交變磁場對高硬熔覆層組織與性能的影響

付宇明 齊 童 宗 磊 鄭麗娟

燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

交變磁場對高硬熔覆層組織與性能的影響

付宇明 齊 童 宗 磊 鄭麗娟

燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

為改善高硬激光熔覆層的力學性能，在激光熔覆過程中輔助施加類正弦交變磁場，在Q235A表面制備了高硬合金熔覆層。對熔覆試樣進行拉伸和沖擊性能測試、斷口分析、顯微組織觀察、物相分析、顯微硬度測試以及耐磨性對比分析，研究了交變磁場對熔覆層力學性能和微觀組織的影響。研究結果表明：在激光熔覆過程中加載強度為50 mT、頻率為20 Hz的交變磁場時，可使試樣的拉伸強度提高約9%，延伸率提高約1%，沖擊韌性提高約11%，且拉伸斷口出現(xiàn)明顯韌窩，材料組織更細化、致密；熔覆層顯微硬度隨著磁感應強度的增大而增大，但隨磁場頻率的變化極?。划斀蛔冾l率為25 Hz、磁場振幅為60 mT時，熔覆試樣磨損失重減小15%。

激光熔覆；交變磁場；熔覆層；力學性能；微觀組織

Abstract:In order to improve the mechanics properties of high hardness lasers cladding layers, in the laser cladding processes, a class of sinusoidal alternating magnetic field was applied. The high hardness alloy cladding layers were prepared on the Q235A surface. The tensile tests, the impact tests, the fracture analyses, the microstructure observations, the phase analyses, the micro hardness tests and the comparative analyses of wear resistance of the test specimens were carried out. The effects of alternating magnetic field on the mechanics properties and microstructures of the cladding layers were studied. Research results show that in the laser cladding processes, the loading intensity is as 50 mT and the frequency is as 20 Hz, the tensile strength of the sample may be increased by about 9%, extension rate is increased by about 1%, impact toughness increased by about 11%, and the tensile fracture surfaces are obviously tough, material organizations are more detailed and dense; The microhardness of the cladding layers increase with the increase of the magnetic induction strength,but the changes of magnetic field frequency are very small. When the alternating frequency is as 25 Hz, the magnetic field amplitude is as 60 mT, the loss weight of the mill is reduced by 15%.

Keywords:laser cladding; alternating magnetic field; cladding layer; mechanics property; microstructure

0 引言

激光熔覆技術與其他再制造技術相比具有熔覆層組織細小、與基材結合力強、基材變形量小等優(yōu)點[1]。在普通基材表面熔覆特殊性能的熔覆層后，隨著熔覆層厚度的增加，熔覆層的力學性能會直接影響到整體結構的強度和韌性,尤其是高硬合金熔覆層，隨著表面硬度的提高，結構的韌性會降低[2]。類似風機葉片、破碎機襯板等受高頻沖擊或連鑄輥等受冷熱疲勞的結構件，在修復再制造時對熔覆層的韌性有很高的要求，如何在提高熔覆層硬度的同時提高材料的韌性，是將激光熔覆技術應用于這些領域急需解決的關鍵問題。

研究表明，在鑄造和焊接過程中加載交變磁場，可以通過交變磁場與熔融態(tài)金屬內(nèi)部感應電流之間的電磁力，促進熔融態(tài)金屬的運動，從而控制材料的凝固過程，改善鑄坯質量和焊接結構的力學性能[3-5]。在激光熔覆過程中外加輔助交變磁場技術亦可以改善激光熔覆層的組織和性能[6-8]。蔡川雄等[9]采用激光熔覆輔助電磁控制工藝在45鋼表面合成了Fe-Cr-Si-B-C復合涂層，研究了外加交變磁場對涂層微觀組織和物相結構的影響，外加磁場所制備的涂層耐磨性能得到明顯提高，其磨損失重僅為未加磁場的43%，且摩擦因數(shù)波動較小。劉洪喜等[10]將旋轉磁場應用于激光熔覆過程中，在A3鋼基材表面制備鐵基Fe60合金涂層，在旋轉磁場作用下，熔覆層內(nèi)晶粒得到細化，涂層的平均顯微硬度提高10%，磨損失重減小44%。

熔覆材料、熔覆工藝和施加電磁場的不同會導致熔覆層組織和性能的不同，本文利用自制可調(diào)頻、調(diào)幅的簡易機械式類正弦交變電磁場發(fā)生裝置，在激光熔覆高硬覆層時輔助加載交變磁場，研究類正弦交變電磁場對半導體激光器制備的高硬激光熔覆層微觀組織、顯微硬度和力學性能的影響規(guī)律。

1 實驗方法

激光熔覆設備采用4 kW半導體激光器，激光波長為976 nm，聚焦后的光斑為2.5 mm×11.5 mm的矩形光斑。激光熔覆實驗時，試樣放置在兩永磁體之間，如圖1所示，永磁體由步進電機驅動，最大轉速為1200 r/min，兩個永磁體之間由直徑相同的同步帶輪傳動，并有張緊機構，永磁體旋轉中心的間距為150～300 mm可調(diào)，相應的磁場振幅為20～60 mT，頻率的可調(diào)節(jié)范圍為0～25 Hz，當間距為200 mm時中心處磁感應強度隨旋轉角度的變化曲線如圖2所示。試樣基材為Q235A，熔覆合金粉末目數(shù)為120～320，主要合金成分(質量分數(shù))為C(0.15%)、B(2.4%)、Cr(30%)、Fe(余量)。

圖1 實驗裝置Fig.1 The experimental device

圖2 中心處磁感應強度隨旋轉角度的變化曲線Fig.2 The variation of the centric magnetic field intensity with the rotation angle

圖3 拉伸試樣尺寸Fig.3 Tensile specimen size

在激光熔覆中，對施加和未施加交變磁場進行對比實驗。采用相同的激光工藝參數(shù)，其中功率為3 kW，掃描速度為350 mm/min，搭接率為40%。在力學性能測試實驗和微觀組織分析時，采用相同的交變磁場參數(shù)，交變磁感應強度為50 mT，頻率為20 Hz。制備圖3所示的拉伸試樣，使用WDW3100型電子萬能試驗機進行拉伸性能實驗，并利用SEM觀察斷口形貌。根據(jù)GB/T 229制備標準沖擊試樣，利用300 J擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊韌性實驗。將熔覆試件進行線切割、打磨、拋光后用王水進行腐蝕，清洗晾干后在金相顯微鏡下觀察熔覆層顯微形貌。

改變交變磁場強度，制備熔覆試樣，采用D/max-2500型衍射儀對試樣的物相進行對比分析，設定衍射儀參數(shù)2θ范圍為20°～100°，掃描速度為3°/min。采用FM-ARS 9000型全自動顯微硬度測量系統(tǒng)測定熔覆層的顯微硬度，實驗載荷5 N(500克力)，加載時間10 s。采用MMW-1型多功能摩擦磨損試驗機進行試樣的耐磨性測試，室溫下設定載荷1.2 kN，主軸轉速400 r/min，對磨材料為Cr12MoV，表面淬火后硬度在HRC59～HRC60之間，使用測量精度為0.1 mg的精密天平，每20 min稱一次磨損量，磨損實驗時間共計2 h。

2 實驗結果與討論

2.1 交變磁場對力學性能的影響

圖4為熔覆過程中加載和未加載磁場試樣的負荷-位移曲線。由拉伸實驗結果對比可知，沒有外加磁場作用下的試樣可承受的最大拉伸力約為14 048 N，抗拉強度約為351 MPa，斷裂最大拉伸位移約為10.1 mm；交變磁場作用下的試樣可承受的最大拉伸力約為15 510 N，抗拉強度約為387 MPa，斷裂最大拉伸位移約為10.5 mm?？估瓘姸忍岣吡思s10%，延伸率提高了約1%。

圖4 負荷-位移曲線對比Fig.4 Comparison of load curves and displacement curves

表1所示為沖擊韌性實驗數(shù)據(jù)，由表1可知，施加交變磁場后制得的激光熔覆試樣的沖擊韌度提高了約11%，說明交變磁場可提高熔覆層在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。

表1 沖擊實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Impact experiments

圖5為熔覆層的拉伸斷口SEM圖。由圖5可以看出：在未加交變磁場的斷口上具有明顯的類解理斷裂小平面，幾乎無明顯韌窩，而加載磁場試樣斷口為類解理-韌窩混合斷裂，斷口上出現(xiàn)了明顯韌窩，解理平面細小，說明加載交變磁場使熔覆層晶粒細化，韌性提高。

(a)無交變磁場

(b)有交變磁場圖5 試樣斷口SEMFig.5 Fracture of sample SEM

2.2 交變磁場對微觀組織的影響

圖6所示為未加交變磁場和加載交變磁場試樣熔覆層下部的顯微組織形貌。由圖6可以看出：未加交變磁場試樣組織較為粗大，且柱狀晶具有明顯取向性，沿垂直于基材的方向生長；施加交變磁場組織較為細小，粗大枝晶破斷，且晶粒生長方向受到磁場力的影響發(fā)生明顯變化，各向同性增強。圖7所示為熔覆層上部顯微組織形貌。由圖7可以看出：加載磁場后細小等軸晶的區(qū)域明顯增大，這主要是因為在磁場力作用下，粗大的柱狀晶被折斷，形成新的晶核，晶核在各個方向上的長大速率較均勻，熔融態(tài)的金屬獲得很好的流動性，形成更多致密的晶體結構，使等軸晶區(qū)域擴大，等軸晶所占比例提高；同時由于趨膚效應，加載交變磁場后熔覆層表層的組織發(fā)生較明顯的細化，比未加載磁場更致密均勻。結合圖8三種不同磁場振幅下熔覆層的XRD圖譜可知，交變磁場對物相基本無影響，高硬合金的相組成主要為白色的γ-(Fe,Cr)固溶體樹枝晶及其共晶相，黑色和灰黑色部分為碳化物Fe3C和硼化物Fe3B、Cr7(B,C)3，還有少量CrFeB。

(a)無磁場作用 (b)有磁場作用圖6 熔覆層下部顯微組織Fig.6 Microstructure of the lower cladding layer

(a)無磁場作用 (b)有磁場作用圖7 熔覆層上部顯微組織Fig.7 Microstructure of the upper cladding layer

圖8 不同磁場振幅下熔覆層物相分析Fig.8 Phase analysis of the cladding layer with different amplitude of magnetic field

2.3 交變磁場對顯微硬度的影響

圖9所示是頻率為20 Hz，磁感應強度分別為0、30 mT、50 mT條件下所制試樣的顯微硬度分布情況 (d為合金熔覆層表面至基材的距離)。由圖9可以看出：加載交變磁場時熔覆層硬度值明顯高于未加交變磁場時，顯微硬度隨著加載磁場的磁感應強度的增大而增大，在磁場振幅為50 mT時，顯微硬度值平均提高幅度達到15%左右。

圖9 磁場作用下顯微硬度曲線Fig.9 The curve of microhardness in the magnetic field

圖10所示是磁感應強度50 mT時不同磁場頻率下熔覆層的平均顯微硬度變化情況。由圖10可以看出，熔覆層的平均顯微硬度隨著磁場頻率的增大而增大，但變化的幅度極小，最大增幅不足1%。

圖10 顯微硬度平均值與頻率的關系Fig.10 Relationship between average of micro hardness and frequency

2.4 耐磨性

磨損實驗試樣的磁場參數(shù)為：固定頻率為25 Hz，磁感應強度分別為0、20 mT、40 mT和60 mT。表2所示為各試樣在對磨1 h和2 h后所測試件重量，數(shù)據(jù)表明，外加磁場作用下激光熔覆層的磨損失重比未加磁場的試樣均有所減小，說明熔覆層的耐磨性都有提高，其中磁感應強度為60 mT時，2 h后磨損失重比未加磁場試樣減小了15%。

表2 各試樣在1 h和2 h的磨損失重量Tab.2 The amount of wear of each sample within 1 hour and 2 hours

3 結論

(1) 通過相同條件下，加載和未加載交變磁場對比實驗可知：在激光熔覆過程中加載磁感應強度為50mT、頻率為20Hz的交變磁場后，熔覆試樣的拉伸強度提高約9%，延伸率提高約1%，沖擊韌性提高約11%，高硬合金熔覆層由類解理斷裂轉化為類解理-韌窩混合斷裂。

(2)在激光熔覆過程中加載交變磁場會加劇熔池對流，使粗大枝晶臂折斷，材料各向同性增強，等軸晶數(shù)量增多，由于趨膚效應，表層組織更致密均勻。熔覆層的顯微硬度隨著磁感應強度的增大而增大，但受磁場頻率的影響很小。施加交變磁場后，各試樣耐磨性均有明顯提高，當交變頻率為25 Hz、磁感應強度為60 mT時，磨損失重減小了15%。

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(編輯袁興玲)

EffectsofAlternatingMagneticFieldonMicrostructuresandMechanicsPropertiesofHighHardnessCladdingLayers

FU Yuming QI Tong ZONG Lei ZHENG Lijuan

School of Mechanical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei,066004

TG174.44

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.017

2016-12-05

國家自然科學基金資助項目(51105325)；河北省自然科學基金資助項目(E2015203217,E2014203223)

付宇明，男，1971年生。燕山大學機械工程學院教授。主要研究方向為激光熔覆強化與再制造技術。E-mail：mec9@ysu.edu.cn。齊童，男，1992年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。宗磊，男， 1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。鄭麗娟，女，1971年生。燕山大學機械工程學院教授。