錫青銅は摩耗部品の基礎材料であり、工業分野で広く使用されています。CuSn12Ni2錫青銅の金属組織とエネルギースペクトルを分析し、CuSn12Ni2錫青銅粉末を42CrMo合金鋼基板上に被覆しました。 高速レーザークラッディング 接合強度試験を行うプロセス。研究結果によると、CuSn12Ni2スズ青銅と42CrMo合金鋼基板の間で冶金接合が達成されていることがわかりました。

1.研究の背景

錫青銅は、摩擦・摩耗部品の基本材料の一つとして工業分野で広く使用されています。この材料は、特に低速・高負荷条件に適しています。滑り軸受に使用される主な形態には、単金属スリーブとスラスト軸受、粉末焼結バイメタルスリーブとスラスト軸受、遠心鋳造バイメタルスリーブとスラスト軸受、スピニング単金属スリーブ、粉末冶金単金属スリーブなどがあります。レーザークラッディングは、基材との良好な接着、低い希釈率、および小さな熱影響部の利点を備えた効率的な表面強化および再生修復技術です。レーザークラッディングは、複数のパラメータが結合した複雑なプロセスです。レーザー出力、レーザースキャン速度、粉末供給速度、スポット径などのパラメータは、クラッディング層の品質にとって非常に重要です。レーザークラッディング積層造形は、国内外で多くの面で研究されてきました。しかし、従来のレーザークラッディングでは、粉末がエネルギーの20％を吸収し、エネルギー利用率が低く、希釈率が5％〜15％であり、クラッディングが完了した後の後続の処理量が多く、処理コストが高くなります。高速レーザークラッディングでは、粉末がエネルギーの80％を吸収し、エネルギー利用率が高く、希釈率が3％未満であり、クラッディングが完了した後の後続の処理量が少なく、処理コストが低くなります。高速または超高速レーザークラッディング技術は、粉末の溶融形態とエネルギー吸収率を最適化し、材料の堆積速度を高め、高効率、欠陥のない、高結合強度、低希釈率のクラッディング層を獲得し、従来のレーザークラッディングよりも有利です。高速レーザークラッディング準備プロセスは、スチールシャフト基板上にスズ青銅合金層を準備するために使用され、シャフトスリーブとスチール基板間の長期的な干渉嵌合によって引き起こされるクリープによって引き起こされるランニングサークルの問題を解決できます。 また、スズ青銅合金層が破損した後は、処理して除去し、再度クラッディングして再製造を実現できます。 現在、スチールシャフト基板へのスズ青銅粉末の高速レーザークラッディングに関する研究は比較的少ないです。 著者は、高速レーザークラッディング技術を12CrMo合金鋼基板にCuSn2Ni42スズ青銅粉末をクラッディングして、材料のミクロ組成と組織、および二重層金属材料のマクロ結合強度を研究しました。 研究結果によると、CuSn12Ni2スズ青銅と42CrMo合金鋼基板は冶金結合を実現しています。

2 サンプルの準備

材料の結合強度を徹底的に研究するために、まず、材料の結合面付近の材料欠陥や化学組成を試験するための平面サンプルと、材料の結合強度を試験するための円形サンプルを含む研究サンプルを準備します。

2.1 粉末の調製

粒子サイズが集中するほど球形が良くなり、高速レーザークラッディングに使用する粉末の成分分布が均一であるほど、粉末の流動性が良くなり、クラッディング後の欠陥が少なくなり、特に接合面では欠陥が少なくなります。著者が使用するCuSn12Ni2スズ青銅粉末は、ガスアトマイズプロセスによって得られます。原理は、高速気流を使用して銅合金液を小さな液滴に分解し、急速に冷却して球状の金属粒子を形成することです。図50に示すように、粒子サイズは主に150〜1μmに集中しており、真球度は良好です。スズ青銅粉末内の金属組織粒子は微細です。図2（a）は等軸晶の大部分を示し、図2（b）は樹枝状結晶のごく一部を示しています。さらに、スズ青銅粉末の断面エネルギースペクトル分析では、銅、スズ、ニッケル元素の分布が比較的均一であり、偏析が発生していないことが示されています。

2.2 サンプルの準備

サンプル作製には高速レーザークラッディングプロセスを採用しており、レーザークラッディング装置の光源はレーザー波長が約1.06μm、最大出力が6kWのファイバーレーザーです。ファイバーコネクタからレーザーが放射された後、コリメートレンズを介して平行光に変換され、次にフォーカスレンズを介して焦点を合わせてエネルギーを一点に集中させ、焦点で金属を溶かしてレーザークラッディング加工を実現します。同軸環状ガスキャリアは、粉末を均一に供給するために使用されます。粉末供給ガスはアルゴンです。同時に、アルゴンはレーザークラッディング中の材料の酸化を減らすための保護ガスとして使用されます。電気エネルギーを光エネルギーに変換する過程でレーザーによって発生する余分な熱を取り除き、外部光路でレーザービームを反射するレンズによって吸収される熱の一部を取り除くために、レーザーには水冷システムが備わっています。

筆者らの研究におけるクラッド層の厚さは1.2mm、クラッド速度は60～100mm/s、スポット径は2mm、粉末供給量は40～50g/分、レーザー出力は4500kW～4800kWである。

高速レーザークラッディングプロセスによって作成された平面サンプルは図3に示されており、CuSn12Ni2スズ青銅と42CrMo合金鋼基板の接合面付近の材料の特性評価と分析に使用されます。具体的な操作では、平面サンプルからサンプルを採取し、金属組織分析とエネルギースペクトル分析用のサンプルを準備する必要があります。高速レーザークラッディングプロセスによって作成された通常の接合強度試験サンプルは図4に示されており、CuSn12Ni2スズ青銅と42CrMo合金鋼基板間の接合強度を決定するために使用されます。

3 高速レーザークラッディング材料の特性評価と分析

3.1 金属組織

サンプルは金属組織学的分析を受けました。分析装置は超深度被写界顕微鏡を使用しました。図5は腐食前のサンプルの微細構造形態を示し、図6は腐食後のサンプルの金属組織学的構造を示しています。腐食サンプルに使用した溶液は、10gFeCl、6H、0、密度2g / mLの1.16mL塩酸溶液と、体積分率98％の95mLエタノール溶液の5つの物質の混合物で構成されています。図12から、高速レーザークラッディングプロセスで製造されたCuSn2Ni97.14スズブロンズにはまだ一定の気孔があり、最大気孔径は6μmであることがわかります。図12から、腐食後のサンプルの金属組織は、接合面付近では主に樹枝状結晶であり、CuSn2NiXNUMXスズブロンズの表面に近いほど等軸粒が主に形成されていることがわかります。主な理由は、表面に近いほど過冷却度が高くなり、等軸粒子が形成されやすくなり、接合面に近いほど過冷却度が低くなり、デンドライト粒子の形成が促進されるためです。

3.2エネルギースペクトル分析

レーザークラッディングプロセス中に、CuSn12Ni2スズ青銅中の一定量の元素が42CrMo合金鋼マトリックスに浸透し、接合面近くで冶金結合を形成します。接合面のエネルギースペクトル分析の目的は、CuSn12Ni2スズ青銅の希釈率が高くないため、プロセスがスズ青銅の組成と機械的特性にほとんど影響を与えないことです。希釈率は高くありませんが、少量の元素が合金鋼マトリックスに入り込み、接合面近くで冶金結合が発生することを示しています。

4 接着強度試験

CuSn12Ni2スズ青銅材料を高速レーザークラッディングプロセスで42CrMo合金鋼マトリックスにクラッディングした後、滑り軸受の摩擦低減および耐摩耗層として使用する場合、マトリックスとの高い接着強度が必要です。これは、高速レーザークラッディングプロセスのパラメータを調整することで実現できます。著者は、国家標準GB / T12948-1991「滑り軸受の二金属結合強度の破壊試験方法」に従って結合強度試験用のサンプルを準備し、結合強度試験を実施しました。CuSn12Ni2スズ青銅材料の降伏強度は140MPa〜150MPa、引張強度は260MPa〜300MPaです。結合強度が降伏強度に満たない場合、結合面で破壊が発生します。接合強度が降伏強度と引張強度の間であれば、接合面ではまだ破断が発生しますが、CuSn12錫青銅本体はすでに降伏しています。接合強度が引張強度より大きい場合、CuSn12Ni2錫青銅素材本体で破断が発生します。通常の接合強度試験を図8に示し、試験結果を図9に示します。図9からわかるように、試験後の429.5つのサンプルの通常の接合強度はそれぞれ326.6MPaと12MPaであり、素材の引張強度よりも大きく、接合面の接合強度がCuSn2Ni12錫青銅の引張強度を超えていることを示しています。図2に示すように、サンプルの破断面は試験からCuSn10Ni12錫青銅本体であることがわかっており、接合面の接合強度がCuSn2Ni12錫青銅の引張強度を超えていることも確認されています。結合強度試験の結果からも、CuSn2Ni42 スズ青銅と XNUMXCrMo 合金鋼マトリックスが冶金結合していることが示されています。

5まとめ

著者は、高速レーザークラッディングプロセスによって製造されたCuSn12Ni2スズ青銅と合金鋼マトリックスの接合性能を研究し、CuSn12Ni2スズ青銅と42CrMo合金鋼マトリックスが冶金接合を生成することを発見しました。

CuSn12Ni2 スズ青銅の接合面付近では、主に樹枝状結晶が見られます。CuSn12Ni2 スズ青銅の表面付近では、主に等軸晶が見られます。これは、接合面付近の過冷却が小さく、表面の過冷却が大きいことを示しています。

高速レーザークラッディングプロセスによる CuSn12Ni2 スズ青銅の希釈率はそれほど高くないため、このプロセスはスズ青銅の組成と機械的特性にほとんど影響を与えません。

高速レーザークラッディングプロセスのパラメータを適切なパラメータに調整すると、接合面の接合強度は CuSn12Ni2 スズ青銅の引張強度を超えることができます。