鑄鐵表面激光熔覆鐵基合金涂層的組織性能研究

郭士銳,趙 陽,崔陸軍,鄭 博,李曉磊,崔英浩,陳永騫

(中原工學(xué)院機電學(xué)院,河南 鄭州 450007)

1 引 言

鑄鐵由于良好的切削性、可鑄性和減震性能優(yōu)異等優(yōu)點,被廣泛的用于制造形狀復(fù)雜的零部件,如發(fā)動機軋輥、機床導(dǎo)軌、制動盤和工業(yè)閥門等多個工業(yè)領(lǐng)域。然而,鑄鐵件在服役過程中經(jīng)常由于磨損、腐蝕等多種形式的損壞而失效[1-3]。激光熔覆由于其高能量密度,高能效,低稀釋度和強大的冶金結(jié)合在制造高質(zhì)量鑄鐵件方面得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)可以將老舊的鑄鐵件進行再制造修復(fù),從而達到綠色環(huán)保節(jié)約資源的目的[4-5]。

為提高鑄鐵件的性能,國內(nèi)外專家學(xué)者展開了一系列的研究。上海理工大學(xué)王書文[6]等研究了在灰鑄鐵制動盤基材上熔覆Ni625/WC混合粉末合金涂層,硬度提高了50 %,耐磨性及減震降噪性能顯著提高。南京師范大學(xué)何昱煜[7]采用鎳基合金完成了鑄鐵玻璃模具的修復(fù)強化,綜合性能顯著增強。江蘇理工學(xué)院陳世鑫[8]等采用激光熔覆與淬火復(fù)合工藝完成鑄鐵齒輪的再制造,FeCrNiCu合金涂層硬度、耐磨損及耐沖擊性能顯著提高。目前對于鑄鐵件的修復(fù)主要集中于鎳基合金,但價格昂貴,Fe基合金價格低廉,硬度耐磨性較高,但耐腐蝕性能較弱,限制了在鑄鐵件修復(fù)時的應(yīng)用,已有研究表明,鎳不僅具有擴大鐵基合金熔覆層奧氏體相區(qū)、提高熔覆層的韌塑性作用,而且對鐵基合金的耐腐蝕性能具有顯著影響[9],最重要的是具有可以阻止碳元素在熔覆結(jié)合區(qū)域的擴散,減少結(jié)合區(qū)域脆硬組織(馬氏體、滲碳體等經(jīng)常使熔覆層產(chǎn)生裂紋缺陷)的形成[2]。田玉亮[10]等發(fā)現(xiàn)隨著鎳含量的增加,硬度減小,耐腐蝕性能顯著提高。李永健[11]等采用鎳銅粉末預(yù)制方法成功完成球墨鑄鐵修復(fù),熔覆層組織性能顯著提高,且在熔覆層界面區(qū)域未形成硬脆性組織。

據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn),鎳對于提高鑄鐵件表面熔覆層耐腐蝕性能及降低熔覆層缺陷具有重要影響,且目前使用該方法拓展鐵基合金在激光修復(fù)鑄鐵件應(yīng)用范圍方向上鮮有研究?；诖?本文采用大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光器在鑄鐵基板上制備四種鎳含量不同的鐵基合金熔覆層,并對其組織性能進行了細致分析,優(yōu)選出綜合性能優(yōu)異的鐵基合金粉末成分用于鑄鐵件修復(fù)強化,顯著降低了修復(fù)成本,對工程實踐具有重大指導(dǎo)意義。

2 實 驗

采用大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光器在平板基材灰鑄鐵HT250上進行四道次搭接熔覆,激光束光斑直徑為3 mm,同軸四路送粉,實驗前對基體進行打磨至光整,酒精擦拭,去除表面油污。四種合金粉末具體成分如表1所示,主要區(qū)別在于鎳元素的含量,實驗前將其在120 ℃干燥箱中烘干,持續(xù)兩個小時,保證粉末的流動性較好。經(jīng)之前對工藝參數(shù)優(yōu)化研究,選擇如表2所示,試驗后對涂層進行線切割,鑲嵌制備,磨拋至表面無劃痕,王水腐蝕。利用萊卡光學(xué)顯微鏡、WTM-2E微型摩擦磨損試驗儀、數(shù)顯維氏硬度計及鹽霧腐蝕箱等儀器對熔覆層金相顯微組織、硬度、耐磨損和耐腐蝕性能進行檢測。

表1 鐵基合金粉末成分(wt./%)

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 金相組織分析

圖1為C鐵基合金粉末試樣熔覆層不同區(qū)域的顯微組織形貌,在熔覆層表層區(qū)域以方向不一致的等軸晶為主,含有少量的不規(guī)則枝晶,中部區(qū)域以柱狀樹枝晶為主,結(jié)合區(qū)域以胞狀晶為主,熱影響區(qū)由大量石墨相及少量的珠光體及針狀馬氏體組成。由于鑄鐵表面激光熔覆過程中,合金粉末快速融化形成熔池,由于與基體存在溫度差,自下而上開始迅速凝固,組織融合生長,冶金結(jié)合良好,由圖1(c)所示,晶體組織呈一定角度傾斜生長,這是因為晶粒的生長方向總是會沿著溫度梯度最陡的方向進行,由于熔覆層底部的結(jié)合區(qū)域溫度梯度向上逐漸減小,凝固結(jié)晶速度逐漸增大,且熔體存在快速凝固的溶質(zhì)捕獲效應(yīng),形成成分過冷區(qū)域,固液界面微小凸起引起溶質(zhì)匯集,凸起前端受過冷區(qū)域限制影響,不能自由生長,形成傾斜胞狀晶組織。隨著溶質(zhì)的冷卻結(jié)晶,不斷放熱,冷卻速率降低,溶質(zhì)捕獲效應(yīng)變小,成分過冷增大,因此發(fā)生胞狀晶開始向柱狀晶轉(zhuǎn)變,如圖1(b)所示。隨著成分過冷區(qū)繼續(xù)增大,形核率增大,柱狀樹枝晶開始由外向內(nèi)生長集聚,枝晶間距不斷減小,形成細小等軸晶。由圖2可發(fā)現(xiàn),晶體組織由熔覆層底部到表層不斷細化,枝晶間距在逐漸縮小,向著較好的趨勢生長。

(a)熔覆層表層

(a)A鐵基合金熔覆層中部顯微組織

3.2 顯微硬度分析

在灰鑄鐵件實際修復(fù)中,由于應(yīng)用場合不同,所需求的性能也不同,如機床導(dǎo)軌修復(fù)后要保證較好的耐磨損性能,而對腐蝕性能要求較低,然汽缸套、汽缸蓋和工業(yè)閥門等,除具有較好的耐磨性能外,還需要一定的耐腐蝕性能。以工業(yè)閥門為例,為防止修復(fù)后的閥門出現(xiàn)咬死、泄露等問題,應(yīng)保證合理的硬度差值,根據(jù)實際工程需求,修復(fù)后的涂層硬度不低于520 HV0.3,采用顯微硬度計對4組熔覆層測量結(jié)果如圖3(a)所示,圖3(a)中A、B、C和D分別代表4種鐵基合金熔覆層的硬度曲線,根據(jù)圖3(a)可知,熔覆層硬度表層至熔覆層底部變化趨勢,頂部由于存在大面積等軸晶區(qū),硬度較大,晶粒越細小,熔覆層的力學(xué)性能越優(yōu)[12],熔覆層中部柱狀晶較粗,硬度本應(yīng)顯著降低,但熔覆層性能除細晶強化外,還存在著固溶強化作用,合金粉末中含有大量鐵鉻等元素,涂層中存在大量的硬質(zhì)碳化物,顯著提高熔覆層性能,如圖2所示,枝晶間存在大量的黑色金屬化合物,在熔覆層稀釋區(qū)域(DZ),由于激光的高能量密度,發(fā)生了馬氏體相變,因此硬度顯著增大,熱影響區(qū)(HAZ)相當(dāng)于發(fā)生了淬火作用,相對于灰鑄鐵基材(Sub)硬度有所提高,灰鑄鐵基材的平均硬度約為175.5 HV0.3。

(a)熔覆層不同區(qū)域硬度分布圖

4組熔覆層的平均硬度如圖3(b)所示,4組涂層硬度依次降低,造成這種情況的主要原因有以下兩個方面,一是四種合金粉末中鎳含量區(qū)別最大,鎳元素含量的增加導(dǎo)致熔覆層晶粒尺寸增大,熔覆層細晶強化作用減弱；另一方面是因為鎳具有較好的阻止碳元素在熔覆層界面擴散的能力,使的熔覆層中硬質(zhì)碳化物數(shù)量減少,熔覆層的固溶強化效應(yīng)顯著降低,合金粉末中鎳元素含量越多,這種效應(yīng)越明顯；在細晶強化與固溶強化作用都減弱的情況下,熔覆層硬度減小效果顯著。通過對比可發(fā)現(xiàn),C合金粉末熔覆層平均硬度為567.9 HV0.3,為灰鑄鐵基材硬度的三倍以上,滿足實際工程需求。

3.3 耐磨損性能分析

采用微型摩擦磨損試驗儀進行摩擦磨損實驗得到4組不同鐵基合金熔覆層及基材的摩擦系數(shù)和磨損失重量。經(jīng)過一小時的回轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗后,得到摩擦系數(shù)變化趨勢如圖4(a)所示,灰鑄鐵基材的摩擦系數(shù)為0.35,4組鐵基合金熔覆層摩擦系數(shù)為0.25、0.27、0.31和0.32,熔覆層摩擦系數(shù)的變化趨勢與硬度相同。由圖4(b)可知,A鐵基合金熔覆層磨損量為0.2 mg,是灰鑄鐵磨損量的10 %,B、C、D鐵基合金熔覆涂層磨損量依次為0.3 mg、0.5 mg、0.8 mg,隨著合金粉末中鎳元素的增加,熔覆層的磨損失重量也隨之增大,一方面是由于磨損量與硬度之間存在緊密的聯(lián)系,熔覆層硬度越大,耐磨損性能越優(yōu),在上述分析中,隨著鎳含量添加量增多,熔覆層中細晶強化與固溶強化作用也隨之而減弱,硬度隨著鎳含量的增加而降低,因此磨損量也伴隨有相同的趨勢。另一方面是因為隨著鎳含量的增大,晶粒尺寸增大,枝晶數(shù)目減少,隨著磨損的進行,熔覆層的抗磨削能力降低,耐磨性也隨之而降低。對比圖4(a)、(b)可知,摩擦系數(shù)的變化趨勢與磨損失重量保持一致。C合金粉末熔覆層磨損性是灰鑄鐵基材的4倍,耐磨性能可滿足實際工程需求。

(a)摩擦系數(shù)

3.4 耐腐蝕性能分析

采用鹽霧腐蝕試驗箱對4組熔覆層及灰鑄鐵基體樣塊進行中性鹽霧腐蝕試驗,飽和桶溫度47 ℃,實驗室溫度35 ℃,腐蝕時間為48 h,腐蝕后的結(jié)果如圖5所示,灰鑄鐵基材經(jīng)24 h后已全面腐蝕,A、B、C、D鐵基合金熔覆層粉末48 h后腐蝕面積依次減小。由于4組鐵基合金粉末中含有大量的Cr元素,在腐蝕時會在熔覆層表面生成鈍化膜,因此熔覆層耐腐蝕性較灰鑄鐵顯著提高,但腐蝕溶液NaCl中Cl元素易穿透熔覆層表面的鈍化膜后取代Cr的氧化物中的氧元素,使鈍化的熔覆層表面變成活潑表面,從而喪失保護能力,熔覆層出現(xiàn)腐蝕。Ni元素具有良好的抗腐蝕性[9,13],在鹽霧腐蝕過程中,在熔覆層表面生成一層氧化膜,阻止熔覆層的進一步腐蝕,此外與Cr元素結(jié)合生成更耐腐蝕的氧化物,使的熔覆層的耐蝕性進一步增強,隨著熔覆層腐蝕時間的增加,氧化膜將隨之增加以減少熔覆層表面鈍化膜的消耗。因此鎳含量越多,熔覆層的耐腐蝕性能越優(yōu)。

(a)基材24 h鹽霧腐蝕

4 結(jié) 論

1) 利用大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光器在灰鑄鐵基材表面上熔覆四種鐵基合金粉末,熔覆層冶金良好。熔覆層底部組織主要以胞狀晶,中部主要以柱狀晶,頂部主要以細小等軸晶為主,隨著鎳含量的增加,晶粒尺寸增大,晶粒數(shù)目減小。

2) 4種鐵基合金粉末熔覆層隨著鎳元素含量的增加,細晶強化與固溶強化效果均減弱,硬度與耐磨性能降低,但耐腐蝕性能隨著增大。

3) A粉末適用于需求耐磨性較高而輕腐蝕的場合(機床導(dǎo)軌等)；C鐵基合金粉末熔覆層綜合性能滿足多工程場合需求,熔覆層平均顯微硬度是灰鑄鐵基材的3倍以上,耐磨性提高了3倍,耐腐蝕性能相對于基材顯著提高。優(yōu)選出綜合性能優(yōu)異的鐵基合金粉末成分用于鑄鐵件修復(fù)強化,顯著降低了修復(fù)成本,對工程實踐具有重大指導(dǎo)意義。