铸铁表面激光熔覆铁基合金涂层的组织性能研究

郭士锐,赵 阳,崔陆军,郑 博,李晓磊,崔英浩,陈永骞

(中原工学院机电学院,河南 郑州 450007)

1 引 言

铸铁由于良好的切削性、可铸性和减震性能优异等优点,被广泛的用于制造形状复杂的零部件,如发动机轧辊、机床导轨、制动盘和工业阀门等多个工业领域。然而,铸铁件在服役过程中经常由于磨损、腐蚀等多种形式的损坏而失效[1-3]。激光熔覆由于其高能量密度,高能效,低稀释度和强大的冶金结合在制造高质量铸铁件方面得到了广泛的应用。该技术可以将老旧的铸铁件进行再制造修复,从而达到绿色环保节约资源的目的[4-5]。

为提高铸铁件的性能,国内外专家学者展开了一系列的研究。上海理工大学王书文[6]等研究了在灰铸铁制动盘基材上熔覆Ni625/WC混合粉末合金涂层,硬度提高了50 %,耐磨性及减震降噪性能显著提高。南京师范大学何昱煜[7]采用镍基合金完成了铸铁玻璃模具的修复强化,综合性能显著增强。江苏理工学院陈世鑫[8]等采用激光熔覆与淬火复合工艺完成铸铁齿轮的再制造,FeCrNiCu合金涂层硬度、耐磨损及耐冲击性能显著提高。目前对于铸铁件的修复主要集中于镍基合金,但价格昂贵,Fe基合金价格低廉,硬度耐磨性较高,但耐腐蚀性能较弱,限制了在铸铁件修复时的应用,已有研究表明,镍不仅具有扩大铁基合金熔覆层奥氏体相区、提高熔覆层的韧塑性作用,而且对铁基合金的耐腐蚀性能具有显著影响[9],最重要的是具有可以阻止碳元素在熔覆结合区域的扩散,减少结合区域脆硬组织(马氏体、渗碳体等经常使熔覆层产生裂纹缺陷)的形成[2]。田玉亮[10]等发现随着镍含量的增加,硬度减小,耐腐蚀性能显著提高。李永健[11]等采用镍铜粉末预制方法成功完成球墨铸铁修复,熔覆层组织性能显著提高,且在熔覆层界面区域未形成硬脆性组织。

据上述研究发现,镍对于提高铸铁件表面熔覆层耐腐蚀性能及降低熔覆层缺陷具有重要影响,且目前使用该方法拓展铁基合金在激光修复铸铁件应用范围方向上鲜有研究。基于此,本文采用大功率半导体光纤耦合激光器在铸铁基板上制备四种镍含量不同的铁基合金熔覆层,并对其组织性能进行了细致分析,优选出综合性能优异的铁基合金粉末成分用于铸铁件修复强化,显著降低了修复成本,对工程实践具有重大指导意义。

2 实 验

采用大功率半导体光纤耦合激光器在平板基材灰铸铁HT250上进行四道次搭接熔覆,激光束光斑直径为3 mm,同轴四路送粉,实验前对基体进行打磨至光整,酒精擦拭,去除表面油污。四种合金粉末具体成分如表1所示,主要区别在于镍元素的含量,实验前将其在120 ℃干燥箱中烘干,持续两个小时,保证粉末的流动性较好。经之前对工艺参数优化研究,选择如表2所示,试验后对涂层进行线切割,镶嵌制备,磨抛至表面无划痕,王水腐蚀。利用莱卡光学显微镜、WTM-2E微型摩擦磨损试验仪、数显维氏硬度计及盐雾腐蚀箱等仪器对熔覆层金相显微组织、硬度、耐磨损和耐腐蚀性能进行检测。

表1 铁基合金粉末成分(wt./%)

表2 激光熔覆工艺参数

3 结果与讨论

3.1 金相组织分析

图1为C铁基合金粉末试样熔覆层不同区域的显微组织形貌,在熔覆层表层区域以方向不一致的等轴晶为主,含有少量的不规则枝晶,中部区域以柱状树枝晶为主,结合区域以胞状晶为主,热影响区由大量石墨相及少量的珠光体及针状马氏体组成。由于铸铁表面激光熔覆过程中,合金粉末快速融化形成熔池,由于与基体存在温度差,自下而上开始迅速凝固,组织融合生长,冶金结合良好,由图1(c)所示,晶体组织呈一定角度倾斜生长,这是因为晶粒的生长方向总是会沿着温度梯度最陡的方向进行,由于熔覆层底部的结合区域温度梯度向上逐渐减小,凝固结晶速度逐渐增大,且熔体存在快速凝固的溶质捕获效应,形成成分过冷区域,固液界面微小凸起引起溶质汇集,凸起前端受过冷区域限制影响,不能自由生长,形成倾斜胞状晶组织。随着溶质的冷却结晶,不断放热,冷却速率降低,溶质捕获效应变小,成分过冷增大,因此发生胞状晶开始向柱状晶转变,如图1(b)所示。随着成分过冷区继续增大,形核率增大,柱状树枝晶开始由外向内生长集聚,枝晶间距不断减小,形成细小等轴晶。由图2可发现,晶体组织由熔覆层底部到表层不断细化,枝晶间距在逐渐缩小,向着较好的趋势生长。

(a)熔覆层表层

(a)A铁基合金熔覆层中部显微组织

3.2 显微硬度分析

在灰铸铁件实际修复中,由于应用场合不同,所需求的性能也不同,如机床导轨修复后要保证较好的耐磨损性能,而对腐蚀性能要求较低,然汽缸套、汽缸盖和工业阀门等,除具有较好的耐磨性能外,还需要一定的耐腐蚀性能。以工业阀门为例,为防止修复后的阀门出现咬死、泄露等问题,应保证合理的硬度差值,根据实际工程需求,修复后的涂层硬度不低于520 HV0.3,采用显微硬度计对4组熔覆层测量结果如图3(a)所示,图3(a)中A、B、C和D分别代表4种铁基合金熔覆层的硬度曲线,根据图3(a)可知,熔覆层硬度表层至熔覆层底部变化趋势,顶部由于存在大面积等轴晶区,硬度较大,晶粒越细小,熔覆层的力学性能越优[12],熔覆层中部柱状晶较粗,硬度本应显著降低,但熔覆层性能除细晶强化外,还存在着固溶强化作用,合金粉末中含有大量铁铬等元素,涂层中存在大量的硬质碳化物,显著提高熔覆层性能,如图2所示,枝晶间存在大量的黑色金属化合物,在熔覆层稀释区域(DZ),由于激光的高能量密度,发生了马氏体相变,因此硬度显著增大,热影响区(HAZ)相当于发生了淬火作用,相对于灰铸铁基材(Sub)硬度有所提高,灰铸铁基材的平均硬度约为175.5 HV0.3。

(a)熔覆层不同区域硬度分布图

4组熔覆层的平均硬度如图3(b)所示,4组涂层硬度依次降低,造成这种情况的主要原因有以下两个方面,一是四种合金粉末中镍含量区别最大,镍元素含量的增加导致熔覆层晶粒尺寸增大,熔覆层细晶强化作用减弱；另一方面是因为镍具有较好的阻止碳元素在熔覆层界面扩散的能力,使的熔覆层中硬质碳化物数量减少,熔覆层的固溶强化效应显著降低,合金粉末中镍元素含量越多,这种效应越明显；在细晶强化与固溶强化作用都减弱的情况下,熔覆层硬度减小效果显著。通过对比可发现,C合金粉末熔覆层平均硬度为567.9 HV0.3,为灰铸铁基材硬度的三倍以上,满足实际工程需求。

3.3 耐磨损性能分析

采用微型摩擦磨损试验仪进行摩擦磨损实验得到4组不同铁基合金熔覆层及基材的摩擦系数和磨损失重量。经过一小时的回转摩擦磨损试验后,得到摩擦系数变化趋势如图4(a)所示,灰铸铁基材的摩擦系数为0.35,4组铁基合金熔覆层摩擦系数为0.25、0.27、0.31和0.32,熔覆层摩擦系数的变化趋势与硬度相同。由图4(b)可知,A铁基合金熔覆层磨损量为0.2 mg,是灰铸铁磨损量的10 %,B、C、D铁基合金熔覆涂层磨损量依次为0.3 mg、0.5 mg、0.8 mg,随着合金粉末中镍元素的增加,熔覆层的磨损失重量也随之增大,一方面是由于磨损量与硬度之间存在紧密的联系,熔覆层硬度越大,耐磨损性能越优,在上述分析中,随着镍含量添加量增多,熔覆层中细晶强化与固溶强化作用也随之而减弱,硬度随着镍含量的增加而降低,因此磨损量也伴随有相同的趋势。另一方面是因为随着镍含量的增大,晶粒尺寸增大,枝晶数目减少,随着磨损的进行,熔覆层的抗磨削能力降低,耐磨性也随之而降低。对比图4(a)、(b)可知,摩擦系数的变化趋势与磨损失重量保持一致。C合金粉末熔覆层磨损性是灰铸铁基材的4倍,耐磨性能可满足实际工程需求。

(a)摩擦系数

3.4 耐腐蚀性能分析

采用盐雾腐蚀试验箱对4组熔覆层及灰铸铁基体样块进行中性盐雾腐蚀试验,饱和桶温度47 ℃,实验室温度35 ℃,腐蚀时间为48 h,腐蚀后的结果如图5所示,灰铸铁基材经24 h后已全面腐蚀,A、B、C、D铁基合金熔覆层粉末48 h后腐蚀面积依次减小。由于4组铁基合金粉末中含有大量的Cr元素,在腐蚀时会在熔覆层表面生成钝化膜,因此熔覆层耐腐蚀性较灰铸铁显著提高,但腐蚀溶液NaCl中Cl元素易穿透熔覆层表面的钝化膜后取代Cr的氧化物中的氧元素,使钝化的熔覆层表面变成活泼表面,从而丧失保护能力,熔覆层出现腐蚀。Ni元素具有良好的抗腐蚀性[9,13],在盐雾腐蚀过程中,在熔覆层表面生成一层氧化膜,阻止熔覆层的进一步腐蚀,此外与Cr元素结合生成更耐腐蚀的氧化物,使的熔覆层的耐蚀性进一步增强,随着熔覆层腐蚀时间的增加,氧化膜将随之增加以减少熔覆层表面钝化膜的消耗。因此镍含量越多,熔覆层的耐腐蚀性能越优。

(a)基材24 h盐雾腐蚀

4 结 论

1) 利用大功率半导体光纤耦合激光器在灰铸铁基材表面上熔覆四种铁基合金粉末,熔覆层冶金良好。熔覆层底部组织主要以胞状晶,中部主要以柱状晶,顶部主要以细小等轴晶为主,随着镍含量的增加,晶粒尺寸增大,晶粒数目减小。

2) 4种铁基合金粉末熔覆层随着镍元素含量的增加,细晶强化与固溶强化效果均减弱,硬度与耐磨性能降低,但耐腐蚀性能随着增大。

3) A粉末适用于需求耐磨性较高而轻腐蚀的场合(机床导轨等)；C铁基合金粉末熔覆层综合性能满足多工程场合需求,熔覆层平均显微硬度是灰铸铁基材的3倍以上,耐磨性提高了3倍,耐腐蚀性能相对于基材显著提高。优选出综合性能优异的铁基合金粉末成分用于铸铁件修复强化,显著降低了修复成本,对工程实践具有重大指导意义。