Brąz cynowy jest podstawowym materiałem na części eksploatacyjne i jest szeroko stosowany w przemyśle. Przeanalizowano strukturę metalograficzną i widmo energetyczne brązu cynowego CuSn12Ni2, a proszek brązu cynowego CuSn12Ni2 nałożono na podłoże ze stali stopowej 42CrMo przy użyciu napawanie laserowe o dużej prędkości proces przeprowadzania testu wytrzymałości wiązania. Wyniki badań wykazały, że pomiędzy brązem cynowym CuSn12Ni2 a podłożem ze stali stopowej 42CrMo uzyskuje się wiązanie metalurgiczne.

1. Tło badań

Brąz cynowy jest szeroko stosowany w przemyśle jako jeden z podstawowych materiałów na części cierne i zużywalne. Materiał ten szczególnie nadaje się do zastosowań przy niskich prędkościach i dużych obciążeniach. Do głównych form stosowanych w łożyskach ślizgowych należą tuleje z pojedynczego metalu i łożyska oporowe, tuleje bimetaliczne i łożyska oporowe spiekane proszkowo, tuleje bimetaliczne i łożyska oporowe odlewane odśrodkowo, tuleje z pojedynczego metalu wirującego, tuleje z pojedynczego metalu metodą metalurgii proszków itp. Napawanie laserowe to wydajna powierzchnia technologia napraw wzmacniających i regeneracyjnych, charakteryzująca się dobrą przyczepnością do podłoża, niskim stopniem rozcieńczenia i małą strefą wpływu ciepła. Napawanie laserowe to złożony proces łączenia wielu parametrów. Parametry takie jak moc lasera, prędkość skanowania lasera, prędkość podawania proszku i średnica plamki są bardzo ważne dla jakości warstwy okładzinowej. Produkcja przyrostowa napawania laserowego była badana pod wieloma względami w kraju i za granicą. Jednakże w przypadku konwencjonalnego napawania laserowego proszek pochłania 20% energii, stopień wykorzystania energii jest niski, stopień rozcieńczenia wynosi 5% ~ 15%, a późniejsza objętość przetwarzania jest duża po zakończeniu napawania, a koszt przetwarzania jest wysoki. W przypadku szybkiego napawania laserowego proszek może pochłonąć 80% energii, stopień wykorzystania energii jest wysoki, stopień rozcieńczenia może być mniejszy niż 3%, a późniejsza objętość przetwarzania jest niewielka po zakończeniu napawania i przetwarzanie koszt jest niski. Technologia napawania laserowego o dużej lub nawet bardzo dużej szybkości optymalizuje formę topnienia i współczynnik pochłaniania energii przez proszek, zwiększa szybkość osadzania materiału i pozwala uzyskać wysoką wydajność, brak defektów, wysoką siłę wiązania i niską warstwę okładzinową o współczynniku rozcieńczenia, która jest korzystniejsza niż tradycyjne okładziny laserowe. Proces przygotowania napawania laserowego o dużej prędkości służy do przygotowania warstwy stopu cyny i brązu na stalowym podłożu wału, co może rozwiązać problem krążeń powodowanych przez pełzanie spowodowane długotrwałym pasowaniem wciskowym pomiędzy tuleją wału a stalą podłoże. A gdy warstwa stopu brązu cynowego ulegnie uszkodzeniu, można ją przetworzyć i usunąć, a następnie ponownie pokryć w celu regeneracji. Obecnie istnieje stosunkowo niewiele badań dotyczących szybkiego napawania laserowego proszku brązu cynowego na stalowych podłożach wałów. Autor stosuje technologię szybkiego napawania laserowego do platerowania proszku brązu cynowego CuSn12Ni2 na podłożu ze stali stopowej 42CrMo w celu zbadania mikroskładu i organizacji materiału oraz siły makrowiązania dwuwarstwowego materiału metalicznego. Wyniki badań wykazały, że brąz cynowy CuSn12Ni2 i podłoże ze stali stopowej 42CrMo osiągnęły wiązanie metalurgiczne.

2 Przygotowanie próbki

Aby w pełni zbadać siłę wiązania materiału, w pierwszej kolejności przygotowuje się próbki badawcze, w tym próbki płaskie służące do badania wad materiału i składu chemicznego w pobliżu powierzchni wiązania materiału oraz próbki okrągłe do badania siły wiązania materiału.

2.1 Przygotowanie proszku

Im bardziej stężony rozmiar cząstek, tym lepszy kształt kulisty i im bardziej równomierny rozkład składu proszku stosowanego do szybkiego napawania laserowego, tym lepsza płynność proszku i mniej defektów po napawaniu, szczególnie w przypadku klejenia powierzchni, będzie mniej defektów. Stosowany przez autora proszek brązu cynowego CuSn12Ni2 otrzymywany jest w procesie atomizacji gazowej. Zasadą jest użycie przepływu powietrza o dużej prędkości w celu rozbicia cieczy stopu miedzi na drobne kropelki, a następnie szybkiego schłodzenia w celu utworzenia kulistych cząstek metalu. Wielkość cząstek koncentruje się głównie w 50 ~ 150 μm, a kulistość jest dobra, jak pokazano na rysunku 1. Ziarna metalograficzne wewnątrz proszku brązu cynowego są drobne. Rycina 2 (a) przedstawia większość kryształów równoosiowych, a Rycina 2 (b) przedstawia małą część dendrytów. Ponadto przekrojowa analiza widma energii proszku brązu cynowego pokazuje, że rozkład pierwiastków miedzi, cyny i niklu jest stosunkowo równomierny i nie występuje segregacja.

2.2 Przygotowanie próbki

Do przygotowania próbki stosuje się proces szybkiego napawania laserowego, w którym źródłem światła sprzętu do napawania laserowego jest laser światłowodowy o długości fali lasera około 1.06 μm i maksymalnej mocy 6 kW. Po wyemitowaniu lasera ze złącza światłowodowego jest on przekształcany w światło równoległe przez soczewkę kolimacyjną, a następnie skupiany przez soczewkę skupiającą w celu skupienia energii w jednym punkcie, a metal topi się w ognisku, aby uzyskać obróbkę powłoką laserową. Współosiowy pierścieniowy nośnik gazu służy do równomiernego dostarczania proszku. Gazem dostarczającym proszek jest argon. Jednocześnie argon stosuje się jako gaz ochronny, aby zmniejszyć utlenianie materiałów podczas napawania laserowego. W celu usunięcia nadmiaru ciepła wytwarzanego przez laser w procesie zamiany energii elektrycznej na energię świetlną oraz części ciepła pochłoniętego przez soczewkę odbijającą wiązkę lasera w zewnętrznej drodze optycznej, przewidziano układ chłodzenia wodą laser.

Grubość warstwy napawania w badaniach autora wynosi 1.2 mm, prędkość napawania 60 ~ 100 mm/s, średnica plamki 2 mm, ilość podawanego proszku 40 ~ 50 g/min, a moc lasera 4500 kW ~ 4800 kW.

Płaską próbkę przygotowaną w procesie szybkiego napawania laserowego pokazano na rysunku 3, która służy do charakteryzowania i analizy materiału w pobliżu powierzchni spajania brązu cynowego CuSn12Ni2 i podłoża ze stali stopowej 42CrMo. W konkretnej operacji konieczne jest pobranie próbki z próbki płaskiej, a następnie przygotowanie próbki do analizy struktury metalograficznej i analizy widma energii. Próbkę do badania normalnej siły wiązania przygotowaną w procesie szybkiego napawania laserowego pokazano na rysunku 4, która służy do określenia siły wiązania pomiędzy brązem cynowym CuSn12Ni2 a podłożem ze stali stopowej 42CrMo.

3 Charakterystyka i analiza materiałów napawania laserowego o dużej prędkości

3.1 Struktura metalograficzna

Próbkę poddano analizie metalograficznej. W sprzęcie do analizy wykorzystano mikroskop o ultragłębokim polu widzenia. Rysunek 5 przedstawia morfologię mikrostruktury próbki przed korozją, a rysunek 6 przedstawia strukturę metalograficzną próbki po korozji. Roztwór próbki korozyjnej składa się z mieszaniny trzech substancji: 10gFeCl, 6H, 0mL roztworu kwasu solnego o gęstości 2g/ml oraz 1.16mL roztworu etanolu o ułamku objętościowym 98%. Z rysunku 95 widać, że brąz cynowy CuSn5Ni12 przygotowany w procesie szybkiego napawania laserowego nadal ma pewne pory, a największa średnica porów wynosi 2 μm. Z rysunku 97.14 wynika, że ​​struktura metalograficzna próbki po korozji to głównie dendryty w pobliżu powierzchni spajania, a ziarna równoosiowe tworzą się głównie bliżej powierzchni brązu cynowego CuSn6Ni12. Głównym powodem jest to, że im bliżej powierzchni, tym większy stopień przechłodzenia, tym łatwiej jest uformować ziarna równoosiowe, a im bliżej powierzchni spajania, tym mniejszy stopień przechłodzenia, co bardziej sprzyja tworzeniu się ziarna dendrytu.

3.2 Analiza widma energetycznego

Podczas procesu napawania laserowego pewna ilość pierwiastków z brązu cynowego CuSn12Ni2 wniknie do osnowy stali stopowej 42CrMo i utworzy wiązanie metalurgiczne w pobliżu powierzchni spajania. Celem analizy widma energii na powierzchni spajania jest to, że stopień rozcieńczenia brązu cynowego CuSn12Ni2 nie jest duży, w związku z czym proces ma niewielki wpływ na skład i właściwości mechaniczne brązu cynowego. Chociaż stopień rozcieńczenia nie jest duży, niewielka ilość pierwiastków przedostaje się do osnowy stali stopowej, co wskazuje, że w pobliżu powierzchni spajania zachodzi wiązanie metalurgiczne.

4 Test siły wiązania

Po nałożeniu materiału z brązu cynowego CuSn12Ni2 na osnowę ze stali stopowej 42CrMo w procesie szybkiego napawania laserowego, musi on wykazywać wysoką siłę wiązania z osnową, gdy jest stosowany jako warstwa zmniejszająca tarcie i odporna na zużycie warstwy ślizgowej łożysko. Można to uzyskać poprzez dostosowanie parametrów procesu szybkiego napawania laserowego. Autor przygotował próbki do badania wytrzymałości wiązania zgodnie z normą krajową GB/T12948-1991 „Metoda badania niszczącego wytrzymałości wiązania bimetalicznego łożysk ślizgowych” oraz przeprowadził badanie siły wiązania. Granica plastyczności materiału z brązu cynowego CuSn12Ni2 wynosi 140 MPa ~ 150 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie 260 MPa ~ 300 MPa. Gdy siła wiązania jest mniejsza niż granica plastyczności, na powierzchni łączenia nastąpi pęknięcie. Gdy siła wiązania będzie pomiędzy granicą plastyczności a wytrzymałością na rozciąganie, pęknięcie nadal będzie występowało na powierzchni łączenia, ale korpus z brązu cynowo-cuSn12 już ustąpił. Gdy siła wiązania jest większa niż wytrzymałość na rozciąganie, w korpusie z brązu cynowego CuSn12Ni2 nastąpi pęknięcie. Normalny test wytrzymałości wiązania pokazano na rysunku 8, a wyniki testu pokazano na rysunku 9. Jak widać na rysunku 9, normalna siła wiązania dwóch próbek po teście wynosi odpowiednio 429.5 MPa i 326.6 MPa, co są większe niż wytrzymałość materiału na rozciąganie, co wskazuje, że siła wiązania powierzchni spajania przekracza wytrzymałość na rozciąganie brązu cynowego CuSn12Ni2. Z badania wiadomo, że powierzchnią pęknięcia próbki jest korpus z brązu cynowego CuSn12Ni2, jak pokazano na rysunku 10, co również potwierdza, że ​​siła wiązania powierzchni spajania przekracza wytrzymałość na rozciąganie brązu cynowego CuSn12Ni2. Wyniki badań wytrzymałości wiązania pokazują również, że brąz cynowy CuSn12Ni2 i osnowa ze stali stopowej 42CrMo mają wiązanie metalurgiczne.

Wnioski 5

Autor zbadał skuteczność wiązania brązu cynowego CuSn12Ni2 i osnowy ze stali stopowej przygotowanej w procesie szybkiego napawania laserowego i stwierdził, że brąz cynowy CuSn12Ni2 i osnowa ze stali stopowej 42CrMo tworzą wiązanie metalurgiczne.

W pobliżu powierzchni spajania brąz cynowy CuSn12Ni2 składa się głównie z dendrytów. W pobliżu powierzchni brązu cynowego CuSn12Ni2 występują głównie kryształy równoosiowe. Oznacza to, że przechłodzenie w pobliżu powierzchni łączenia jest małe, a przechłodzenie na powierzchni duże.

Stopień rozcieńczenia brązu cynowego CuSn12Ni2 w procesie szybkiego napawania laserowego nie jest zbyt duży, dlatego proces ten ma niewielki wpływ na skład i właściwości mechaniczne brązu cynowego.

Gdy parametry procesu szybkiego napawania laserowego zostaną dostosowane do odpowiednich parametrów, siła wiązania powierzchni spajanej może przekroczyć wytrzymałość na rozciąganie brązu cynowego CuSn12Ni2.