吳文靜,于賀春,張素香

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 鄭州 450007)

0 引言

激光熔覆技術(shù)具有污染小、生產(chǎn)效率高、變形量小及稀釋率低等特點(diǎn)[1],是改變基體表面性能的表面處理技術(shù)之一,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[2-3]。通過(guò)激光輸出的方式,將配比好的基體表面合金粉末受熱熔化,凝固后“附著”在基體表面,使得基體表面性能得到較大改善[4]。激光熔覆技術(shù)在基材表面使用后,可使基材具備良好的耐磨、耐熱、耐腐蝕及高強(qiáng)度等特點(diǎn)[5]。該激光熔覆實(shí)驗(yàn)探究,以液壓支架立柱表面基材27SiMn鋼為實(shí)驗(yàn)樣塊材料,將鐵基合金進(jìn)行熔覆至基材表面,以提高基材表面的硬度及耐磨性能[6],從而通過(guò)表面改性滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要[7]。

液壓支架立柱在煤礦中的應(yīng)用環(huán)境較差,是煤礦機(jī)械工作中的關(guān)鍵設(shè)備部件[8]。由于液壓支架立柱在工作時(shí)易受到周期性磨損和沖擊,需要具有強(qiáng)度高,不可彎曲以及高耐磨性等特性[9],立柱表面也需要達(dá)到一定硬度。因此提高設(shè)備的可靠性是煤礦智能化綜采推廣工作亟需解決的核心問(wèn)題[10],業(yè)界對(duì)此開(kāi)展了大量研究[11-13]。本文利用激光熔覆技術(shù)對(duì)礦用液壓支架立柱基材27SiMn鋼表面進(jìn)行改性處理,并對(duì)熔覆層的硬度和耐磨性以及搭接工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究分析,力求有效延長(zhǎng)立柱使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基材為27SiMn鋼材試件,其成分為表1所示,實(shí)驗(yàn)尺寸為100 mm×50 mm×20 mm,表面進(jìn)行拋光處理后,經(jīng)無(wú)水乙醇清理表面,熔覆材料為Fe基合金粉末,其成分如表2所示,粉末顆粒大小為200目。Fe基合金粉末激光熔覆后,熔覆層成分與鑄鐵、碳鋼等基體合金接近,相容性較好、界面結(jié)合牢固[14],同時(shí)耐磨性高,成本低廉,其在激光熔覆領(lǐng)域中使用較為廣泛[15],且具有重要科學(xué)研究意義。

表1 27SiMn鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 鐵基合金粉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用激光熔覆設(shè)備為波長(zhǎng)900 nm的工業(yè)半導(dǎo)體直接輸出激光器。送粉設(shè)備使用側(cè)向送粉方式,通過(guò)控制送粉器內(nèi)部氣體壓力與轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制每分鐘送粉量,實(shí)驗(yàn)時(shí),將鐵基合金粉輸送至基材表面,配合激光器進(jìn)行激光熔覆。移動(dòng)控制設(shè)備為IRB4600工業(yè)機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)將所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成到ABB機(jī)器人控制面板,通過(guò)機(jī)器人控制各設(shè)備工作時(shí)間并協(xié)同工作,激光熔覆集成系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 激光熔覆集成系統(tǒng)框圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將熔覆的鐵基合金粉在110 ℃的條件下烘干2 h后放入送粉機(jī),通過(guò)工業(yè)機(jī)器人控制送粉機(jī)與激光器同步工作,在基體上進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體直接輸出激光器,最高功率為4 000 W,光斑尺寸為2 mm×14 mm。本次單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)使用輸出功率為3 000、3 200、3 400、3 600 W,焦距300 mm,掃描速度為6 mm/s,激光及光斑工作運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槿鐖D2所示。送粉裝置為側(cè)向送粉,保護(hù)氣體為氬氣,送粉速度分別為23 g/min和30 g/min。按照上述實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)進(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn),將表面質(zhì)量及測(cè)試結(jié)果較好的工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆搭接實(shí)驗(yàn)。

圖2 激光熔覆光斑的掃描方向示意圖

激光熔覆實(shí)驗(yàn)后,將試樣經(jīng)打磨拋光,測(cè)量其熔覆層厚度。使用HVS-5Z自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)量,測(cè)量在載荷300 g,加載時(shí)間10 s條件下,沿結(jié)合面向熔覆層和基體兩側(cè)測(cè)量[16]。摩擦磨損測(cè)量使用WTM-2E可控氣氛微型摩擦磨損測(cè)量?jī)x,摩擦副為GCr15鋼球,直徑2 mm,測(cè)量條件為室溫,載荷200 g,轉(zhuǎn)速為300 r/min,旋轉(zhuǎn)半徑為1 mm,運(yùn)行時(shí)間120 min。

在不同激光功率下進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn),并對(duì)比熔覆層的宏觀和微觀表面質(zhì)量,對(duì)鐵基合金粉末的厚度、硬度及耐磨性展開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究并進(jìn)行分析總結(jié),找到合適的激光熔覆鐵基合金粉末參數(shù),進(jìn)行激光搭接實(shí)驗(yàn)。

2 單道熔覆實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

2.1 熔覆層厚度測(cè)試

激光熔覆實(shí)驗(yàn)使用功率為3 000、3 200、3 400、3 600 W,不同激光功率單道實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行熔覆層厚度測(cè)量及硬度測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣塊表面進(jìn)行滲透探傷,可知在各熔覆參數(shù)下實(shí)驗(yàn)后,表面均無(wú)裂紋產(chǎn)生。厚度測(cè)量在熔覆層的中間位置選取3個(gè)不同的位置,并取測(cè)量厚度算數(shù)平均值。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 激光熔覆層宏觀檢測(cè)及厚度測(cè)量

在3 000、3 200、3 400 、3 600 W的功率下進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn),熔覆徹底且表面均成型完整,將試樣側(cè)面通過(guò)顯微鏡觀察,未發(fā)現(xiàn)熔覆層中存在氣孔和裂紋現(xiàn)象,熔覆后整體形貌如圖3所示,從左至右依次為3 000、3 200、3 400、3 600 W功率下熔覆層形貌圖。

圖3 各功率下熔覆層形貌金相照片

同時(shí),根據(jù)表3中數(shù)據(jù),可以得到功率為 3 200 W和3 600 W時(shí)熔覆相同的粉量,熔覆層較厚,如圖4所示,圖4(a)中,3 200 W功率下,熔覆厚度為0.52 mm,圖4(b)中,3 600 W功率下,熔覆厚度為0.53 mm。

圖4 2種功率下的熔覆層形狀示意圖

2.2 熔覆層硬度測(cè)試

基材及熔覆層硬度使用維氏硬度計(jì)測(cè)量,在上述測(cè)完熔覆層厚度的實(shí)驗(yàn)樣塊表面進(jìn)行硬度測(cè)量。硬度測(cè)量以熔覆層與基材結(jié)合面為坐標(biāo)軸零點(diǎn),熔覆層為正向,基材為負(fù)向,熔覆層每間隔50 μm測(cè)量1次,基材方向每間隔100 μm測(cè)量1次,每次測(cè)量3組數(shù)據(jù),取各位置測(cè)量維氏硬度的算數(shù)平均值,得到各位置測(cè)量的硬度梯度圖,如圖5所示。

圖5 23和30 g/min出粉量功率下的硬度梯度圖

由圖5可知,硬度梯度從基材到熔覆層的硬度值大小趨勢(shì)較為一致。在熔覆層中,不同功率的熔覆層硬度發(fā)生變化,但變化不大,在熔覆層50 μm左右硬度相對(duì)最大,此處散熱較慢,溫度梯度較小,導(dǎo)致表面相對(duì)較硬。根據(jù)圖5仍可看出,27SiMn鋼基材硬度在200 HV0.3左右,熔覆層硬度在600～750 HV0.3,轉(zhuǎn)化為洛氏硬度為55.0～62.3 HRC,熔覆層硬度比基材提高了3倍以上,且各個(gè)功率下硬度差值不大。

結(jié)合實(shí)際工況,對(duì)熔覆層硬度和厚度提出要求,為滿(mǎn)足在熔覆層表面進(jìn)行打磨處理等后期加工工序,進(jìn)而保證液壓支架立柱表面質(zhì)量,需在基材表面留一定加工余量。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論,找到熔覆層較厚的工藝參數(shù),功率為3 200 W和3 600 W,并對(duì)兩功率熔覆層樣塊進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

2.3 熔覆層摩擦磨損測(cè)試

根據(jù)煤礦液壓支架立柱的工作環(huán)境及上述激光單道熔覆結(jié)論,對(duì)功率為3 200 W和3 600 W,出粉量23 g/min的熔覆層進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 熔覆層及基材摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

由圖6可知,兩熔覆層剛開(kāi)始均有上升趨勢(shì),由于法向載荷有穩(wěn)定增大的過(guò)程,隨時(shí)間延長(zhǎng)摩擦磨損趨于穩(wěn)定,3 200 W熔覆后的熔覆層表面摩擦因數(shù)波動(dòng)較小,3 600 W熔覆后的表面摩擦因數(shù)波動(dòng)劇烈,這主要由于摩擦過(guò)程中涂層表面材料剝落造成,基材經(jīng)磨合期后摩擦因數(shù)穩(wěn)定[17]。最終,基材的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.68左右,3 200、3 600 W功率的熔覆層摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.65左右。

實(shí)驗(yàn)后,對(duì)比磨損實(shí)驗(yàn)前后各樣塊質(zhì)量變化, 27SiMn鋼基材摩擦磨損后質(zhì)量減少5 mg,熔覆功率3 200 W樣塊減少3.5 mg,熔覆功率3 600 W樣塊減少3 mg。根據(jù)摩擦磨損后表面質(zhì)量變化與摩擦因數(shù)變化可以得出結(jié)論,干磨損條件下,激光功率為3 200 W與3 600 W熔覆層比基材27SiMn鋼耐磨。

3 搭接實(shí)驗(yàn)探究

根據(jù)上述探索工藝參數(shù),使用鐵基合金粉在實(shí)驗(yàn)樣塊表面進(jìn)行激光熔覆搭接實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表4所示。

表4 搭接工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)表4實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn)[18-20],得到搭接后宏觀熔覆層表面檢測(cè)無(wú)裂紋,熔覆層形狀如圖7所示,圖中右側(cè)為搭接實(shí)驗(yàn)第1道,左側(cè)為搭接實(shí)驗(yàn)第2道,兩搭接實(shí)驗(yàn)第2道均比第1道厚,圖中測(cè)量厚度為熔覆層最厚位置和搭接中間凹陷處位置厚度。

圖7 不同功率下搭接實(shí)驗(yàn)熔覆層形狀

通過(guò)搭接實(shí)驗(yàn),可以看出2不同功率搭接凹陷處的厚度幾乎相等。由于功率3 600 W熔覆第1道結(jié)束后,基材表面溫度較高,且第2道熔覆時(shí)將第1道熔覆后散落基材的粉末熔覆,使功率3 600 W比3 200 W的第2道熔覆層厚,且前者約為后者厚度的1.5倍。對(duì)搭接實(shí)驗(yàn)搭接部分硬度進(jìn)行3次測(cè)量,取平均值后,得到搭接實(shí)驗(yàn)3 200 W和 3 600 W功率下、23 g/min出粉量的硬度梯度如圖8所示。

圖8 搭接處硬度梯度曲線

根據(jù)圖8可知,在2種功率下的熔覆搭接實(shí)驗(yàn)中,硬度梯度趨勢(shì)較一致,熱影響區(qū)范圍相近,且根據(jù)熔覆層各點(diǎn)硬度數(shù)據(jù),得到兩不同功率搭接處熔覆層平均硬度分別為58.3 HRC和57.3 HRC,均在55 HRC以上。同時(shí)可知,熔覆層在較大厚度持續(xù)保持在較高硬度,符合實(shí)際工作要求。

搭接后進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果與單道熔覆摩擦磨損測(cè)試結(jié)果數(shù)值相當(dāng),如圖9所示,初期3 200 W的熔覆層表面摩擦因數(shù)波動(dòng)較小,3 600 W的熔覆層表面摩擦因數(shù)波動(dòng)劇烈,這主要是由于摩擦過(guò)程中涂層表面材料剝落造成,經(jīng)磨合期后摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定。最終,摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.72左右。熔覆層摩擦因數(shù)比基材摩擦因數(shù)略高0.04,相差不大。結(jié)合樣塊質(zhì)量對(duì)比,搭接樣塊磨損后,質(zhì)量減少3 mg左右,比基材樣塊磨損量少,說(shuō)明干磨損條件下,激光熔覆搭接后比基材27SiMn鋼更耐磨。

圖9 搭接后摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

實(shí)驗(yàn)后腐蝕,并對(duì)熔覆層搭接處觀察,如圖10所示。圖10(a)為熔覆層上部,圖10(b)為熔覆層中部,圖10(c)為熔覆層與基材結(jié)合處。

從圖10(a)看出,熔覆層上層顯示許多細(xì)小致密的等軸晶,由于熔覆層上層受熱后散熱較快,形成較大過(guò)冷度,顯示熔覆層中大量晶核生長(zhǎng),到一定體積后不再繼續(xù)生長(zhǎng),形成等軸晶區(qū);從圖10(b)看出,在熔覆層中部多為粗大樹(shù)枝晶和柱狀晶,原因是由于熔覆層中部受熱累積效應(yīng)大[21],但是基體與熔覆層存在正溫度梯度,具備快速散熱的條件,使中部位置的晶體結(jié)構(gòu)隨著距離界面距離的增加過(guò)冷的增大,產(chǎn)生粗大的樹(shù)枝晶和柱狀晶,隨時(shí)間推移,過(guò)冷度減少,熔體以樹(shù)枝狀生長(zhǎng);從圖10(c)看出,基材與熔覆層之間存有光亮帶,說(shuō)明熔覆層與基材的冶金結(jié)合效果較好[22],熔覆層底部以平面晶區(qū)、柱狀晶和樹(shù)枝晶為主,由于第一道熔覆層熔覆結(jié)束后基體的溫度較高,第二道熔覆時(shí)殘留在基材及熔覆層中的熱量消散較慢,內(nèi)部高溫下降緩慢,使得凝固時(shí)溫度梯度較小。

4 結(jié)論

1) 對(duì)27SiMn鋼進(jìn)行激光熔覆單道實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)功率3 000、3 200、3 400、3 600 W時(shí),熔覆層硬度及摩擦因數(shù)相差不大,熔覆層厚度存在較大差異。

2) 使用3 200、3 600 W這兩功率進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn)。兩功率搭接后熔覆層厚度較厚,熔覆層硬度分別為58.3 HRC和57.3 HRC,均在55 HRC以上,搭接處硬度高于基材3倍以上,滿(mǎn)足煤礦環(huán)境下液壓支架立柱工作時(shí)強(qiáng)度要求。

3) 兩功率搭接后熔覆層比基材更耐磨,同時(shí)熔覆層厚度提升,熔覆層的搭接最低凹處的厚度仍在1 mm以上。搭接工藝參數(shù)均滿(mǎn)足激光熔覆后進(jìn)行其他工序的加工要求。