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(guò)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(jì)方案1.1激光熔覆法本設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)氧化現(xiàn)象,有較好的潤(rùn)濕效果和適當(dāng)?shù)南♂屄?。試?yàn)熔覆層為無(wú)宏觀裂紋和顯微裂紋,熔覆層的耐磨組織硬度達(dá)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(diǎn),考慮便于操作和截取試驗(yàn)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(hù)。1.4正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)效果,鐵基合金粉末的含碳量穩(wěn)定在0.7%左右?？紤]到加強(qiáng)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(biāo)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(jià)的提高使用性能的合金化學(xué)成分與水平。為了增強(qiáng)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(jì)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(jìn)行排列。采用(L9(34)四因素三水平)的正交試驗(yàn),試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(hù)氣氛,同時(shí)也將熔池中的少部分液態(tài)金屬濺出,在溫度相對(duì)低得多的試樣表面凝固,形成飛濺。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,粘結(jié)劑的重量占合金粉末重量的2%時(shí),激光熔覆的表層質(zhì)量較好,同時(shí)在涂覆預(yù)制層時(shí),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(cè)的目的是為了了解激光熔覆過(guò)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(duì)穩(wěn)定在0.7%左右,用能譜分析儀對(duì)熔覆層的元素進(jìn)行測(cè)量,所測(cè)各元素的成分范圍與涂覆層的加入成分相近,說(shuō)明稀釋率很低,合金元素的過(guò)渡系數(shù)較高。2.3微膠結(jié)劑的種類對(duì)覆層硬度的影響硬度試驗(yàn)在HVS—1000型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行,試驗(yàn)力為2.94N,試驗(yàn)力保持時(shí)間為20s,檢測(cè)點(diǎn)間距為0.08mm。其中8、9號(hào)試樣的熔覆層平均硬度超過(guò)了HV1000,可見(jiàn)鐵基合金的激光熔覆使熔覆層的硬度達(dá)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(méi)有裂紋的熔覆層對(duì)于提高材料的耐磨性能是十分有效的。采用文獻(xiàn)的公式將顯微硬度換算成洛氏硬度,其洛氏硬度值見(jiàn)表1。換算所得的洛氏硬度值與通過(guò)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(hào)幾個(gè)試樣的洛氏硬度高達(dá)HRC68,達(dá)到試驗(yàn)預(yù)定目標(biāo)HRC58的試樣有3、7、8、9號(hào)。硬度試驗(yàn)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(duì)硬度指標(biāo)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(diǎn)是快速加熱和快速冷卻,熔池金屬在很短的時(shí)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(zhǎng)大決定了組織的基本形貌,在液相熔池中首先形核并長(zhǎng)大的是奧氏體,由于冷卻速度快,過(guò)冷度大,奧氏體的形核率高。在激光熔覆中,熔池的維持時(shí)間短,奧氏體的形核基本上來(lái)不及長(zhǎng)大就進(jìn)入了馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū),所以得到的晶粒很細(xì)小,見(jiàn)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(hào)和9號(hào)試樣的組織為最好,