Ni60 합금 분말은 레이저 클래드 42CrMo강판에 니켈계 복합코팅을 제조하고, 표면형태, 미세조직, 상, 비커스경도, 내마모성 및 전단강도를 측정한다. 클래딩층 분석되었습니다. 동시에 레이저 출력과 스캐닝 속도가 레이저 클래딩 층의 조직 및 마찰 및 마모 특성에 미치는 종합적인 효과를 분석했습니다. 결과에 따르면 각 Ni60 클래딩 층의 상 유형은 서로 다른 특정 에너지에서 일관됩니다. 특정 에너지가 너무 높거나 낮으면 클래딩 층 표면에 큰 튀김이나 마모가 발생합니다. 미소 경도는 기판보다 약 1.4~1.96배 높으며 경도는 특정 에너지가 감소함에 따라 점차 증가하는 반면 마찰 계수와 마모량은 특정 에너지가 감소함에 따라 점차 감소합니다. 클래딩 층은 높은 전단 강도를 가지며 225~259MPa에 도달할 수 있습니다. 특정 에너지가 4.8kJ/cm2일 때 클래딩 층 표면에 튀김이 작고 물고기 비늘 무늬가 밀접하게 배열되고 두께가 균일하며 조직이 조밀하고 기계적 특성이 우수하며 클래딩 층과 기판이 양호한 야금적 접합을 달성했습니다.

42CrMo강은 고강도, 고인성을 지닌 강종이다. 이것은 플런저 펌프 실린더 소재와 같이 야금, 광업, 항공우주 및 기타 분야에서 자주 사용됩니다. 플런저 펌프는 유압 시스템에 없어서는 안 될 부분으로, 플런저는 플런저 펌프의 핵심 구성 요소입니다. 액체는 플런저와 실린더의 왕복 운동을 통해서만 운반될 수 있습니다. 플런저와 실린더 사이의 운동 특성으로 인해 이러한 지속적인 고강도 작업은 플런저 펌프의 수명을 크게 단축시키고 표면 마모로 인해 고장이 발생하는 경우가 많습니다. 정비 시 부품을 직접 교체하게 되면 비용이 많이 들고, 저렴한 모조 부품을 사용하게 되면 플런저 펌프 사용에 더 많은 숨겨진 위험이 초래됩니다. 레이저 클래딩은 고에너지 레이저를 열원으로 사용하여 작업물 표면을 빠르고 효율적으로 수리하는 새로운 기술입니다. 적합한 합금 분말로 작업물 표면을 클래딩하면 표면 마모 저항성, 내부식성 및 기타 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 화학 도금이나 증기 증착 등의 표면 처리 기술과 비교했을 때 레이저 클래딩은 높은 에너지 밀도, 낮은 희석률, 빠른 냉각 속도, 열 영향부가 작은 등 다른 기술로는 대체하기 어려운 장점을 가지고 있습니다. Li et al. 30% SiC와 70% Ni계 합금의 혼합물을 강판에 클래딩하기 위해 레이저 클래딩을 사용하고, 클래딩의 미세조직과 건조 슬라이딩 마모 거동을 연구한 결과, 마찰계수와 마모율이 현저히 감소하였고, 강 기판 표면이 우수한 내마모성을 얻었음을 확인하였습니다. Ni60 합금 분말은 Ni, Cr, B, Si와 균일하게 혼합된 니켈 기반의 자체 용융 합금 분말입니다. 이 합금은 우수한 내마모성, 내부식성, 고온 저항성, 고경도 및 내산화성 등 여러 가지 장점을 가지고 있으며 표면 강화 기술에 널리 사용됩니다. 42CrMo강의 표면층은 Ni60 레이저 클래딩으로 수리 및 강화가 가능하며, 이를 통해 니켈 기반 합금의 장점을 최대한 활용하고 강의 표면 특성을 개선할 수 있습니다. 클래딩 공정의 공정 변수는 클래딩 층의 미세구조와 기계적 특성에 직접적인 영향을 미치므로 공정 변수를 파악하는 것이 매우 중요합니다. Huang et al. 그래핀 나노시트(NG)를 함유한 Ni3Al 기반 복합재의 미세구조와 마찰 특성에 대한 스캐닝 속도의 영향을 연구했습니다. 결과는 450mm/s의 스캐닝 속도에서 합성된 NG 샘플이 밀도가 높고 미세한 미세구조를 가지고 있으며, 상대 밀도가 더 높고(98.6%), 마찰 계수가 더 낮고(0.23) 마모율이 더 낮다는 것을 보여줍니다(5.5×10-6 mm3/(N·m). 스캐닝 속도를 최적화하면 NG의 표면 경도, 상대 밀도, 마찰 성능을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 코브린 등 레이저 출력과 측면 속도가 레이저로 증착된 Ti-6Al-4V의 미세구조, 기공률, 적층 높이에 미치는 영향을 연구한 결과, 냉각 속도가 증가함에 따라 기둥형 결정의 폭이 감소하고, 측면 속도와 출력이 증가함에 따라 융착되지 않은 결정과 기공률이 감소하는 것을 발견했습니다. 추 등 Invar36 샘플을 선택적으로 레이저로 용융하여 미세구조와 특성을 연구했습니다. 결과는 레이저 속도 v가 53.33mm/min 미만일 경우 기공률이 낮음(0.5% 미만)을 나타내고, v>53.33mm/min일 경우 기공률이 현저히 증가하는 것을 나타낸다. 위에서 언급한 매개변수 외에도 사전 설정된 층 두께, 스팟 직경, 펄스 폭과 같은 요인이 클래딩 층에 미치는 영향도 연구됩니다. 또한, 레이저 출력, 스캐닝 속도, 스팟 직경에 의해 조절되는 종합적 영향 요인인 레이저 비에너지(E)와 같은 다양한 매개변수의 종합적 효과도 연구됩니다. 이는 레이저 클래딩 공정의 중요한 평가 지표입니다.

Ni60 합금 분말을 사용하여 42CrMo강 표면에 Ni60 코팅을 제조했습니다. 비에너지는 레이저 출력과 스캐닝 속도를 조정하여 제어했습니다. 비에너지가 클래딩층의 성형 품질, 미세 구조, 미세 경도, 전단 강도 및 내마모성에 미치는 영향을 분석하여 고품질 클래딩층을 얻었습니다.

1 실험 재료 및 방법

1.1 실험재료
실험 기판 재료는 크기가 42mm×150mm×100mm인 10CrMo 합금 구조강입니다. 시험 전에 표면을 금속학적 사포로 매끈하게 연마한 다음 아세톤과 알코올을 사용하여 표면 불순물을 제거했습니다. 클래딩 분말은 메시 크기가 약 60인 구형 Ni300이었습니다. 미세 구조는 그림 1에 나와 있으며 화학 성분은 표 1에 나와 있습니다.

1.2 실험 방법
이 시험은 분말 사전 설정 방법을 채택했습니다. 합금 분말과 알코올을 유발에서 고르게 섞었습니다. 혼합물이 점성이 되면 분말 스프레더를 사용하여 기판 표면에 펴 바르고 건조 오븐에 넣어 120°C에서 0.5시간 동안 예열했습니다. LWS-1000 Nd:YAG 레이저는 12L/min의 가스 유량으로 아르곤 분위기에서 레이저 클래딩에 사용되었습니다. 클래딩 공정의 개략도는 그림 2에 나와 있습니다.

비에너지 E는 레이저 클래딩 공정의 중요한 지표이며 다음 공식으로 계산할 수 있습니다. E = P/v * D (1).

여기서: E——비에너지, kJ/c㎡;

P——레이저 출력, W;

v——스캐닝 속도, mm/s;

D——점 직경, mm.

다양한 특정 에너지를 가진 샘플은 L1~L6으로 번호가 매겨졌으며, 특정 레이저 공정은 표 2에 나와 있습니다.

클래딩 후, 전기 스파크 와이어 절단을 사용하여 스캐닝 방향과 수직인 방향으로 샘플을 잘라내고, 샘플을 연삭 및 연마하고, 금속 조직 샘플을 질량 백분율 33%의 왕수로 에칭하여 미세 구조 및 기계적 특성을 연구했습니다. X´Pert PRO MPD X-선 회절계를 사용하여 클래딩 층의 상을 분석하고, Regulus8230 주사 전자 현미경을 사용하여 클래딩 층의 미세 구조를 관찰하고, VTD401 디지털 마이크로 비커스 경도 시험기를 사용하여 클래딩 층의 경도를 측정하여 분포 법칙을 알아내고, AGS-X 전자식 만능 시험기를 사용하여 샘플에 대한 전단 시험을 수행했습니다. 마찰 및 마모 시험은 MMW-1A 만능 마찰 및 마모 시험기를 사용하여 수행했습니다. 샘플 크기는 Φ4.8mm×12mm 원통이었습니다. 연삭 링 재료는 열처리 후 45강이었습니다. 시험 속도는 실온에서 100 r/min, 하중은 20 N, 시험 시간은 30분이었습니다.

2 실험결과 및 고찰

2.1 코팅의 거시적 형태
그림 3은 입체 현미경으로 서로 다른 특정 에너지를 가진 레이저 클래딩 층의 표면 형태를 보여줍니다. 그림 1의 L6에서 L3까지 서로 다른 특정 에너지에서 얻은 코팅은 모두 레이저 작용 하에서 촘촘하게 배열된 물고기 비늘 형태를 보이고 아르곤 보호 하에서 뚜렷한 금속 광택을 보입니다. 특정 에너지가 작을 때(L1, L2) 단위 면적당 조사 에너지가 낮고 일부 분말은 제때 녹아서 튀김을 형성하지 못합니다. 레이저 특정 에너지(L3, L4)가 증가함에 따라 조사 에너지는 적당하고 튀김이 감소하며 물고기 비늘 사이의 연결이 느슨함에서 촘촘해지고 두께가 균일합니다. 특정 에너지가 5.6kJ/cm2(L5)로 증가하면 표면에 약간의 화상과 튀김이 나타나고 물고기 비늘 패턴이 점차 고르지 않게 되며 성형 품질이 저하됩니다. 이는 비에너지가 증가함에 따라 단위 면적당 수신되는 방사선이 강해지는 반면, 레이저의 분말 흡수율은 거의 변하지 않아 레이저와 분말 사이의 힘이 증가하고 쉽게 튀는 현상이 발생하여 표면 형태에 영향을 미치기 때문입니다. 또한 비에너지가 클 경우 단위 면적이 너무 많은 에너지를 수신하여 분말의 삭마 및 산화로 이어집니다.

2.2 상 조성 및 미세 구조
그림 4는 1개의 레이저 비에너지(L4, L6, L4)를 갖는 클래딩층의 X-선 회절 패턴을 나타낸다. 그림 4.35에서 보듯이 레이저 비에너지가 각각 5.40 kJ/c㎡, 5.80 kJ/c㎡, 3 kJ/c㎡일 때 클래딩층의 주요 상은 (Fe, Ni), 오스테나이트, FeNi1이며 회절 피크의 세기가 높다. 비에너지가 증가함에 따라 단위 면적당 조사 에너지가 증가하고 그에 따라 코팅의 결정성이 증가하고 회절 피크 세기가 점차 증가한다. 피크 세기가 L4에서 L4.35로 상당히 증가하는 것을 볼 수 있다(비에너지는 5.40 kJ/c㎡에서 4 kJ/c㎡로 증가). 두 물질의 X선 회절 피크 면적을 비교하면 L1에는 L4에 비해 (Fe, Ni) 및 기타 상이 많이 포함되어 있는 것으로 판단할 수 있으며, L6에서 L5.40로 갈수록 비에너지가 변하고(비에너지는 5.8 kJ/c㎡에서 XNUMX kJ/c㎡로 증가) 이에 따른 회절 피크 강도 변화도 비교적 작다.

그림 5는 다양한 비에너지 하에서 클래딩 층의 미세 구조를 보여줍니다. 전체 클래딩 층에는 기공이 없고 균열이 없으며 치밀한 구조입니다. 조직 형태에 따르면 일반적으로 상부, 중간 및 하부의 세 영역으로 나눌 수 있습니다. 결과에 따르면 다양한 레이저 비에너지 하에서 클래딩 층의 미세 구조는 주로 실질, 수지상 결정 및 기둥형 결정(L1~L6)으로 구성됩니다. 레이저 클래딩의 빠른 응고 특성으로 인해 1차 수지상은 성장하기 어렵기 때문에 대부분의 수지상은 짧은 1차 수지상입니다. 반면 레이저 비에너지가 높을수록 미세 구조가 더 복잡해집니다. L4.35 클래딩에서는 비에너지가 작고 단위 면적당 흡수되는 에너지가 낮으며 용융 풀의 응고 속도가 빠르기 때문에 입자가 성장할 시간이 없기 전에 응고되어 클래딩에 미세한 실질 입자(L1)가 형성됩니다. 비에너지가 4.64 kJ/c㎡(L2)에서 4.80 kJ/c㎡(L3)와 2 kJ/c㎡(L3)로 증가하면 흡수에너지가 증가하고 L0 코팅의 중간 영역에 있는 부분 클래딩 결정은 짧은 막대 모양으로 길어져 주상 결정립으로 되고 L2의 하부 영역에 있는 짧은 막대 모양의 결정립은 가느다란 주상 결정립으로 변형되어 수직 등온선을 따라 우선적으로 성장합니다. 락스마난의 합금 응고 이론에 따르면 이때의 공식은 GL/R＜ΔT2/XNUMXDL (XNUMX)입니다.
여기서: GL——계면 전면의 액상의 온도 구배, ℃;
R——응고 속도, mm/h;
T0——고체-액체 계면 온도 차이, ℃;
DL—액체상에서의 용질 확산 계수;
일반적으로 합금의 ΔT0와 DL은 상수입니다. GL이 변하지 않는다고 가정하면 R이 구성 요소의 임계 응고 속도(Rc≈1.9 μm/s)보다 클 때 과냉각은 2배에 가까워지고 실질은 점차 수지상으로 변형되고 일부 수지상은 L4의 중간 영역에 있는 주상 결정 사이의 틈새에서 볼 수 있습니다. 비에너지가 증가함에 따라 주상 결정은 점차 안정적 성장 단계에 들어가고 중간에 많은 수의 주상 결정을 볼 수 있습니다. 성장 속도가 임계 응고 속도 Rc의 20배보다 클 때 안정적 성장 단계를 돌파하고 일부 짧은 6차 팔(LXNUMX)이 주상 결정의 양쪽에 점차 나타납니다.

2.3 경도분포 및 마찰 및 마모성능
그림 6은 다양한 비에너지 하에서 기판에 대한 클래딩 층의 경도 분포를 보여줍니다. 경도는 클래딩 층 표면에서 스캐닝 방향까지 수직으로 지점별로 측정됩니다. 50개 지점을 50μm 간격으로 수평으로 측정하고 평균값을 이 깊이에서의 평균 경도로 취합니다. 결과에 따르면 클래딩 층 표면에서 L1에서 L6까지 380.2μm 떨어진 곳에서의 평균 경도는 각각 0.1HV364.5, 0.1HV358.1, 0.1HV350.4, 0.1HV350.3, 0.1HV348.1 및 0.1HV4.35입니다. 비에너지가 2 kJ/cm1(L42)일 때 표면 경도가 가장 높습니다. 210CrMo 매트릭스(평균 경도 0.1HV60)와 비교했을 때, Ni1.4 클래딩 층은 더 높은 미소경도를 보이는데, 이는 매트릭스 경도의 약 1.96~3배이며, 미소경도 분포 법칙이 유사하다. 즉, 클래딩 층 영역의 경도가 높고 매트릭스 경도는 점차 감소한다. 클래딩 층의 더 높은 경도는 주로 (Fe, Ni)의 고용 강화, 클래딩 층에서 현장 생성상 FeNi6의 분산 강화, 레이저 클래딩의 빠른 가열 및 냉각으로 인한 미세 입자 강화의 결합 효과에 기인한다. 그림 3의 곡선에서 볼 수 있듯이 비에너지가 증가함에 따라 클래딩 층의 경도는 점차 감소한다. 동시에 위에서 논의한 바와 같이 비에너지가 증가함에 따라 클래딩 결정 구조는 점차 원주형 결정과 수상정으로 변환되고 원주형 결정의 증가는 미소경도를 감소시킨다. 그 중 L5 및 L1 용융 풀의 동적 거동에는 일정한 차이가 있습니다. 중간 구조 변형 구역의 경도는 표면의 경도보다 높습니다. 이는 이 특정 에너지 하에서 용융 풀의 완전한 열 대류 때문입니다. L3~L4 코팅의 평균 미소 경도는 L6~L6보다 높습니다. 반면, 특정 에너지의 증가는 단위 면적당 조사 에너지를 높이고 클래딩 층의 희석 속도가 증가하고 모재의 더 많은 Fe 원소가 용융 풀에 들어가 코팅의 전체 경도를 감소시킵니다. 레이저 클래딩의 빠른 응고 특성의 영향을 받아 클래딩 층의 중간 및 하부 영역의 구조가 가장 복잡합니다. 비에너지가 증가하면 기둥형 결정과 수지상 결정이 증가하고 클래딩 결정과 섞여 코팅 영역의 경도가 복잡하게 변화하는 것을 볼 수 있는데, 이는 그림 XNUMX의 코팅 경도 변동 분포와 일치합니다.

그림 7은 다양한 비에너지 하에서 Ni60 클래딩층의 마찰 계수-시간 곡선을 보여줍니다. L1~L6 마찰 초기에는 마찰계수가 급격히 증가하여 약 100s에서 안정된 마찰계수에 도달하는 것을 알 수 있다. 비에너지가 4.35 kJ/c㎡(L1)일 때 클래딩층의 평균 마찰계수는 약 0.29이고, 비에너지가 5.8 kJ/c㎡(L6)일 때 평균 마찰계수는 약 1.3이다. 다양한 비에너지에서 클래딩 층을 비교해 보면, 클래딩의 평균 마찰 계수는 비에너지가 감소함에 따라 감소하고, 전반적인 변화 추세는 비에너지에 따른 미소경도의 변화 추세와 기본적으로 일치합니다. 아르샤드의 법칙에 따르면 클래딩층의 내마모성은 미소경도와 양의 상관관계를 갖습니다. 비에너지가 증가함에 따라 클래딩층의 희석율이 커지고, 다량의 Fe 원소가 클래딩층으로 유입되고, 경질상의 함량이 감소하여 클래딩층의 경도가 낮아진다. 동시에 미세구조의 조대화는 경도에 부정적인 영향을 미칩니다. 이로 인해 코팅재의 접착력이 비교적 증가하고, 마찰 시 표면에서 더 많은 소성 변형과 마찰 생성물의 전달이 발생하여 연삭 링 사이의 마찰 저항과 마찰 계수가 증가합니다. 그림 60에서 Ni1 클래딩층(L6~L8)의 마모량을 비교하면, 특정 에너지에 따라 클래딩층의 마모량이 다르다는 것을 알 수 있습니다. 비에너지가 0.8 kJ/c㎡(L4.35)일 때 마모량은 1 mg이고, 비에너지가 1.9 kJ/c㎡(L5.8)일 때 마모량은 6 mg이다. L1~L6에서는 비에너지가 증가함에 따라 코팅의 경도가 감소하고, 마찰 계면에서 발생하는 마찰 생성물이 증가하고, 마모량이 점차 증가합니다. Ni60 코팅의 마찰 및 마모 표면은 SEM을 이용하여 특성화되었다. 그림 9에서 보듯이 L1~L6 코팅 표면에는 홈, 연마입자, 접착제 일부 벗겨짐 등 다양한 손상이 나타났습니다. L1(4.35 kJ/c㎡)에서는 클래딩층 마모면에 얕고 좁은 홈이 관찰된다. 이때 클래딩층은 높은 경도와 최상의 내마모성을 가지며, 이는 다양한 특정 에너지 하에서 클래딩층의 마찰 계수 및 마모량과 일치한다. 동시에 클래딩 층 표면에는 흩어져 있는 연마 입자가 보입니다. 이는 마찰 과정 중에 떨어지는 단단한 입자로, 클래딩 층에 연마 마모가 발생했음을 나타냅니다. 비에너지가 증가하면(L2~L4) 표면에서 떨어지는 연마입자의 수가 점점 늘어나며, 소량의 박리(L3)가 발생한다. 표면 경도가 낮아질수록 마찰 표면은 더욱 마모되고 마찰 생성물이 증가하며 전단력의 작용으로 일정 두께의 전사 필름이 형성되어 표면에 접착됩니다. 비에너지가 5.6 kJ/cm2(L5~L6)보다 클 경우, 고배율에서 마모 표면에 부착된 투명한 전사 필름을 볼 수 있으며, 마모량은 최대 1.9 mg에 이릅니다. 다양한 비에너지 하에서 마찰 계면의 형태를 기반으로, 건조 마찰 마모 조건에서 클래딩 층의 주요 마모 거동은 연마 마모와 접착 마모가 결합된 복합 마모라는 것을 알 수 있습니다.

2.4 클래딩층의 전단강도
그림 10은 레이저 클래딩의 다양한 비에너지 하에서 Ni60 클래딩 층의 전단력-시간 곡선을 보여줍니다. 그림에서 클래딩 층과 기판 접합 계면이 다양한 비에너지로 견딜 수 있는 최대 하중은 약
2500N이고, 전단 강도는 225~259MPa에 도달할 수 있어 Ni60 클래딩 층과 42CrMo 기판이 양호한 야금적 결합을 달성했음을 나타냅니다. 비에너지가 4.35kJ/cm2(L1)일 때 전단 강도는 234MPa이고, 4.46kJ/cm2(L2)일 때 259MPa입니다. 그 후 비에너지가 증가함에 따라 전단 강도는 230MPa 주변에서 약간 변동합니다. 다른 비에너지에서 단위 면적당 조사 에너지의 차이로 인해 한편으로는 클래딩 층이 다른 희석률을 가지며, 이는 용융선 근처의 합금 원소 분포에 영향을 미치고, 다른 한편으로는 복잡한 미세 구조를 갖습니다. 이 둘은 클래딩 층과 기판의 전단 강도에 포괄적인 영향을 미칩니다.

3 결론

(1) Ni60 클래딩층의 상 유형은 서로 다른 특정 에너지 하에서 일관되며, 이는 표면 형성 품질과 구조 분포에 큰 영향을 미칩니다. 특정 에너지가 너무 높거나 낮으면 표면에 큰 스패터나 화상이 발생합니다. 특정 에너지가 증가함에 따라 클래딩층의 구조가 어느 정도 조대화되고 미세 소포 결정에서 원주형 결정으로 바뀝니다. 특정 에너지가 4.8kJ/c㎡일 때 클래딩층 표면에 스패터가 작고, 물고기 비늘 무늬가 밀접하게 배열되고 두께가 균일하며, 구조가 치밀하고 결함이 없으며, 양호한 야금적 접합이 달성됩니다.
(2) 레이저 클래딩 Ni60 코팅 후, 클래딩 층의 미소 경도는 기판에 비해 상당히 향상되어 기판 경도의 약 1.4~1.96배입니다. 클래딩 층에서 (Fe, Ni) 고용 강화, 경질상 FeNi3 분산 강화의 현장 형성 및 클래딩 층 미립자 강화의 결합 효과로 인해 클래딩 층이 더 높은 미소 경도를 갖게 됩니다. 경도 값은 비에너지가 감소함에 따라 점차 증가합니다. 동시에 비에너지와 클래딩 구조의 분포 법칙의 영향을 받아 경도는 클래딩 층에서 기판으로 점차 감소합니다.
(3) 클래딩층의 미소경도 변화 법칙에 따라 비에너지가 다를 때 클래딩층의 마찰계수와 그에 따른 마모량은 비에너지가 감소함에 따라 감소한다. 비에너지가 5.8kJ/c㎡에서 4.35kJ/c㎡로 감소하면 마찰계수는 1.3에서 0.29로 감소하고 마모량은 1.9mg에서 0.8mg으로 감소한다. 건조 마찰 마모 조건에서 클래딩층의 주요 마모 거동은 연마 마모와 접착 마모가 결합된 복합 마모 형태이다.
(4)를 레이저 클래딩 Ni60 코팅은 좋은 전단 저항성을 가지고 있으며, 225~259MPa에 도달할 수 있습니다. 클래딩 층과 기판은 좋은 야금학적 결합을 달성하고, 비에너지는 전단 강도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 비에너지가 클래딩 층의 성형, 미세 구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 고려할 때, 비에너지가 4.8kJ/c㎡일 때 클래딩 층의 성능이 더 좋다는 것을 알 수 있습니다.