牽引銷鑄鋼缺陷的激光熔覆研究

劉芳,郭子銘,尚純,陸興

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

牽引銷作為電力機車牽引裝置中重要組成部分,在機車運行過程中承受牽引桿體的摩擦和沖擊作用。某公司生產(chǎn)的和諧電3C型電力機車(HXD3C)的牽引銷材質(zhì)是ZG230-450(25號鋼),鑄造過程中,在其近表面處常產(chǎn)生零星的砂眼、氣孔等缺陷[1],易使?fàn)恳N在未達(dá)到服役壽命的情況下失效,因此需要對其近表面處缺陷進行局部修復(fù)。

激光熔覆層因其優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性、抗疲勞等優(yōu)點[2-4],使得激光熔覆技術(shù)得到了快速發(fā)展[5]。與傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)(如弧焊和熱噴涂)相比[6-8],激光熔覆可以產(chǎn)生更好的涂層,如致密的微觀結(jié)構(gòu)[9]、高耐磨性[10-11]、低稀釋率和與基材冶金結(jié)合的特性,該技術(shù)成為零部件表面修復(fù)和改性的重要方法。

本文以25號鋼為基體,采用激光熔覆技術(shù)制備了奧氏體不銹鋼涂層,并對涂層組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度和磨損性能進行了分析和測試。

1 實驗方法

實驗基材為25號鋼,預(yù)先用砂紙磨制表面進行除銹。以奧氏體不銹鋼粉末為激光熔覆材料,其粒徑范圍為50～100 μm,奧氏體不銹鋼粉末的微觀形貌見圖1。其化學(xué)成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:C為0.02%、Si為0.82%、Mn為1.68%、Mo為0.08%、Cr為19.34%、Ni為9.97%、Fe為68.09%。

圖1 奧氏體不銹鋼粉末的微觀形貌

激光熔覆實驗前將奧氏體不銹鋼粉末經(jīng)干燥箱120 ℃充分干燥1 h。為了最大限度模擬牽引銷近表面處砂眼的缺陷特征,激光熔覆前對25號鋼表面進行機械挖孔處理,孔徑為4 mm,孔深為0.5 mm。

本文使用YLS-6000光纖激光器,采用同軸送粉法進行激光熔覆。優(yōu)化后工藝參數(shù):負(fù)離焦量為30 mm,光斑直徑為3 mm,單道激光熔覆實驗時激光功率為2 600 W,掃描速率為6 mm/s,送粉率為18.9 g/min;多道單層激光熔覆實驗時激光功率為2 500 W,掃描速率為6 mm/s,搭接率為40%,送粉率為18.9 g/min。

利用Leica DMi8 A型光學(xué)顯微鏡、荷蘭帕納科Empyrean X-射線衍射儀、Zeiss Supra 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡和JEM 2100F透射電子顯微鏡對涂層的組織和結(jié)構(gòu)進行分析和表征。

采用型號為HV-1000B的顯微硬度計測試基體與熔覆層的硬度,加載時間為15 s,實驗載荷為100 g。沿縱向熔覆層厚度方向從涂層表面開始測試至25號鋼基體處,縱向同一厚度處橫向測試3點硬度,并取其平均值。

磨損實驗采用 UMT TriboLab 摩擦磨損測試儀,磨球為直徑 5 mm 的GCr15材料,磨球硬度為62 HRC,磨損載荷為 100 N,磨球往復(fù)距離為6 mm,往復(fù)速率為4 mm/s。用電子天平分別稱出基體和涂層磨損前后的質(zhì)量。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

圖2為熔覆層(CL)組織的掃描電鏡圖像。在激光熔覆過程中,激光束是一個能量分布不均勻的高斯熱源。在加熱和冷卻過程中,不同的加熱和冷卻速率會導(dǎo)致每個區(qū)域的組織形態(tài)不同。根據(jù)凝固理論,固液界面穩(wěn)定性(G/R)因子決定了熔覆層組織的生長形態(tài),其中G為溫度梯度,R為凝固速率。從熔覆層上部與底部的顯微組織可以看出,熔覆層上部主要由等軸晶和樹枝晶組成,熔覆層底部主要由單一粗大的柱狀晶組成,其生長方向基本垂直于熔合線,這是因為在熔覆的過程中垂直于熔合線的方向散熱更快,熔合線區(qū)域的組織由平面晶組成。

(a) 上部

圖3為單道熔覆試樣熱影響區(qū)顯微組織,由于各個位置在熔覆過程中經(jīng)歷的最高溫度不同,其組織結(jié)構(gòu)也有所差異,可分為淬火區(qū)和正火區(qū)。淬火區(qū)由片狀馬氏體組成,熔覆過程中,靠近熔池的基材快速升溫至Ac1以上奧氏體化,隨后又快速冷卻形成片狀馬氏體。正火區(qū)組織與基材組織基本相同,只是相對于基體組織,正火區(qū)組織為更細(xì)小的索氏體。

圖3 試樣熱影響區(qū)顯微組織

2.2 X射線衍射分析

熔覆層的XRD衍射圖譜見圖4,由圖4可見,奧氏體不銹鋼熔覆層由單一的奧氏體(γ)相組成,無其他衍射峰出現(xiàn)。

圖4 熔覆層的 XRD 衍射譜

2.3 熔覆層TEM分析

圖5為奧氏體不銹鋼熔覆層顯微組織及選區(qū)衍射斑點。其中圖5(a)為熔覆層顯微組織的掃描電鏡照片;圖5(b)、圖5(c)分別為b和c區(qū)域的透射電鏡明場像;圖5(d)、圖5(e)給出了d(枝晶內(nèi))和e區(qū)域(枝晶間)選區(qū)電子衍射斑點。圖5(a)中樹枝晶內(nèi)組織在透射電鏡下呈現(xiàn)為白色基體,其對應(yīng)的圖5(d)衍射斑點為FCC結(jié)構(gòu)的晶帶軸為[113]的γ相,這與圖4中XRD衍射結(jié)果相吻合。對圖5(e)組合斑點進行標(biāo)定,確定其條狀組織為正交晶系的Cr3C2(晶帶軸為[631]),周圍白色基體為面心立方晶系的γ相(晶帶軸為[122])。這說明激光熔覆奧氏體不銹鋼粉末時,先從液相中析出了γ相,然后發(fā)生了共晶反應(yīng),形成了γ相和碳化鉻片層相間的共晶組織。由于上述X射線分析的是熔覆層表層,極有可能是表層位置碳化物的含量低于5%,所以未顯示出有Cr3C2的存在。

(a) SEM形貌

2.4 顯微硬度分布

圖6為熔覆層至25號鋼基體的顯微硬度曲線,從圖6可以看出,自熔覆層—熱影響區(qū)—基體其硬度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。從圖中也可以看出,最上層由于其溫度處于粉末熔點的臨界值,導(dǎo)致粉末附著在熔池表面未完全熔透,顯微硬度略有波動;隨著距離的增大,熔覆層質(zhì)量趨于穩(wěn)定,最大顯微硬度值為314 HV0.1,顯微硬度穩(wěn)定在310 HV0.1左右。

圖6 熔覆層的顯微硬度曲線

激光熔覆過程中,熱影響區(qū)各位置所經(jīng)歷的最高溫度不同,奧氏體化的程度也有所不同,接近熔合線的熱影響區(qū)淬火區(qū)在熔覆過程中溫度高于液相線,在快速冷卻后得到了強度較高的馬氏體組織,使其顯微硬度維持在280 HV0.1左右。隨著表面距離的增大,馬氏體組織的占比逐步降低。到達(dá)熱影響區(qū)正火區(qū),其組織主要為細(xì)小的鐵素體與索氏體,隨著深度的增大,熔覆后冷卻速率逐漸變慢,其顯微硬度也逐步穩(wěn)定的下降至25號鋼基體的硬度,即170 HV0.1。

2.5 摩擦磨損實驗分析

圖7為基體與奧氏體不銹鋼激光熔覆層在干摩擦條件下的質(zhì)量磨損隨時間的變化曲線。在同等磨損時間下,熔覆層的磨損失重始終比基體少,且隨著磨損時間的增大,二者的差距也越來越大,在磨損30 min后基體的磨損失重約為熔覆層的1.5倍;在磨損1 h后基體的磨損失重約為熔覆層的2倍。這說明激光熔覆奧氏體不銹鋼涂層后,耐磨性能顯著提高。

圖7 25號鋼基體與奧氏體不銹鋼熔覆層失重曲線

按照磨損機理可以將磨損分為疲勞磨損、沖蝕磨損、黏著磨損、磨料磨損等。一般來說,磨損行為往往是某一種機理起主要作用,多種機理同時進行的。圖8分別為基體與奧氏體不銹鋼熔覆層磨損1 h后的磨損形貌。從圖8可以看出,基體材料磨損后的犁溝較深且有一定程度的塑性變形,邊緣部位黏著現(xiàn)象比較明顯,是典型的黏著磨損和磨料磨損特征,這是因為基體硬度較低,在磨損過程中出現(xiàn)剝落坑。奧氏體不銹鋼熔覆層的磨痕較淺,有少量脫落痕跡,主要為磨料磨損,這是由于激光熔覆快速冷卻使奧氏體不銹鋼熔覆層組織變細(xì),在磨損過程中起到了支撐和連接耐磨增強相的作用,熔覆層中韌性較好的γ相和硬質(zhì)相Cr3C2聯(lián)合作用,提高了其耐磨性能。

(a) 基體

3 結(jié)論

(1) 奧氏體不銹鋼熔覆層由等軸晶、樹枝晶和平面晶組成,熱影響區(qū)由馬氏體和索氏體組成。熔覆層樹枝晶內(nèi)為γ相,樹枝晶間由γ相和碳化物Cr3C2構(gòu)成。

(2) 顯微硬度自熔覆層—熱影響區(qū)—基體,逐漸遞減為310 HV0.1—280 HV0.1—170 HV0.1。

(3) 25號鋼基體為黏著磨損和磨料磨損,熔覆層為磨料磨損。磨損1 h后基體的磨損失重約為熔覆層的2倍,即奧氏體不銹鋼熔覆層的耐磨性能是25號鋼基體的2倍。