希釈率が微細構造と硬度に与える影響を調べるために 異なる炭素鋼基板の下のクラッド層、異なる希釈率の316Lステンレス鋼クラッディング層を、レーザークラッディング技術によってQ235鋼、35鋼、および45鋼基板の表面に作製しました。クラッディング層の微細構造と硬度を、レーザー共焦点顕微鏡、走査型電子顕微鏡、ビッカース硬度計で特性評価しました。実験結果によると、クラッディング層の希釈率はレーザー出力の増加とともに増加します。同じレーザー出力では、基板の違いがクラッディング層の希釈率に一定の影響を与えます。クラッディング層と基板は冶金的に結合しています。希釈率の増加に伴い、クラッディング層と近くの基板の元素が一致する傾向があり、結合効果が向上します。同時に、クラッディング層中のC含有量の増加は分散強化を生み出します。クラッド層の希釈率が30％を超えると、急冷凝固組織の特徴が徐々に消え、クラッド層はオーステナイトからマルテンサイトに変態し、硬度値は250〜300 HV増加します。（希釈率;炭素鋼;マルテンサイト;レーザー出力;要素）

コーティングは レーザークラッディング技術 材料表面の耐摩耗性、耐腐食性、耐酸化性を向上させることができる[1-3]。従来の金属表面改質方法と比較して、レーザークラッディング技術は熱入力が少なく、基材との良好な冶金結合を形成しながら基材の割れや変形傾向を効果的に低減し、良好な改質効果を達成することができる[4-6]。

炭素鋼は総合的な機械的特性に優れており、機械、輸送、建設に広く使用されています。 しかし、炭素鋼はその組成上、硬度と耐食性が劣ります。 実際の使用において複雑な作業条件に直面すると、摩耗や腐食、故障が発生しやすく、エンジニアリングにおける応用が制限されます。 これらの問題に対応するために、炭素鋼の表面を改質するレーザークラッディング技術の使用は、耐摩耗性と耐腐食性を改善するのに効果的であることが分かっている[7-9]。 白楊ら [10]は、レーザークラッディング技術によってQ316鋼の表面に235Lステンレス鋼のクラッディング層を作製し、クラッディング後の材料性能が通常の炭素鋼の耐食性よりもはるかに高く、優れた高温耐性を持つことを発見しました。 Zhang Zhong[11]は、60鋼基板の表面にWC / Ni45複合粉末をクラッドすることを選択し、クラッド層に細かく均一に分散した針状のFe23（C、B）6相を得て、表面硬度を向上させ、優れた耐摩耗性を実現しました。 王歌他 [12]はレーザークラッディング技術によって低炭素鋼の表面に欠陥のないステンレス鋼クラッディング層を作製した。 クラッド層の硬度は基材の2倍であり、低炭素鋼の表面硬度の低さと耐摩耗性の悪さという欠点が改善されました。 レーザークラッディングのクラッディング層の品質は、レーザー出力、スキャン速度、粉末供給量など多くの要因によって影響を受けます[13-14]。 希釈率は、クラッド層と基材間の冶金結合を反映し、最終的な成形効果に影響を与えるだけでなく、クラッド層の組成を変更することでコーティング性能も変化させます。 レーザークラッディング技術における重要な評価指標です。 Dong Dongmei 他 [15]は45鋼の表面にニッケルベースの複合コーティングを施し、被覆層の硬度が希釈率と密接に関係していることを発見した。 張 楊 他 [16]は炭素鋼の表面にNi60を被覆し、被覆層の希釈率の変化がその組成と相組成に影響を及ぼすことを発見した。 現在、希釈率に関する研究は、主に希釈率の変化の原因を探り、それを制御することに焦点を当てています[17]。 実際の適用プロセスでは、炭素鋼などの同じカテゴリの材料であっても、組成や性能に違いがあることが考慮されていません。 この違いが希釈率に影響を及ぼし、被覆層の構成と性能が変化するかどうかはほとんど報告されていません。 そこでレーザークラッディング技術を採用し、エンジニアリング分野で広く使用されているQ235鋼、35鋼、45鋼を基材として選択し、クラッディング材として316Lステンレス鋼を使用しました。 コーティングは異なるレーザー出力で準備されました。 クラッド層の硬度の変化を比較することにより、異なる炭素鋼の表面におけるクラッド層の微細構造と性能に対する希釈率の影響を調査しました。

1 サンプルの準備と試験方法

1.1 サンプルの準備

試験基板の材質はQ235鋼、35鋼、45鋼で、サンプルサイズは110mm×100mm×20mmでした。クラッディング粉末は316Lステンレス鋼粉末で、形態は図1に示され、粉末粒径はφ75〜φ150μmです。レーザークラッディングの前に、まずサンドブラストで基板表面の酸化物を除去し、次に表面の粒子と油をアルコールで拭き取り、ブロー乾燥させました。クラッディングの前に、ステンレス鋼粉末を真空乾燥オーブンに入れて120℃で4時間放置しました。レーザークラッディングには、半導体レーザーと同期粉末供給レーザーヘッドを備えた自家製の600軸LC4レーザークラッディング装置を使用します。希釈率がさまざまな基板のクラッド層の微細構造と性能に及ぼす影響を調べるために、制御変数法を使用して、表 1 に示すように、各基板に対して 2 セットのクラッドプロセスパラメータを設定しました。各パラメータは 1.2 回のパスでクラッドされ、クラッド層の形態を図 10 に示します。 10 実験方法 さまざまな希釈率のクラッド層サンプルを取得した後、切断機を使用して 20 mm×2 mm×2.94 mm のサイズのサンプルを切り出し、サンプルを研磨して、鉄酸溶液で 15 秒間エッチングします。次に、表面をアルコールですすぎ、ブロー乾燥させます。さまざまな基板とクラッドパラメータでのサンプルのマクロ形態と微細構造をレーザー共焦点顕微鏡で観察し、エネルギー分散型分光計 (EDS) を備えた走査型電子顕微鏡を使用してクラッド層の組成を検出しました。クラッド層の微小硬度は、マイクロビッカース硬度計で、適用荷重 XNUMX N、保持時間 XNUMX 秒でテストされました。

2 実験結果と考察
2.1 被覆層の希釈率
レーザークラッディングプロセスでは、レーザーが基板をスキャンして表面を溶かし、溶融池を形成します。溶融粉末は溶融池に入り、基板と冶金結合してクラッディング層を形成します。クラッディング層の組成は、基板とクラッディング粉末によって決まります。クラッディング層中の基板合金の割合は、希釈率として定義されます。図3は、クラッディング層の断面形態を示しています。クラッディング層は、主にクラッディング層、熱影響部、基板で構成されています。希釈率は、基板溶融面積とクラッディング面積の比であり、[9]で近似的に表すことができます。（1）ここで、ηは希釈率、％、hは基板溶融部分の高さ、mm、Hはクラッディング層の全高、mmです。基板材料の特性、レーザー出力、スキャン速度、粉末供給量など、希釈率に影響を与える要因は多数あります。その中で、レーザー入熱は粉末の熱吸収と溶融池の滞留時間に影響を与え、希釈率に最も大きな影響を与えます[11]。そのため、本実験では制御変数法、つまり同じ基材に対してレーザー出力のみを変えて異なる希釈率を得る方法を採用しています。異なるプロセスによるQ235鋼、35鋼、45鋼表面のクラッド層の断面形態を図4に示します。12グループのサンプルのクラッド層内には気孔や亀裂欠陥はなく、クラッド層の成形品質が良好であることを示しています。各サンプルのクラッド層の希釈率を図4に示します。同じ基材の場合、同じスキャン速度と粉末供給条件では、レーザー出力の増加とともに希釈率が増加します。これは、レーザー出力が大きいほど入熱が大きくなるためです。このとき、基材に吸収される熱が増加し、それに応じて溶融部分が増加し、クラッド層の希釈率が増加します。異なる基板を縦断的に比較したところ、1700 Wのレーザー出力を除いて、クラッド層の希釈率の差は10％以内であることがわかりました。このとき、1700つの炭素鋼の特性は希釈率にほとんど影響を与えませんでした。235 Wのレーザー出力では、Q235鋼の表面のクラッド層の希釈率が大幅に大きくなっており、レーザー出力が増加するとQ235鋼のエネルギー吸収効率がより大幅に増加したことを示しており、これはQ2.2鋼に不純物元素が多く含まれていることと関連している可能性があります。XNUMX 希釈率がクラッド層の微細構造に与える影響
クラッド層の希釈率が30％未満の場合、5つの炭素鋼の表面のクラッド層構造は類似しており、クラッド層の深さに応じて変化するオーステナイト急速凝固構造の特徴を備えています。 クラッド層の下部から上部にかけて、図13に示すように、平面結晶、粗大な細胞状結晶と樹枝状結晶、微細樹枝状結晶、等軸結晶があります。 この構造の形成は、固液界面前面の温度勾配Gと凝固速度νに関連しています。 金属凝固理論によれば、G / νは結晶構造の形態を決定し、Gνは結晶構造のサイズを決定します[5]。 凝固の初期段階では、基板と接触している液相が最初に凝固し、基板温度は液相の温度よりもはるかに低くなります。 そのため、凝固中に液相の過冷却度が大きく、凝固前面の温度勾配が大きくなります。同時に、凝固初期には界面凝固速度νは小さく、このときG /νは大きい。図5（a）に示すように、固液界面は平板結晶の形で進行します。固液界面が平板結晶の端に達すると、底部構造の形成がクラッド層の中間構造の熱伝導を妨げます。同時に、中間の液相は外界と熱を交換しにくくなります。そのため、温度勾配が小さく、放熱が遅いです。このとき、凝固速度が増加し、G /νが減少し、図5（b）に示すように、固液界面がクラッド層の上部まで進み続けると、G /νが急激に低下し、デンドライトと等軸結晶の形成条件に達します。このとき、熱伝導方向は固液界面に垂直で基板に向かうだけでなく、空気との熱伝導も加わるため、凝固過程における冷却速度が速く、図XNUMX(c)に示すように微細な等軸結晶や樹枝状結晶が生成される。

図6に示すように、クラッド層の希釈率が増加すると、急冷凝固組織の特徴が消え、クラッド層組織はオーステナイトからマルテンサイトへと変化します。クラッド層の希釈率が36％のとき、図6（c）に示すように、柱状結晶の内部にマルテンサイトが現れ、その数は少ないです。希釈率が58％に増加すると、図6（a）に示すように、クラッド層内の柱状結晶が消え、すべてマルテンサイト組織に変化します。クラッド層の希釈率が組織に与える影響には、主に7つのメカニズムがあります。30つは、希釈率が増加すると、溶融後にクラッド層に入るマトリックス元素が増加し、オーステナイト系ステンレス鋼中のCr元素とNi元素が希釈されると同時に、クラッド層のC含有量が増加し、クラッド層が安定したオーステナイト組織を維持できなくなり、C含有量の増加によってマルテンサイト変態温度が低下し、マルテンサイト形成の条件が整うことです。もう35つは、希釈率が大きいほど入熱量が高くなるため、溶融池の熱が高くなり、クラッド層の冷却速度が低下し、急冷凝固組織を形成できなくなります。図45に示すように、希釈率が235％を超えると、2700鋼と35鋼の表面クラッド層にもマルテンサイト組織が現れます。 Q45鋼とは異なり、レーザー出力7Wでは、35鋼と45鋼の表面クラッド層は依然として急速凝固組織の特徴を維持でき、図235（a）と（e）に示すように、柱状結晶の内側にのみマルテンサイトが現れます。これは、同じレーザー出力で、XNUMX鋼とXNUMX鋼基板の冷却速度がQXNUMX鋼基板の冷却速度よりも速く、クラッド層が依然として急速凝固組織の特徴を維持できるためです。レーザー出力が増加し続けると、理論的には完全なマルテンサイト変態も発生する可能性があります。

2.3 希釈率がクラッド層の元素分布に及ぼす影響 元素のマクロ分布は、クラッド層の性能に影響を与える重要な指標であり、クラッド層と基材の間の冶金結合プロセスを反映することができます [14]。 レーザークラッディングプロセス中の各構成元素の分布特性をより深く理解するために、異なる希釈率の235つの炭素鋼クラッド層に対してEDSテストを実施しました。 テスト結果によると、異なる基材上のクラッド層は、同様の元素分布と拡散特性を持っています。 Q8鋼クラッド層のマルテンサイト変態は最も完全であるため、具体的な分析を以下に示します。 図235は、異なる希釈率でのQ8鋼クラッド層の元素スキャン結果を示しています。 図10（a）に示すように、希釈率が235％の場合、さまざまな元素がクラッド深さ方向に偏析しています。 Q235鋼マトリックス内のステンレス鋼と合金元素は相互に拡散します。ステンレス鋼中のCr、Ni、Si、Moは元の界面を越えてQ235鋼マトリックスに拡散し、Q15鋼中のFeは元の界面を越えてステンレス鋼層に拡散します。同時に、界面に明らかな相互拡散ゾーンが形成され、基材とクラッド層との接合モードが拡散型冶金接合であることを示している[8]。希釈率が増加すると、図235（b）～（d）に示すように、クラッド層と近くの基材との間の元素分布の差は徐々に減少します。これは、希釈率が増加すると、溶融池断熱時間が長くなり、クラッド層と基材との間の元素拡散がより十分になるためです。その中で、Fe、Cr、Niは原子半径が近く、拡散モードは置換拡散であり、拡散速度は遅いのに対し、MoとSiはQ58鋼基材との特性の差が大きく、拡散は比較的容易です。したがって、希釈率が 8% の場合、図 235 (d) に示すように、クラッド層と基材の間でのこれら 2 つの元素の分布は基本的に同じです。ステンレス鋼中の Fe、Cr、Ni の 2 つの主要元素の変化を定量的に分析するために、表 XNUMX に示すように、異なる希釈率での QXNUMX 鋼基材のクラッド層の元素含有量を検出し、統計的に分析しました。表 XNUMX に示すように、クラッド層中の Fe 含有量は希釈率の増加とともに徐々に増加しますが、Cr と Ni の含有量は希釈率の増加とともに徐々に減少します。これは、マトリックス元素の溶融によりクラッド層の組成が変化し、マルテンサイトの形成条件が作り出されることを示しています。

2.4 希釈率による被覆層の硬度への影響

図9（a）に示すように、希釈率によるクラッド層の硬度の変化は30段階に分けられます。第30段階では、希釈率が250％未満で、クラッド層の硬度は希釈率とともにゆっくりと増加し、変化は小さいです。第300段階では、クラッド層の希釈率がXNUMX％を超え、XNUMXつの基板のクラッド層の硬度が大幅に増加し、XNUMX〜XNUMX HV増加します。第XNUMX段階では、硬度は最大値に達した後、減少します。 クラッド層の硬度の変化は多くの要因によって影響を受けます。 第一段階では、マルテンサイト変態はまだ発生していません。 クラッド層の硬度の増加は、主に希釈率の増加による組成の変化によるものです。 クラッド層により多くのCが混入され、C含有量の増加により炭化物の形成が促進され、クラッド層が強化されます。 第 2 段階のクラッド層の硬度は、主にマルテンサイト変態の強化効果により大幅に向上します。 希釈率が上昇し、クラッド層は徐々にオーステナイトからマルテンサイトへと変化します。 マルテンサイトの含有量が多いほど、硬度の増加が顕著になります。 マルテンサイト変態が基本的に完了すると、硬度値は安定する傾向があります。 第 3 段階では、希釈率が増加すると、マルテンサイト中の炭素原子の過飽和度が増加し、炭素原子の固溶の困難性が増し、マルテンサイトの強化効果が鈍化します。また、希釈率が増加すると、基板温度が上昇し、冷却プロセスによってクラッド層に焼き戻し効果が生じ、マルテンサイトが部分的に分解されます。 マルテンサイト固溶強化効果が分解効果よりも小さい場合、クラッド層の硬度は低下します。 たとえば、Q235 鋼の表面のクラッド層の硬度は、完全なマルテンサイト変態後に低下しますが、35 鋼と 45 鋼の基板は炭素原子含有量が高く、Q235 鋼よりも固溶しにくくなります。 固溶強化効果はマルテンサイト分解よりも大きいため、硬度は増加しますが、増加量は減少します。 希釈率がさらに上昇すると硬度が低下すると判断されます。 図9(b)に示すように、クラッド層の希釈率が30%未満の場合、一般的な硬度勾配構造[15]とは異なり、XNUMXつの炭素鋼の熱影響部の硬度はクラッド層の硬度よりも高くなります。 このとき、クラッド層の硬度は主にクラッド粉末の特性、すなわちオーステナイト系ステンレス鋼の粉末硬度によって決まり、基材は溶融池の熱影響により局所的に相変態を起こし、高硬度のマルテンサイトを生成し、熱影響部の硬度がクラッド層の硬度よりも高くなるという現象につながる[18]。 希釈率が増加すると、熱影響部の硬度が低下する傾向があり、これは Q235 鋼基板で特に顕著です。 希釈率235%でQ58鋼クラッド層の急冷凝固組織が消失したことと合わせて、希釈率の大きい基材の熱影響部では熱放散が比較的遅く、冷却速度が低下し、マルテンサイト変態が不完全で粒成長を伴い、硬度が低下すると推測されます。 クラッド層から遠い基板部分は溶融池の熱の影響が少なく、主に熱伝導の役割を果たして溶融池の冷却を加速し、相変態温度に到達できなくなります。 したがって、9 つの基板の硬度は依然として材料の炭素含有量によって決定され、図 XNUMX (c) に示すように、クラッド層の希釈率の変化によって基本的に影響を受けません。 3まとめ
表面強化技術として、レーザークラッディングは炭素鋼の表面改質に大きな可能性を秘めています。クラッディング層の性能を確保するために希釈率を制御する従来の方法とは異なり、この実験では、希釈率が大きいほど、クラッディング層と基材の冶金結合が向上し、マトリックス元素の組み込みによってクラッディング層の機械的特性も向上することが証明されています。主な結論は次のとおりです。
（１）実験で作製したクラッド層は内部に気孔や亀裂がなく、成形品質は良好である。レーザー出力はクラッド層の希釈率に大きな影響を与える。希釈率はレーザー出力の増加とともに上昇傾向を示す。同じ出力では、基材の違いがクラッド層の希釈率に影響を与え、これは主に基材のレーザー吸収効率に関係している。
（２）希釈率が３０％未満の場合、異なる基材上のクラッド層は、クラッド層の下部から上部にかけて、板状結晶、粗大な柱状結晶と樹枝状結晶、微細な樹枝状結晶と等軸結晶という同じ微細構造形態を有する。希釈率が３０％を超えると、急速凝固に伴って微細構造特性が徐々に消失し、クラッド層はオーステナイトからマルテンサイトに変態する。クラッド層と基材は冶金的に結合している。希釈率が増加するにつれて、クラッド層と近傍の基材の元素が一致する傾向があり、冶金的結合効果が向上する。同時に、希釈率の変化によりクラッド層の元素組成が変化し、マルテンサイト変態の組成条件が形成される。 （2）Q30鋼、30鋼、3鋼の表面におけるクラッド層の希釈率は硬度と関係があり、変化の過程によって235段階に分けられる。第35段階では、希釈率の増加によりクラッド層に混入するC量が増加し、炭化物の形成が促進され、クラッド層が強化される。第45段階では、クラッド層がマルテンサイト変態を起こし、希釈率が増加し、クラッド層が徐々にオーステナイトからマルテンサイトへ変態し、硬度が大幅に向上し、250～300 HV増加する。第XNUMX段階では、マルテンサイトへの炭素原子の固溶の難しさが増し、マトリックス温度の上昇に伴いマルテンサイトが部分的に分解される。マルテンサイトの固溶強化効果が分解効果よりも小さい場合、クラッド層の硬度は低下する。マトリックスの違いにより、同じレーザー出力でも希釈率が変化し、XNUMX種類の炭素鋼表面のクラッディング層の微細構造と硬度が変化します。これは、材料が類似していてもレーザークラッディングパラメータは普遍的ではなく、性能を調査する際には希釈率を基準として使用する必要があることを示しています。ここでは、レーザー出力の変化により希釈率が変化した場合のクラッディング層の微細構造と特性のみを調査しました。スキャン速度や粉末供給量など、レーザークラッディングの他のパラメータによって引き起こされる希釈率の変化がクラッディング層に同じ影響を与えるかどうかを調査する必要があります。