsentrasi pada 50~150μm, dan kebulatannya bagus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Butir metalografi di dalam bubuk perunggu timah baik-baik saja. Gambar 2 (a) menunjukkan sebagian besar kristal yang sama sumbunya, dan Gambar 2 (b) menunjukkan sebagian kecil dendrit. Selain itu, analisis spektrum energi penampang serbuk timah perunggu menunjukkan bahwa sebaran unsur tembaga, timah, dan nikel relatif seragam, dan tidak terjadi segregasi.

2.2 Persiapan sampel

Persiapan sampel mengadopsi proses pelapisan laser berkecepatan tinggi, di mana sumber cahaya peralatan pelapis laser adalah laser serat dengan panjang gelombang laser sekitar 1.06μm dan daya maksimum 6kW. Setelah laser dipancarkan dari konektor serat, laser diubah menjadi cahaya paralel melalui lensa kolimasi, dan kemudian difokuskan melalui lensa pemfokusan untuk memusatkan energi pada satu titik, dan logam dilebur pada fokus untuk mencapai pemrosesan pelapisan laser. Pembawa gas annular koaksial digunakan untuk menghantarkan bubuk secara merata. Gas pengantar bubuk adalah argon. Pada saat yang sama, argon digunakan sebagai gas pelindung untuk mengurangi oksidasi bahan selama pelapisan laser. Untuk menghilangkan kelebihan panas yang dihasilkan oleh laser dalam proses mengubah energi listrik menjadi energi cahaya, dan untuk menghilangkan sebagian panas yang diserap oleh lensa yang memantulkan sinar laser pada jalur optik eksternal, disediakan sistem pendingin air untuk lasernya.

Ketebalan lapisan pelapis dalam penelitian penulis adalah 1.2 mm, kecepatan pelapis 60~100 mm/s, diameter titik 2 mm, jumlah pengumpanan bubuk 40~50 g/menit, dan daya laser 4500 kW~4800 kW.

Sampel bidang yang disiapkan dengan proses pelapisan laser berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 3, yang digunakan untuk mengkarakterisasi dan menganalisis material di dekat permukaan ikatan perunggu timah CuSn12Ni2 dan substrat baja paduan 42CrMo. Dalam operasi spesifik, perlu mengambil sampel dari sampel bidang, dan kemudian menyiapkan sampel untuk analisis struktur metalografi dan analisis spektrum energi. Sampel uji kekuatan ikatan normal yang dibuat dengan proses pelapisan laser berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 4, yang digunakan untuk menentukan kekuatan ikatan antara perunggu timah CuSn12Ni2 dan substrat baja paduan 42CrMo.

3 Karakterisasi dan analisis bahan pelapis laser berkecepatan tinggi

3.1 Struktur metalografi

Sampel dikenakan analisis metalografi. Peralatan analisis menggunakan mikroskop lapangan ultra-kedalaman. Gambar 5 menunjukkan morfologi struktur mikro sampel sebelum korosi, dan Gambar 6 menunjukkan struktur metalografi sampel setelah korosi. Larutan yang digunakan untuk sampel korosi terdiri dari campuran tiga zat: larutan asam klorida 10gFeCl, 6H, 0mL dengan massa jenis 2g/mL, dan larutan etanol 1.16mL dengan fraksi volume 98%. Terlihat dari Gambar 95 bahwa perunggu timah CuSn5Ni12 yang dibuat dengan proses laser cladding berkecepatan tinggi masih memiliki pori-pori tertentu, dan diameter pori terbesar adalah 2μm. Dapat dilihat dari Gambar 97.14 bahwa struktur metalografi sampel setelah korosi sebagian besar berupa dendrit di dekat permukaan ikatan, dan butiran ekuak sebagian besar terbentuk lebih dekat ke permukaan perunggu timah CuSn6Ni12. Alasan utamanya adalah semakin dekat ke permukaan, semakin besar derajat pendinginan berlebih, semakin mudah terbentuknya butiran sama sumbu, dan semakin dekat ke permukaan ikatan, semakin kecil derajat pendinginan berlebih, sehingga lebih kondusif bagi pembentukan. butiran dendrit.

3.2 Analisis spektrum energi

Selama proses pelapisan laser, sejumlah elemen perunggu timah CuSn12Ni2 akan menembus matriks baja paduan 42CrMo dan membentuk ikatan metalurgi di dekat permukaan ikatan. Tujuan analisis spektrum energi pada permukaan ikatan adalah agar laju pengenceran perunggu timah CuSn12Ni2 tidak tinggi, sehingga proses tersebut tidak banyak berpengaruh terhadap komposisi dan sifat mekanik perunggu timah. Meskipun laju pengencerannya tidak tinggi, sejumlah kecil elemen masuk ke dalam matriks baja paduan, yang menunjukkan bahwa ikatan metalurgi terjadi di dekat permukaan ikatan.

4 Uji kekuatan ikatan

Setelah material perunggu timah CuSn12Ni2 dibalut pada matriks baja paduan 42CrMo dengan proses pelapisan laser berkecepatan tinggi, material tersebut harus memiliki kekuatan ikatan yang tinggi dengan matriks saat digunakan sebagai lapisan geser yang mengurangi gesekan dan tahan aus. bantalan. Hal ini dapat diperoleh dengan menyesuaikan parameter proses pelapisan laser berkecepatan tinggi. Penulis menyiapkan spesimen untuk uji kekuatan rekat sesuai dengan standar nasional GB/T12948-1991 “Metode Uji Destruktif Kekuatan Ikatan Bimetal Bantalan Geser” dan melakukan uji kekuatan rekat. Kekuatan luluh bahan perunggu timah CuSn12Ni2 adalah 140MPa~150MPa, dan kekuatan tarik 260MPa~300MPa. Jika kekuatan ikatan lebih kecil dari kekuatan luluh, maka akan terjadi keretakan pada permukaan ikatan. Ketika kuat rekat berada di antara kuat luluh dan kuat tarik, retakan masih akan terjadi pada permukaan rekat, namun badan perunggu timah CuSn12 sudah luluh. Ketika kekuatan rekat lebih besar dari kekuatan tarik, maka akan terjadi keretakan pada badan material perunggu timah CuSn12Ni2. Uji kekuatan ikatan normal ditunjukkan pada Gambar 8, dan hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 9. Terlihat pada Gambar 9, kekuatan ikatan normal kedua sampel setelah pengujian masing-masing adalah 429.5MPa dan 326.6MPa, yang berarti lebih besar dari kuat tarik material, menunjukkan bahwa kuat rekat permukaan rekat melebihi kuat tarik perunggu timah CuSn12Ni2. Permukaan patah sampel diketahui dari pengujian sebagai badan perunggu timah CuSn12Ni2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, yang juga menegaskan bahwa kekuatan ikatan permukaan ikatan melebihi kekuatan tarik perunggu timah CuSn12Ni2. Hasil uji kuat rekat juga menunjukkan bahwa matriks timah perunggu CuSn12Ni2 dan matriks baja paduan 42CrMo mempunyai ikatan metalurgi.

5 Kesimpulan

Penulis mempelajari kinerja ikatan matriks perunggu timah CuSn12Ni2 dan matriks baja paduan yang dibuat dengan proses pelapisan laser berkecepatan tinggi, dan menemukan bahwa matriks perunggu timah CuSn12Ni2 dan matriks baja paduan 42CrMo menghasilkan ikatan metalurgi.

Di dekat permukaan ikatan, perunggu timah CuSn12Ni2 sebagian besar berupa dendrit. Di dekat permukaan perunggu timah CuSn12Ni2, kristal ekuaksial sebagian besar hadir. Ini menunjukkan bahwa pendinginan bawah di dekat permukaan ikatan kecil dan pendinginan bawah di permukaan besar.

Laju pengenceran perunggu timah CuSn12Ni2 dengan proses pelapisan laser berkecepatan tinggi tidak terlalu tinggi, sehingga proses tersebut memiliki pengaruh yang kecil terhadap komposisi dan sifat mekanik perunggu timah.

Ketika parameter proses pelapisan laser berkecepatan tinggi disesuaikan dengan parameter yang sesuai, kekuatan ikatan permukaan ikatan dapat melebihi kekuatan tarik perunggu timah CuSn12Ni2.