交变磁场对高硬熔覆层组织与性能的影响

付宇明 齐 童 宗 磊 郑丽娟

燕山大学机械工程学院，秦皇岛，066004

交变磁场对高硬熔覆层组织与性能的影响

付宇明 齐 童 宗 磊 郑丽娟

燕山大学机械工程学院，秦皇岛，066004

为改善高硬激光熔覆层的力学性能，在激光熔覆过程中辅助施加类正弦交变磁场，在Q235A表面制备了高硬合金熔覆层。对熔覆试样进行拉伸和冲击性能测试、断口分析、显微组织观察、物相分析、显微硬度测试以及耐磨性对比分析，研究了交变磁场对熔覆层力学性能和微观组织的影响。研究结果表明：在激光熔覆过程中加载强度为50 mT、频率为20 Hz的交变磁场时，可使试样的拉伸强度提高约9%，延伸率提高约1%，冲击韧性提高约11%，且拉伸断口出现明显韧窝，材料组织更细化、致密；熔覆层显微硬度随着磁感应强度的增大而增大，但随磁场频率的变化极小；当交变频率为25 Hz、磁场振幅为60 mT时，熔覆试样磨损失重减小15%。

激光熔覆；交变磁场；熔覆层；力学性能；微观组织

Abstract:In order to improve the mechanics properties of high hardness lasers cladding layers, in the laser cladding processes, a class of sinusoidal alternating magnetic field was applied. The high hardness alloy cladding layers were prepared on the Q235A surface. The tensile tests, the impact tests, the fracture analyses, the microstructure observations, the phase analyses, the micro hardness tests and the comparative analyses of wear resistance of the test specimens were carried out. The effects of alternating magnetic field on the mechanics properties and microstructures of the cladding layers were studied. Research results show that in the laser cladding processes, the loading intensity is as 50 mT and the frequency is as 20 Hz, the tensile strength of the sample may be increased by about 9%, extension rate is increased by about 1%, impact toughness increased by about 11%, and the tensile fracture surfaces are obviously tough, material organizations are more detailed and dense; The microhardness of the cladding layers increase with the increase of the magnetic induction strength,but the changes of magnetic field frequency are very small. When the alternating frequency is as 25 Hz, the magnetic field amplitude is as 60 mT, the loss weight of the mill is reduced by 15%.

Keywords:laser cladding; alternating magnetic field; cladding layer; mechanics property; microstructure

0 引言

激光熔覆技术与其他再制造技术相比具有熔覆层组织细小、与基材结合力强、基材变形量小等优点[1]。在普通基材表面熔覆特殊性能的熔覆层后，随着熔覆层厚度的增加，熔覆层的力学性能会直接影响到整体结构的强度和韧性,尤其是高硬合金熔覆层，随着表面硬度的提高，结构的韧性会降低[2]。类似风机叶片、破碎机衬板等受高频冲击或连铸辊等受冷热疲劳的结构件，在修复再制造时对熔覆层的韧性有很高的要求，如何在提高熔覆层硬度的同时提高材料的韧性，是将激光熔覆技术应用于这些领域急需解决的关键问题。

研究表明，在铸造和焊接过程中加载交变磁场，可以通过交变磁场与熔融态金属内部感应电流之间的电磁力，促进熔融态金属的运动，从而控制材料的凝固过程，改善铸坯质量和焊接结构的力学性能[3-5]。在激光熔覆过程中外加辅助交变磁场技术亦可以改善激光熔覆层的组织和性能[6-8]。蔡川雄等[9]采用激光熔覆辅助电磁控制工艺在45钢表面合成了Fe-Cr-Si-B-C复合涂层，研究了外加交变磁场对涂层微观组织和物相结构的影响，外加磁场所制备的涂层耐磨性能得到明显提高，其磨损失重仅为未加磁场的43%，且摩擦因数波动较小。刘洪喜等[10]将旋转磁场应用于激光熔覆过程中，在A3钢基材表面制备铁基Fe60合金涂层，在旋转磁场作用下，熔覆层内晶粒得到细化，涂层的平均显微硬度提高10%，磨损失重减小44%。

熔覆材料、熔覆工艺和施加电磁场的不同会导致熔覆层组织和性能的不同，本文利用自制可调频、调幅的简易机械式类正弦交变电磁场发生装置，在激光熔覆高硬覆层时辅助加载交变磁场，研究类正弦交变电磁场对半导体激光器制备的高硬激光熔覆层微观组织、显微硬度和力学性能的影响规律。

1 实验方法

激光熔覆设备采用4 kW半导体激光器，激光波长为976 nm，聚焦后的光斑为2.5 mm×11.5 mm的矩形光斑。激光熔覆实验时，试样放置在两永磁体之间，如图1所示，永磁体由步进电机驱动，最大转速为1200 r/min，两个永磁体之间由直径相同的同步带轮传动，并有张紧机构，永磁体旋转中心的间距为150～300 mm可调，相应的磁场振幅为20～60 mT，频率的可调节范围为0～25 Hz，当间距为200 mm时中心处磁感应强度随旋转角度的变化曲线如图2所示。试样基材为Q235A，熔覆合金粉末目数为120～320，主要合金成分(质量分数)为C(0.15%)、B(2.4%)、Cr(30%)、Fe(余量)。

图1 实验装置Fig.1 The experimental device

图2 中心处磁感应强度随旋转角度的变化曲线Fig.2 The variation of the centric magnetic field intensity with the rotation angle

图3 拉伸试样尺寸Fig.3 Tensile specimen size

在激光熔覆中，对施加和未施加交变磁场进行对比实验。采用相同的激光工艺参数，其中功率为3 kW，扫描速度为350 mm/min，搭接率为40%。在力学性能测试实验和微观组织分析时，采用相同的交变磁场参数，交变磁感应强度为50 mT，频率为20 Hz。制备图3所示的拉伸试样，使用WDW3100型电子万能试验机进行拉伸性能实验，并利用SEM观察断口形貌。根据GB/T 229制备标准冲击试样，利用300 J摆锤式冲击试验机进行冲击韧性实验。将熔覆试件进行线切割、打磨、抛光后用王水进行腐蚀，清洗晾干后在金相显微镜下观察熔覆层显微形貌。

改变交变磁场强度，制备熔覆试样，采用D/max-2500型衍射仪对试样的物相进行对比分析，设定衍射仪参数2θ范围为20°～100°，扫描速度为3°/min。采用FM-ARS 9000型全自动显微硬度测量系统测定熔覆层的显微硬度，实验载荷5 N(500克力)，加载时间10 s。采用MMW-1型多功能摩擦磨损试验机进行试样的耐磨性测试，室温下设定载荷1.2 kN，主轴转速400 r/min，对磨材料为Cr12MoV，表面淬火后硬度在HRC59～HRC60之间，使用测量精度为0.1 mg的精密天平，每20 min称一次磨损量，磨损实验时间共计2 h。

2 实验结果与讨论

2.1 交变磁场对力学性能的影响

图4为熔覆过程中加载和未加载磁场试样的负荷-位移曲线。由拉伸实验结果对比可知，没有外加磁场作用下的试样可承受的最大拉伸力约为14 048 N，抗拉强度约为351 MPa，断裂最大拉伸位移约为10.1 mm；交变磁场作用下的试样可承受的最大拉伸力约为15 510 N，抗拉强度约为387 MPa，断裂最大拉伸位移约为10.5 mm。抗拉强度提高了约10%，延伸率提高了约1%。

图4 负荷-位移曲线对比Fig.4 Comparison of load curves and displacement curves

表1所示为冲击韧性实验数据，由表1可知，施加交变磁场后制得的激光熔覆试样的冲击韧度提高了约11%，说明交变磁场可提高熔覆层在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

表1 冲击实验数据Tab.1 Impact experiments

图5为熔覆层的拉伸断口SEM图。由图5可以看出：在未加交变磁场的断口上具有明显的类解理断裂小平面，几乎无明显韧窝，而加载磁场试样断口为类解理-韧窝混合断裂，断口上出现了明显韧窝，解理平面细小，说明加载交变磁场使熔覆层晶粒细化，韧性提高。

(a)无交变磁场

(b)有交变磁场图5 试样断口SEMFig.5 Fracture of sample SEM

2.2 交变磁场对微观组织的影响

图6所示为未加交变磁场和加载交变磁场试样熔覆层下部的显微组织形貌。由图6可以看出：未加交变磁场试样组织较为粗大，且柱状晶具有明显取向性，沿垂直于基材的方向生长；施加交变磁场组织较为细小，粗大枝晶破断，且晶粒生长方向受到磁场力的影响发生明显变化，各向同性增强。图7所示为熔覆层上部显微组织形貌。由图7可以看出：加载磁场后细小等轴晶的区域明显增大，这主要是因为在磁场力作用下，粗大的柱状晶被折断，形成新的晶核，晶核在各个方向上的长大速率较均匀，熔融态的金属获得很好的流动性，形成更多致密的晶体结构，使等轴晶区域扩大，等轴晶所占比例提高；同时由于趋肤效应，加载交变磁场后熔覆层表层的组织发生较明显的细化，比未加载磁场更致密均匀。结合图8三种不同磁场振幅下熔覆层的XRD图谱可知，交变磁场对物相基本无影响，高硬合金的相组成主要为白色的γ-(Fe,Cr)固溶体树枝晶及其共晶相，黑色和灰黑色部分为碳化物Fe3C和硼化物Fe3B、Cr7(B,C)3，还有少量CrFeB。

(a)无磁场作用 (b)有磁场作用图6 熔覆层下部显微组织Fig.6 Microstructure of the lower cladding layer

(a)无磁场作用 (b)有磁场作用图7 熔覆层上部显微组织Fig.7 Microstructure of the upper cladding layer

图8 不同磁场振幅下熔覆层物相分析Fig.8 Phase analysis of the cladding layer with different amplitude of magnetic field

2.3 交变磁场对显微硬度的影响

图9所示是频率为20 Hz，磁感应强度分别为0、30 mT、50 mT条件下所制试样的显微硬度分布情况 (d为合金熔覆层表面至基材的距离)。由图9可以看出：加载交变磁场时熔覆层硬度值明显高于未加交变磁场时，显微硬度随着加载磁场的磁感应强度的增大而增大，在磁场振幅为50 mT时，显微硬度值平均提高幅度达到15%左右。

图9 磁场作用下显微硬度曲线Fig.9 The curve of microhardness in the magnetic field

图10所示是磁感应强度50 mT时不同磁场频率下熔覆层的平均显微硬度变化情况。由图10可以看出，熔覆层的平均显微硬度随着磁场频率的增大而增大，但变化的幅度极小，最大增幅不足1%。

图10 显微硬度平均值与频率的关系Fig.10 Relationship between average of micro hardness and frequency

2.4 耐磨性

磨损实验试样的磁场参数为：固定频率为25 Hz，磁感应强度分别为0、20 mT、40 mT和60 mT。表2所示为各试样在对磨1 h和2 h后所测试件重量，数据表明，外加磁场作用下激光熔覆层的磨损失重比未加磁场的试样均有所减小，说明熔覆层的耐磨性都有提高，其中磁感应强度为60 mT时，2 h后磨损失重比未加磁场试样减小了15%。

表2 各试样在1 h和2 h的磨损失重量Tab.2 The amount of wear of each sample within 1 hour and 2 hours

3 结论

(1) 通过相同条件下，加载和未加载交变磁场对比实验可知：在激光熔覆过程中加载磁感应强度为50mT、频率为20Hz的交变磁场后，熔覆试样的拉伸强度提高约9%，延伸率提高约1%，冲击韧性提高约11%，高硬合金熔覆层由类解理断裂转化为类解理-韧窝混合断裂。

(2)在激光熔覆过程中加载交变磁场会加剧熔池对流，使粗大枝晶臂折断，材料各向同性增强，等轴晶数量增多，由于趋肤效应，表层组织更致密均匀。熔覆层的显微硬度随着磁感应强度的增大而增大，但受磁场频率的影响很小。施加交变磁场后，各试样耐磨性均有明显提高，当交变频率为25 Hz、磁感应强度为60 mT时，磨损失重减小了15%。

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(编辑袁兴玲)

EffectsofAlternatingMagneticFieldonMicrostructuresandMechanicsPropertiesofHighHardnessCladdingLayers

FU Yuming QI Tong ZONG Lei ZHENG Lijuan

School of Mechanical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei,066004

TG174.44

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.017

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(51105325)；河北省自然科学基金资助项目(E2015203217,E2014203223)

付宇明，男，1971年生。燕山大学机械工程学院教授。主要研究方向为激光熔覆强化与再制造技术。E-mail：mec9@ysu.edu.cn。齐童，男，1992年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。宗磊，男， 1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。郑丽娟，女，1971年生。燕山大学机械工程学院教授。