Олов'яна бронза є основним матеріалом для зношуваних деталей і широко використовується в промисловості. Було проаналізовано металографічну структуру та енергетичний спектр олов'яної бронзи CuSn12Ni2, а порошок олов'яної бронзи CuSn12Ni2 був нанесений на підкладку з легованої сталі 42CrMo за допомогою... високошвидкісне лазерне напилення процес проведення випробування міцності з'єднання. Результати дослідження показують, що металургійне з'єднання досягається між олов'яною бронзою CuSn12Ni2 та підкладкою з легованої сталі 42CrMo.

1. Дослідження досліджень

Олов'яна бронза широко використовується в промисловості як один з основних матеріалів для деталей тертя та зношування. Цей матеріал особливо підходить для низькошвидкісних та важких навантажень. Основні види, що використовуються в підшипниках ковзання, включають одношарові металеві втулки та опорні підшипники, порошково-спечені біметалеві втулки та опорні підшипники, відцентрово литі біметалеві втулки та опорні підшипники, обертальні одношарові металеві втулки, одношарові металеві втулки порошкової металургії тощо. Лазерне напилення - це ефективна технологія зміцнення поверхні та відновлення після ремонту з перевагами хорошого зчеплення з підкладкою, низького коефіцієнта розведення та малої зони термічного впливу. Лазерне напилення - це складний процес багатопараметричного зв'язку. Такі параметри, як потужність лазера, швидкість лазерного сканування, швидкість подачі порошку та діаметр плями, дуже важливі для якості шару напилення. Адитивне виробництво лазерного напилення вивчалося в багатьох аспектах як в країні, так і за кордоном. Однак, для звичайного лазерного напилення порошок поглинає 20% енергії, коефіцієнт використання енергії низький, коефіцієнт розведення становить 5%~15%, а подальший обсяг обробки після завершення напилення великий, а вартість обробки висока. Для високошвидкісного лазерного плакування порошок може поглинати 80% енергії, коефіцієнт використання енергії високий, коефіцієнт розведення може бути менше 3%, а подальший об'єм обробки після завершення плакування невеликий, а вартість обробки низька. Технологія високошвидкісного або навіть надшвидкісного лазерного плакування оптимізує форму плавлення та коефіцієнт поглинання енергії порошку, збільшує швидкість осадження матеріалу та отримує високоефективний, бездефектний, високоміцний та низькошвидкісний шар плакування, що є більш вигідним, ніж традиційне лазерне плакування. Процес високошвидкісного лазерного плакування використовується для підготовки шару сплаву олов'яно-бронзового сплаву на сталевій підкладці вала, що може вирішити проблему біжучих кіл, спричинених повзучістю, спричиненою тривалим натягом між втулкою вала та сталевою підкладкою. А після руйнування шару сплаву олов'яно-бронзового сплаву його можна обробити, видалити та повторно плакувати для досягнення відновлення. Наразі існує відносно мало досліджень високошвидкісного лазерного плакування порошку олов'яної бронзи на сталевих підкладках вала. Автор застосовує технологію високошвидкісного лазерного плакування для плакування порошком олов'яної бронзи CuSn12Ni2 на підкладці з легованої сталі 42CrMo з метою вивчення мікроскладу та організації матеріалу, а також міцності макрозв'язку двошарового металевого матеріалу. Результати дослідження показують, що олов'яна бронза CuSn12Ni2 та підкладка з легованої сталі 42CrMo досягли металургійного з'єднання.

2 Підготовка зразків

Для повного вивчення міцності зчеплення матеріалу спочатку готують дослідницькі зразки, включаючи плоскі зразки, що використовуються для перевірки дефектів матеріалу та хімічного складу поблизу поверхні зчеплення матеріалу, та круглі зразки, що використовуються для перевірки міцності зчеплення матеріалу.

2.1 Приготування порошку

Чим концентрованіший розмір частинок, тим краща сферична форма та рівномірніший розподіл складу порошку, що використовується для високошвидкісного лазерного плакування, тим краща текучість порошку, і чим менше дефектів після плакування, особливо на поверхні склеювання, тим менше дефектів буде. Порошок олов'яної бронзи CuSn12Ni2, який використовує автор, отримують методом газової атомізації. Принцип полягає у використанні високошвидкісного потоку повітря для розбиття рідкого мідного сплаву на дрібні краплі, а потім швидкого охолодження для утворення сферичних металевих частинок. Розмір частинок переважно зосереджений у межах 50~150 мкм, а сферичність хороша, як показано на рисунку 1. Металографічні зерна всередині порошку олов'яної бронзи дрібні. На рисунку 2 (а) показано більшість рівновісних кристалів, а на рисунку 2 (b) показано невелику частину дендритів. Крім того, аналіз поперечного енергетичного спектру порошку олов'яної бронзи показує, що розподіл елементів міді, олова та нікелю є відносно рівномірним, і сегрегації не відбувається.

2.2 Підготовка зразків

Підготовка зразків використовує високошвидкісний процес лазерного плакування, в якому джерелом світла обладнання для лазерного плакування є волоконний лазер з довжиною хвилі лазера близько 1.06 мкм та максимальною потужністю 6 кВт. Після випромінювання лазера з волоконного з'єднувача він перетворюється на паралельне світло через колімуючу лінзу, а потім фокусується через фокусуючу лінзу для концентрації енергії в одній точці, і метал плавиться у фокусі для досягнення лазерного плакування. Коаксіальний кільцевий газоносій використовується для рівномірної подачі порошку. Газом для подачі порошку є аргон. Водночас аргон використовується як захисний газ для зменшення окислення матеріалів під час лазерного плакування. Для відведення надлишкового тепла, що утворюється лазером у процесі перетворення електричної енергії на світлову, та для відведення частини тепла, що поглинається лінзою, що відбиває лазерний промінь у зовнішньому оптичному шляху, лазер оснащений системою водяного охолодження.

Товщина шару плакування в дослідженні автора становить 1.2 мм, швидкість плакування 60~100 мм/с, діаметр плями 2 мм, кількість подачі порошку 40~50 г/хв, а потужність лазера 4500 кВт~4800 кВт.

Плоский зразок, підготовлений методом високошвидкісного лазерного плакування, показано на рисунку 3, який використовується для характеристики та аналізу матеріалу поблизу поверхні з'єднання олов'яної бронзи CuSn12Ni2 та підкладки з легованої сталі 42CrMo. У конкретній операції необхідно взяти зразки з плоского зразка, а потім підготувати його до металографічного структурного аналізу та аналізу енергетичного спектру. Зразок для випробування на міцність з'єднання, підготовлений методом високошвидкісного лазерного плакування, показано на рисунку 4, який використовується для визначення міцності з'єднання між олов'яною бронзою CuSn12Ni2 та підкладкою з легованої сталі 42CrMo.

3 Характеристика та аналіз високошвидкісних лазерних плакувальних матеріалів

3.1 Металографічна структура

Зразок було піддано металографічному аналізу. Аналізуюче обладнання використовувало надглибинний польний мікроскоп. На рисунку 5 показано морфологію мікроструктури зразка до корозії, а на рисунку 6 показано металографічну структуру зразка після корозії. Розчин, який використовувався для зразка для корозії, складається із суміші трьох речовин: 10 г FeCl3, 6H2, 0,2 мл розчину хлоридної кислоти з щільністю 1.16 г/мл та 98 мл розчину етанолу з об'ємною часткою 95%. З рисунка 5 видно, що олов'яна бронза CuSn12Ni2, отримана методом високошвидкісного лазерного плакування, все ще має певні пори, а найбільший діаметр пор становить 97.14 мкм. З рисунка 6 видно, що металографічна структура зразка після корозії переважно представлена ​​дендритами поблизу поверхні з'єднання, а рівноосьові зерна переважно утворюються ближче до поверхні олов'яної бронзи CuSn12Ni2. Основна причина полягає в тому, що чим ближче до поверхні, тим більший ступінь переохолодження, тим легше утворювати рівновісні зерна, а чим ближче до поверхні зв'язку, тим менший ступінь переохолодження, що більше сприяє утворенню дендритних зерен.

3.2 Аналіз енергетичного спектру

Під час процесу лазерного плакування певна кількість елементів у олов'яній бронзі CuSn12Ni2 проникає в матрицю легованої сталі 42CrMo та утворює металургійний зв'язок поблизу поверхні з'єднання. Метою аналізу енергетичного спектру на поверхні з'єднання є те, що швидкість розведення олов'яної бронзи CuSn12Ni2 не є високою, тому процес мало впливає на склад та механічні властивості олов'яної бронзи. Хоча швидкість розведення не є високою, невелика кількість елементів потрапляє в матрицю легованої сталі, що вказує на те, що металургійний зв'язок відбувається поблизу поверхні з'єднання.

4 Випробування на міцність зчеплення

Після нанесення олов'яної бронзи CuSn12Ni2 на матрицю з легованої сталі 42CrMo за допомогою високошвидкісного лазерного плакування, вона повинна мати високу міцність зчеплення з матрицею, коли використовується як шар, що зменшує тертя та є зносостійким, підшипника ковзання. Цього можна досягти, регулюючи параметри процесу високошвидкісного лазерного плакування. Автор підготував зразки для випробування на міцність зчеплення відповідно до національного стандарту GB/T12948-1991 «Метод руйнівного випробування на міцність біметалевого зчеплення підшипників ковзання» та провів випробування на міцність зчеплення. Межа плинності олов'яної бронзи CuSn12Ni2 становить 140 МПа ~ 150 МПа, а міцність на розтяг - 260 МПа ~ 300 МПа. Коли міцність зчеплення менша за межу текучості, на поверхні з'єднання відбудеться руйнування. Коли міцність зчеплення знаходиться між межею текучості та міцністю на розтяг, руйнування все одно відбудеться на поверхні з'єднання, але тіло з олов'яної бронзи CuSn12 вже деформувалося. Коли міцність зчеплення перевищує міцність на розтяг, у матеріалі CuSn12Ni2 з олов'яної бронзи відбудеться руйнування. Випробування на нормальну міцність зчеплення показано на рисунку 8, а результати випробувань – на рисунку 9. Як видно з рисунка 9, нормальні міцності зчеплення двох зразків після випробування становлять 429.5 МПа та 326.6 МПа відповідно, що перевищує міцність на розтяг матеріалу, що вказує на те, що міцність зчеплення поверхні, що з'єднується, перевищує міцність на розтяг олов'яної бронзи CuSn12Ni2. З випробування відомо, що поверхня зламу зразка є тілом олов'яної бронзи CuSn12Ni2, як показано на рисунку 10, що також підтверджує, що міцність зчеплення поверхні, що з'єднується, перевищує міцність на розтяг олов'яної бронзи CuSn12Ni2. Результати випробувань на міцність зчеплення також показують, що олов'яна бронза CuSn12Ni2 та матриця легованої сталі 42CrMo мають металургійний зв'язок.

Висновок 5

Автор досліджував характеристики з'єднання олов'яної бронзи CuSn12Ni2 та матриці легованої сталі, виготовленої за допомогою високошвидкісного лазерного плакування, і виявив, що олов'яна бронза CuSn12Ni2 та матриця легованої сталі 42CrMo забезпечують металургійне з'єднання.

Поблизу поверхні з'єднання олов'яна бронза CuSn12Ni2 переважно складається з дендритів. Поблизу поверхні олов'яної бронзи CuSn12Ni2 переважно присутні рівновісні кристали. Це вказує на те, що переохолодження поблизу поверхні з'єднання невелике, а на поверхні значне.

Швидкість розведення олов'яної бронзи CuSn12Ni2 під час високошвидкісного лазерного плакування не дуже висока, тому процес мало впливає на склад та механічні властивості олов'яної бронзи.

Коли параметри процесу високошвидкісного лазерного плакування налаштовуються на відповідні параметри, міцність з'єднання поверхні, що з'єднується, може перевищувати міцність на розтяг олов'яної бронзи CuSn12Ni2.