Q235鋼表面激光熔覆強(qiáng)化合金層的研究

摘 要：根據(jù)Q235基材及316不銹鋼合金粉末的物理特性，制定出合適的激光熔覆參數(shù)，對(duì)Q235表面熔覆強(qiáng)化3mm不銹鋼合金層，對(duì)熔覆強(qiáng)化前后表面的硬度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)相同尺寸的熔覆強(qiáng)化后的試樣與基材本身作了沖擊韌性對(duì)比，對(duì)熔覆強(qiáng)化后的組織進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)熔覆強(qiáng)化后的表面硬度提高了48.6%，沖擊韌性提高了18.9%，Q235與316合金粉末結(jié)合質(zhì)量較好，為冶金結(jié)合，經(jīng)熔覆強(qiáng)化的Q235構(gòu)件的強(qiáng)度及機(jī)械性能得到明顯的改善。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；強(qiáng)化；硬度；沖擊韌性；微觀組織

引言

激光熔覆技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]，尤其針對(duì)軸類，板類零件的生產(chǎn)及再制造具有自身的優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[4]。鐵基、鎳基和鈷基合金粉末是目前應(yīng)用較多的三種熔覆合金[5]，由于鐵基熔覆合金粉末與鋼鐵基材本身材料成分相近，熔覆后二者結(jié)合強(qiáng)度較好，且鐵基合金粉末價(jià)格低廉，所以研究鐵基合金粉末熔覆合金的應(yīng)用更有價(jià)值[6]。

經(jīng)濟(jì)性始終是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要的考慮因素，有些應(yīng)用場(chǎng)合只要求零件表面具有較好的性能，如要求表面耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕等，而對(duì)于零件內(nèi)部則無(wú)過(guò)多限制，若選用整體優(yōu)質(zhì)合金鋼材，成本必然大大增加，針對(duì)這種情況可采用等離子噴涂、堆焊、電鍍等方法在普通基材零件表面熔覆一層高性能合金粉末即可，但以上方法難以達(dá)到冶金結(jié)合，質(zhì)量很難滿足要求，且熱影響區(qū)大，易變形[7]。針對(duì)以上問(wèn)題，文章研究應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)Q235鋼表面進(jìn)行熔覆強(qiáng)化，對(duì)熔覆后的試件進(jìn)行性能測(cè)試及金相組織分析，并分析其強(qiáng)化機(jī)理。

1 激光熔覆實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基材為Q235薄板，尺寸為70mm×70mm×7mm，表面經(jīng)粗砂紙打磨后用清洗劑進(jìn)行清洗。考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，熔覆合金材料選為316合金粉末，粉末粒度153～200目，316不銹鋼合金粉末成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用激光器為DL-HL-T5000B高功率二氧化碳橫流激光器，最大輸出功率5KW，波長(zhǎng)為10.6μm，工作氣體為CO2、N2和Ar，氣體比例CO2：N2：Ar=1：8：7，氣體純度為99.99%。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)為SEMENS數(shù)控機(jī)床，四軸聯(lián)動(dòng)，移動(dòng)精度±0.2mm，可編程自動(dòng)控制。

1.3 熔覆工藝及參數(shù)

綜合考慮實(shí)驗(yàn)基材及熔覆合金粉末材料的物理特性和前期的大量實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)方案為：將316不銹鋼合金粉末進(jìn)行充分烘干，對(duì)基材表面進(jìn)行清理，防止由于基材自身缺陷及雜質(zhì)導(dǎo)致熔覆后產(chǎn)生裂紋、孔洞、夾雜等缺陷。熔覆合金層的厚度選定為3mm，考慮到激光器功率適合的熔覆厚度，最終確定為每層熔覆1.2mm左右，熔覆三層。將處理好的Q235薄板放入加熱爐內(nèi)進(jìn)行200℃預(yù)熱，打開激光器，將功率調(diào)至2500W，掃描速度設(shè)置為8mm/s，搭接率40%，待薄板預(yù)熱完全后迅速將薄板放置于激光器工作平臺(tái)上，采用同步送粉的方式進(jìn)行熔覆，每層熔覆完畢后將表面氧化皮打磨掉再進(jìn)行下一層熔覆。熔覆過(guò)程中薄板自身溫度會(huì)很高，可以考慮適當(dāng)降低激光器功率，防止對(duì)基材及合金粉末產(chǎn)生過(guò)燒。熔覆強(qiáng)化后試件如圖1所示，從圖中可以看出，熔覆強(qiáng)化后的表面平整光滑，無(wú)孔洞裂紋等缺陷。

2 力學(xué)性能測(cè)試

2.1 硬度測(cè)試

分別對(duì)試件熔覆前后進(jìn)行硬度測(cè)試，各取5個(gè)點(diǎn)，測(cè)試的數(shù)據(jù)如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，Q235基材表面硬度平均值為18.5，Q235基材熔覆316合金粉末后表面硬度平均值約為27.5，熔覆強(qiáng)化后的表面硬度較基材本身提高了48.6%，耐磨性得到極大的提高。

2.2 沖擊韌性測(cè)試

采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，分別對(duì)熔覆強(qiáng)化后的試件及Q235基材本身做沖擊實(shí)驗(yàn)。利用線切割機(jī)將熔覆后的試件切割成5條10mm寬的沖擊試樣，并切出5個(gè)同樣尺寸的Q235基材試樣作為對(duì)比試樣，沖擊試樣尺寸如圖2所示。

沖擊實(shí)驗(yàn)選用JBS-300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，最大沖擊能量為300J，兩組各取五個(gè)試樣做沖擊實(shí)驗(yàn)，沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，Q235基材本身試樣沖擊功的平均值為23.8J，熔覆強(qiáng)化后的試樣的沖擊功平均值為28.3J。在試樣尺寸一致的情況下，沖擊功的大小可以間接的反映沖擊韌性的好壞，經(jīng)計(jì)算，熔覆強(qiáng)化后的沖擊韌性比Q235基材本身提高了18.9%，熔覆強(qiáng)化后的構(gòu)件強(qiáng)度得到了提高。

沖斷的試樣如圖3所示，可以看出，沖擊后，試樣表面的熔覆合金層未出現(xiàn)剝落，崩離現(xiàn)象，可知結(jié)合性較好。

3 微觀組織分析

將沖斷試件的橫截面進(jìn)行磨平拋光，用工業(yè)無(wú)水乙醇對(duì)拋光的表面進(jìn)行清洗，對(duì)清洗后的表面采用王水腐蝕。利用金相顯微鏡觀察熔覆層-結(jié)合處-基材的顯微組織，金相組織如圖4、圖5所示，從金相圖中可以看出，左側(cè)為316不銹鋼熔覆層組織，右側(cè)為Q235基材，基材組織為塊狀鐵素體，黑色的組織為少量珠光體；從左側(cè)316不銹鋼金相組織發(fā)現(xiàn)晶柱類似橢長(zhǎng)蜂窩狀六邊形，晶粒較均勻，這與激光熔覆的快速冷卻有關(guān)。冷卻過(guò)程中，熔池的形狀基本保持不變，熔池的凝固過(guò)程可以近似的看成一個(gè)局部的單向凝固，固/液界面的移動(dòng)速度為凝固速度[8]。從圖中可以看出，熔覆強(qiáng)化后結(jié)合處未出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，結(jié)合質(zhì)量較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 熔覆強(qiáng)化后試件表面合金層硬度較Q235基材本身提高了48.6%，耐磨性明顯提高。

4.2 7mm厚Q235實(shí)驗(yàn)基材表面經(jīng)3mm熔覆強(qiáng)化后，沖擊韌性較基材本身提高了18.9%，強(qiáng)度及韌性得到改善。

4.3 熔覆強(qiáng)化后，熔覆合金層宏觀及微觀上均無(wú)缺陷，熔覆合金層晶粒大小均勻，并且Q235基材與熔覆合金層為冶金結(jié)合，結(jié)合質(zhì)量好。

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