稀土元素在熔覆層中的應(yīng)用

稀土元素在熔覆層中的應(yīng)用

作為表面硬化材料，fe-cr-ni-b-si是鐵基自聚合材料。在溫度和低于400c的溫度下，其耐用性超過wc-ni、co基和其他鐵基合金。鐵基合金的激光熔覆與鈷基合金、鎳基合金、陶瓷類合金的激光熔覆相比性能更加優(yōu)越,基體與熔覆層的材料接近,有益于界面的結(jié)合,且鐵基合金的成本低得多。1設(shè)計方案1.1激光熔覆法本設(shè)計的目的是為了找到各種合金之間的最佳配比,優(yōu)化經(jīng)濟方案和相應(yīng)的激光熔覆工藝,獲得較為平整的激光熔覆層表面,表面無氧化現(xiàn)象,有較好的潤濕效果和適當?shù)南♂屄?。試驗熔覆層為無宏觀裂紋和顯微裂紋,熔覆層的耐磨組織硬度達到HRC58以上。1.2不同模型試樣材料為工業(yè)上普遍應(yīng)用的結(jié)構(gòu)用鋼Q235B。結(jié)合激光熔覆功率密度大的特點,考慮便于操作和截取試驗試樣,選擇試樣尺寸為40mm×30mm×10mm。1.3熔覆預(yù)制涂層激光器功率為180W(CO2激光器的最大輸出功率為2kW),光斑直徑為3mm,速度為14.3mm/s,熔覆預(yù)制涂層厚度為0.5mm,用氬氣保護。1.4正交試驗的設(shè)計合金系列的選擇原則是盡量保證熔覆層的整體性能,有效防止裂紋,同時考慮熔覆合金的成本。所選合金系列為Fe-Cr-Ni-B-Si-RE。為保證試驗效果,鐵基合金粉末的含碳量穩(wěn)定在0.7%左右?？紤]到加強熔覆層的耐磨性與硬度,在合金系列中加入適量的B、Si、Cr。指標與水平的選擇主要依據(jù)在生產(chǎn)活塞環(huán)、缸套、刀具、模具、閥體等合金材料中較常用而廉價的提高使用性能的合金化學成分與水平。為了增強合金熔覆層的韌性與綜合性能,加入適量的稀土元素(RE)。依據(jù)正交設(shè)計思想,將B、Si、Cr、稀土作為調(diào)節(jié)因素,水平的選擇按等差方式進行排列。采用(L9(34)四因素三水平)的正交試驗,試驗次數(shù)為9。各因素水平如下:w(B)=1.5%,3%,4.5%,w(Si)=2.5%,3.5%,4.5%,w(Cr)=13%,16.5%,20%,w(RE)=1%,3%,5%,w(Ni)=9%,w(C)=0.7%左右,余為Fe。2結(jié)果與分析2.1試樣表面的成型試驗采用水玻璃和纖維素2種材料作為激光熔敷層的粘結(jié)劑。試驗結(jié)果表明,在激光熔覆中,采用纖維素作為粘結(jié)劑是比較好的。纖維素為粘結(jié)劑的激光熔覆,雖然有的試樣存在少量氧化和飛濺現(xiàn)象,但大多數(shù)試樣在表面成型上較理想。其氧化與飛濺的原因是,在熔池反應(yīng)中纖維素參加了熔池金屬的反應(yīng),而纖維素主要是由碳、氫等元素組成,在反應(yīng)中不可避免地出現(xiàn)氣體,氣體外逸到熔池的表面聚集爆破而脫離熔池,破壞了熔池外的外加氬氣保護氣氛,同時也將熔池中的少部分液態(tài)金屬濺出,在溫度相對低得多的試樣表面凝固,形成飛濺。據(jù)文獻報道,粘結(jié)劑的重量占合金粉末重量的2%時,激光熔覆的表層質(zhì)量較好,同時在涂覆預(yù)制層時,特別應(yīng)注意壓緊涂覆層,使涂覆層粘結(jié)致密,這些措施在一定的程度上可減少熔覆層的氧化和飛濺。2.2未改變的原因激光熔覆層成分檢測的目的是為了了解激光熔覆過程中,在快速加熱和快速冷卻的情況下各種合金成分的變化規(guī)律,以及引起這種變化的原因。碳含量相對穩(wěn)定在0.7%左右,用能譜分析儀對熔覆層的元素進行測量,所測各元素的成分范圍與涂覆層的加入成分相近,說明稀釋率很低,合金元素的過渡系數(shù)較高。2.3微膠結(jié)劑的種類對覆層硬度的影響硬度試驗在HVS—1000型顯微硬度計上進行,試驗力為2.94N,試驗力保持時間為20s,檢測點間距為0.08mm。其中8、9號試樣的熔覆層平均硬度超過了HV1000,可見鐵基合金的激光熔覆使熔覆層的硬度達到很高的水平,而所采用的合金涂敷層的厚度只有0.5mm。這種高硬度且沒有裂紋的熔覆層對于提高材料的耐磨性能是十分有效的。采用文獻的公式將顯微硬度換算成洛氏硬度,其洛氏硬度值見表1。換算所得的洛氏硬度值與通過查表所得洛氏硬度值之差均小于HRC2。從表1可以看出7、8、9號幾個試樣的洛氏硬度高達HRC68,達到試驗預(yù)定目標HRC58的試樣有3、7、8、9號。硬度試驗的結(jié)果表明,在纖維素為粘結(jié)劑的Fe-Cr-Ni-B-Si-RE鐵基合金的激光熔覆中,合金成分對硬度指標影響的顯著程度是,B最顯著,Si次之,稀土和Cr不顯著。B之所以是最為顯著的因素在于高硬度的Fe2B相的析出。2.4鐵基合金的激光熔覆技術(shù)激光熱處理工藝的特點是快速加熱和快速冷卻,熔池金屬在很短的時間內(nèi)凝固,因此激光熔覆層的組織是不平衡的。在鐵基合金的激光熔覆中最典型的組織是馬氏體和殘余奧氏體。奧氏體轉(zhuǎn)變與長大決定了組織的基本形貌,在液相熔池中首先形核并長大的是奧氏體,由于冷卻速度快,過冷度大,奧氏體的形核率高。在激光熔覆中,熔池的維持時間短,奧氏體的形核基本上來不及長大就進入了馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū),所以得到的晶粒很細小,見圖1、圖2。3熔覆層最佳配方的確定(1)纖維素為粘結(jié)劑雖然存在少量飛濺和氧化的現(xiàn)象,但得到的表面成型較好,在稀土含量較高的試樣中,表面質(zhì)量較好。(2)在熔覆層得到的組織為馬氏體和殘余奧氏體,以8號和9號試樣的組織為最好,