激光功率對(duì)27SiMn鋼熔覆層組織與性能的影響

石淑婷， 舒林森,2， 何雅娟， 王家勝

(1. 陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723001； 2. 陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723001)

27SiMn鋼具有良好的耐磨性和較高的強(qiáng)度，且切削加工性能好，常用于制造礦山機(jī)械關(guān)鍵零部件，如液壓支架油缸、立柱等。惡劣的生產(chǎn)環(huán)境易造成27SiMn鋼零件表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕與磨損，致使其過(guò)早退役[1-3]。激光熔覆[4-5]能夠制備結(jié)合性良好的高性能異種金屬熔覆層，是零件表面修復(fù)再制造的有效手段，目前已有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)27SiMn鋼熔覆層的性能展開(kāi)了大量研究。王賢才等[6]研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼熔覆層的抗拉強(qiáng)度與27SiMn鋼基材相當(dāng)，且斷裂方式均為塑性斷裂，但熔覆層的伸長(zhǎng)率、韌窩尺寸和深度大于基材。郭衛(wèi)等[7]在27SiMn鋼上熔覆獲得了致密的鐵基涂層，對(duì)其進(jìn)行磨損試驗(yàn)，載荷不變時(shí)增大轉(zhuǎn)速，磨損率先增大后減小；轉(zhuǎn)速不變時(shí)增大載荷，磨損率增大。黎文強(qiáng)[8]在27SiMn鋼上熔覆獲得了鐵基熔覆層，其硬度達(dá)到712 HV0.1，約為基材的2.5倍，耐腐蝕性能較基材提高5倍以上。Shen等[9]使用高速激光在27SiMn鋼上熔覆了431不銹鋼，腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆層的枝晶細(xì)小且大小均勻、成分分布均勻，有利于提高耐蝕性。通過(guò)上述研究可知，激光熔覆可以提升27SiMn鋼的表面硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能，但關(guān)于激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)27SiMn鋼熔覆層組織與性能影響的研究較少。良好的工藝參數(shù)能夠提高熔覆層的表面平整度、界面結(jié)合強(qiáng)度，消除熔覆層氣孔及裂紋等缺陷。研究激光功率[10]、掃描速度[11]、搭接率[12]、離焦量[13]等工藝參數(shù)對(duì)熔覆層組織與性能的影響是獲得高質(zhì)量熔覆層的必要手段。因此，探尋激光功率這一重要工藝參數(shù)對(duì)熔覆層組織與性能的影響頗具意義。

本文利用激光熔覆技術(shù)，選取4種激光功率，在27SiMn鋼表面熔覆Fe-Cr-Ni粉末，對(duì)單道熔覆試件的形貌、顯微組織、硬度進(jìn)行分析，對(duì)多道熔覆試件進(jìn)行摩擦磨損性能檢測(cè)，研究激光功率對(duì)27SiMn鋼熔覆層組織及性能的影響，以期為27SiMn鋼零件的激光熔覆快速修復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選的基材為27SiMn鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為(0.24～0.32)C、(1.10～1.40)Si、(1.10～1.40)Mn、≤0.035P、≤0.035S、≤0.30Cu、≤0.30Cr、≤0.30Ni、≤0.15Mo。將27SiMn鋼試樣加工至表面粗糙度為3.6 μm，并用酒精拭去表面雜質(zhì)。熔覆材料為Fe-Cr-Ni粉末，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為(0.6～0.9)C、(3～4)Si、(16～18)Cr、(12～14)Ni，余量Fe。在27SiMn鋼板材上制備單道Fe-Cr-Ni熔覆層，激光功率分別為1800、2100、2400和2700 W，掃描速度為20 mm/s，送粉速度為20 g/min，離焦量為0 mm，氬氣流量為20 L/min。

1.2 試驗(yàn)方法

使用VHX-7000型超景深顯微鏡觀察熔覆件的截面形貌以及顯微組織，并計(jì)算稀釋率，使用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定熔覆層的硬度，加載載荷4.90 N，保荷時(shí)間10 s，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)間隔300 μm，并重復(fù)測(cè)量3次減少誤差。制備摩擦磨損試件的過(guò)程中，先以50%搭接率進(jìn)行多道熔覆制備試件坯件，再經(jīng)線切割獲得帶有熔覆層摩擦磨損試件塊，使用MMW-2型銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，如圖1所示；摩擦磨損試驗(yàn)使用40Cr鋼球頭柱銷(xiāo)，對(duì)銷(xiāo)-盤(pán)配磨副施加100 N載荷，轉(zhuǎn)速100 rpm，試驗(yàn)時(shí)間900 s，分別記錄4組試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和磨損量，使用超景深顯微鏡觀察并獲取磨損截面輪廓。

圖1 銷(xiāo)-盤(pán)摩擦磨損示意圖Fig.1 Schematic diagram of pin-disk friction and wear

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單道熔覆層形貌

圖2為激光熔覆界面示意圖。截面由激光熔覆區(qū)(LCDZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、基材(Sub)3部分組成[14]；幾何尺寸可用熔寬(w)、熔高(H)、熔深(h)來(lái)說(shuō)明，結(jié)合性能可以通過(guò)稀釋率(λ)進(jìn)行表征。使用面積法計(jì)算稀釋率，公式為：λ=Am/(Am+Ac)，其中Am為基材熔化區(qū)截面面積，Ac為熔覆層截面總面積。稀釋率過(guò)低導(dǎo)致熔覆層與基材的結(jié)合性不好，過(guò)高導(dǎo)致熔覆層性能降低，易產(chǎn)生開(kāi)裂與變形。

圖2 激光熔覆截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser cladding section

圖3為w、H、h、λ隨激光功率的變化折線?？梢钥闯鰓、h和λ隨激光功率增大而增大，而H則是先增大后減小，激光功率為2400 W時(shí)出現(xiàn)最大值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要為：在單位時(shí)間內(nèi)，激光功率增大，熔覆粉末與基材吸收的能量更多，致使w、H、h和λ增大；當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大時(shí)，粉末充分融化且其吸收的能量到達(dá)極限，由于基材吸收的能量進(jìn)一步增加，基材熔化量增大(即h增大)，從而導(dǎo)致H減小，熔覆層高度降低。

圖3 幾何尺寸及稀釋率隨激光功率的變化Fig.3 Change of geometric dimensions and dilution rate versus laser power

圖4為不同激光功率下單道熔覆層的截面形貌。由圖4可知，所有試件與基材結(jié)合處均無(wú)氣孔和裂紋，熔覆層組織均勻致密。左下角為熔覆層的三維宏觀形貌，所有單道熔覆層連續(xù)均勻，無(wú)剝落現(xiàn)象發(fā)生。較大的激光功率可以使粉末完全熔化，不會(huì)大量落在已熔覆表面形成熔渣，故激光功率為2400 W和2700 W的試件表面質(zhì)量較好。

圖4 不同激光功率下單道熔覆層的截面形貌Fig.4 Cross-section morphologies of single-pass clad layers under different laser powers(a) 1800 W; (b) 2100 W; (c) 2400 W; (d) 2700 W

2.2 顯微組織

不同激光功率下的顯微組織如圖5所示。圖5(a～d)為熔覆層中部顯微組織，可知，熔覆層中部的顯微組織以胞狀晶和細(xì)小枝晶為主，其中，圖5(a)枝晶生長(zhǎng)方向較為一致，而圖5(b～d)則為無(wú)規(guī)律的交錯(cuò)生長(zhǎng)，這表明熔覆功率會(huì)影響熔覆層晶體生長(zhǎng)方向。圖5(e～h)為熱影響區(qū)顯微組織，在高能激光束作用下，基材中珠光體受熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體，激光功率越大，針狀馬氏體轉(zhuǎn)變量越大。

圖5 不同激光功率下熔覆層中部(a～d)及熱影響區(qū)(e～h)的顯微組織Fig.5 Microstructure of the clad layer middle part(a-d) and heat affected zone(e-h) under different laser powers(a,e) 1800 W; (b,f) 2100 W; (c,g) 2400 W; (d,h) 2700 W

圖6為不同激光功率下熔覆層中部的二次枝晶間距與胞狀晶晶粒尺寸。隨著激光功率的增加，二次枝晶間距變化不大，胞狀晶晶粒尺寸有較明顯的減小趨勢(shì)，在2400 W時(shí)出現(xiàn)胞狀晶晶粒尺寸最小值(4.52 μm)，表明激光功率的增大，有助于生成更為細(xì)小致密的熔覆層組織，進(jìn)而提升熔覆層性能。

圖6 不同激光功率下熔覆層中部枝晶間距與胞狀晶晶粒尺寸Fig.6 Dendritic spacing and cellular crystal grain size of the clad layer middle part under different laser powers

2.3 硬度

圖7為不同激光功率下截面硬度分布?？梢?jiàn)，熔覆層上部硬度差異較大，激光功率為2400 W時(shí)，硬度達(dá)到最大值669 HV0.5。不同激光功率下的激光熔覆區(qū)(LCDZ)平均硬度為624 HV0.5，是基材(Sub)平均硬度的2.4倍，熔覆材料瞬時(shí)融化凝固產(chǎn)生晶粒細(xì)化現(xiàn)象，提高了熔覆層硬度。隨激光功率的增加，熱影響區(qū)(HAZ)硬度數(shù)值變化較大(隨激光功率的增大而增大)，在激光功率為2700 W時(shí)達(dá)到最大值641 HV0.5。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于：激光功率增大，靠近邊界的基材部分吸收能量增加，使熱影響區(qū)硬度提高；結(jié)合熱影響區(qū)的顯微組織可知，隨著激光功率增大，熱影響區(qū)中的針狀馬氏體數(shù)量增加，進(jìn)一步提升HAZ的硬度。

圖7 不同激光功率下試樣截面硬度的變化曲線Fig.7 Hardness profiles of cross section of the specimen under different laser powers

2.4 摩擦磨損性能

圖8為不同激光功率下試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線及磨損量，圖9為磨損截面輪廓圖?？芍?個(gè)試件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段耗時(shí)分別約為400、400、300及300 s；在穩(wěn)定磨損階段內(nèi)，其平均摩擦因數(shù)分別為0.71、0.74、0.67、0.73。在相同磨損條件下，試件均出現(xiàn)較深的犁溝，表明在磨損過(guò)程中存在嚴(yán)重的磨粒磨損，其中，激光功率為2400 W的試件磨損量最小，為8 mg，磨損深度最小，為11.3 μm，表明該試件具有較好的耐磨性。結(jié)合顯微組織與硬度，激光功率為2400 W時(shí)，試件的顯微組織較細(xì)小，熔覆層上部硬度值最高，因此在磨損過(guò)程中不易被磨粒磨削，耐磨性?xún)?yōu)良[15]。

圖8 不同激光功率下試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線及磨損量Fig.8 Variation curves of friction coefficient with time and wear loss of the specimens under different laser powers(a) 1800 W; (b) 2100 W; (c) 2400 W; (d) 2700 W

圖9 不同激光功率下試樣的磨損截面輪廓Fig.9 Wear profiles of the specimens under different laser powers

3 結(jié)論

1) 隨激光功率增加，激光熔覆試樣的熔寬w、熔深h和稀釋率λ逐漸增大，而熔高H則是先增大后減小。激光功率較低時(shí)，熔覆層中部枝晶生長(zhǎng)方向較為一致；激光功率較高時(shí)，熱影響區(qū)吸收能量轉(zhuǎn)化而成的針狀馬氏體數(shù)量增加。激光功率對(duì)熔覆層平均硬度影響不大，但增大激光功率可提高熱影響區(qū)硬度。

2) 隨激光功率的增加，試件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段耗時(shí)有所減少。在穩(wěn)定磨損階段，熔覆試件的平均摩擦因數(shù)約為0.7；激光功率為2400 W時(shí)，試件的平均摩擦因數(shù)最小、磨損量最小、磨損深度最小，說(shuō)明該試件具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能。

3) 27SiMn鋼表面制備Fe-Cr-Ni基熔覆層的最佳激光功率為2400 W，熔覆層組織均勻致密無(wú)裂紋、硬度較高、耐摩擦磨損性能良好。