Оптимизация технологических параметров лазерной наплавки никелевого покрытия на поверхность зубчатой ​​стали

Зубчатая передача широко используется в механической области благодаря высокой эффективности передачи, высокой несущей способности, большому диапазону мощности, длительному сроку службы и многим другим преимуществам. С увеличением эксплуатационной нагрузки и скорости вращения зубчатой ​​передачи система зубчатых передач склонна к разрушению, выкрашиванию, износу зубьев, пластической деформации зубьев и склеиванию зубьев в процессе передачи зацепления, что серьезно влияет на срок ее службы. Чтобы эффективно продлить срок службы системы зубчатой ​​передачи, необходимо модифицировать и укрепить поверхность зуба, чтобы улучшить несущую способность и противоусталостные характеристики зубчатого колеса. По сравнению с другими технологиями модификации поверхности, технология лазерной наплавки благодаря короткому циклу обработки, высокой эффективности обработки и недорогим техническим преимуществам позволяет готовить высококачественные покрытия, тем самым улучшая свойства поверхности деталей. Из-за высокого температурного градиента и очень высокой скорости охлаждения в процессе лазерной наплавки покрытие склонно к появлению дефектов, таких как поры и микротрещины, которые влияют на механические свойства покрытия, что ограничивает применение деталей с лазерной наплавкой. в некоторой степени. Поэтому повышение качества покрытия за счет оптимизации параметров процесса имеет большое значение для стимулирования применения технологии лазерной наплавки в области подготовки покрытий.

Обычно используемые порошки для лазерной наплавки представляют собой в основном сплавы на основе Fe, Ni и Co. Среди различных наплавочных порошков порошки сплавов на основе Ni широко изучались в материалах для лазерной наплавки из-за их хорошей износостойкости, коррозионной стойкости, смачиваемости и умеренной цены.

В данной работе покрытие на основе Ni на поверхности зубчатой ​​стали 18CrNiMo7-6 было получено методом лазерной наплавки. Для изучения влияния различных параметров процесса на микроструктуру покрытия использовался метод одной переменной, при этом оптимальные параметры процесса определялись путем принятия макроскопической морфологии, микроструктуры и твердости покрытия в качестве показателей оценки. Результаты исследования могут расширить диапазон применения деталей зубьев для ремонта порошковых материалов на основе Ni, а также предоставить технические рекомендации по применению и оптимизации технологии лазерной наплавки в материалах зубчатых передач в будущем.

1. Испытательные материалы и оборудование

Основной материал, использованный в тесте, — зубчатая сталь 18CrNiMo7-6. 18CrNiMo7-6 — это цементированная легированная конструкционная сталь европейского стандарта EN10084, соответствующая отечественной марке 17Cr2Ni2Mo. После цементации, закалки, низкотемпературного отпуска и отделки сталь обладает превосходной прочностью, износостойкостью и ударными свойствами и широко используется в ветроэнергетике, портах, шахтных редукторах и высокоскоростных локомотивах. Химический состав стали 18ХНМ7-6 приведен в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав зубчатой ​​стали 18ХНМ7-6 (массовая доля, %)

В качестве плакирующего порошка в испытании использовался порошок самоплавящегося сплава NiCr20, его химический состав показан в таблице 2. Порошок NiCr20 обладает хорошими самоплавлением, смачиваемостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению и подходит для широкого спектра применений. диапазон параметров процесса лазерной наплавки. В качестве вспомогательного плакирующего материала в испытаниях был выбран керамический порошок ZrO2. Керамический порошок ZrO2 обладает такими преимуществами, как хорошая термическая стабильность, высокотемпературная износостойкость, коррозионная стойкость и т. д. При лазерной наплавке легко подвергаться закалке с фазовым переходом, чтобы устранить трещины от термического напряжения, вызванные лазерной наплавкой, и улучшить плотность покрытия. Поэтому его можно использовать для приготовления высокотемпературного износостойкого покрытия. Порошки NiCr20 и ZrO2, использованные в тесте, показаны на рисунке 1. Морфология порошка сплава NiCr20 и керамического порошка ZrO2 представляет собой сферические частицы с размером частиц около 100 мкм и 50 мкм соответственно. Порошок NiCr20 и керамический порошок ZrO2 были смешаны в массовом соотношении 48 ∶ 1 и высушены для использования в качестве порошка для лазерной наплавки.

Таблица 2 Химический состав порошка NiCr20 (массовая доля, %)

Рис.1 Морфология порошков NiCr20(а) и ZrO2 (б)

Испытание на лазерную наплавку проводилось на оборудовании для лазерной наплавки MLO{{0}}. Оборудование для лазерной наплавки состоит из сопла для лазерной наплавки, лазера, шестиосного механического рычага, системы подачи порошка, системы водяного охлаждения и системы управления. В оборудовании для лазерной наплавки в качестве источника лазерного излучения используется волоконный лазер, а доступный диапазон мощности составляет 400 ~ 4000 Вт. В процессе лазерной наплавки порошок отправляется к выпускному отверстию для порошка посредством вращения порошкового питателя, диапазон скоростей лоток для порошка составляет 0 ~ 4 об/мин, а диапазон размеров частиц составляет 50 ~ 150 мкм. Система водяного охлаждения обеспечивает охлаждающую воду для лазера и лазерной наплавочной головки, чтобы обеспечить постоянную температуру окружающей среды во время испытательной операции. Ванну расплава защищали аргоном высокой чистоты во избежание окисления в течение всего испытания.

Испытание на лазерную наплавку проводилось на блочной зубчатой ​​стали. Направление лазерного сканирования располагалось вдоль длинной стороны пластины, а покрытие длиной около 20 мм наплавлялось в центре пластины. Использовался однофакторный тест. Параметры испытаний: мощность лазера 500–900 Вт, скорость сканирования 2–8 мм/с, скорость подачи порошка 8,8–13,2 г/мин, скорость потока аргона 4 л/мин, диаметр пятна φ4 мм, дефокусирующая способность 250 мм. Конкретные параметры процесса приведены в таблице 3, каждая группа испытаний повторяется дважды.

Таблица 3. Параметры испытаний одноканальной лазерной наплавки

После испытания на лазерную наплавку был проведен металлографический анализ покрытия, и на проволочном станке разрезалось покрытие на куб размером 5 мм × 5 мм × 5 мм, а участок покрытия шлифовался и полировался поэтапно. шаг. Затем для его коррозии используют царскую водку (объемное соотношение HCl и HNO3 3 ∶ 1), время коррозии составляет около 2 мин. После металлографической обработки с помощью оптического микроскопа и сканирующего зеркала наблюдали микроструктуру образца профиля после металлографической коррозии. Микротвердомер по Виккерсу использовался для измерения твердости профиля покрытия по глубине после испытания на лазерную наплавку. Испытание на твердость профиля покрытия начинается на расстоянии 50 мкм от поверхностного слоя и проводится через каждые 100 мкм по направлению глубины до тех пор, пока не будет измерена равномерная твердость основы. Вес испытательной нагрузки установлен на уровне 500 г, время выдержки составляет 10 с. Чтобы повысить точность данных, твердость измеряют 3 раза на одной и той же глубине каждого профиля зубчатой ​​стали и берут среднее значение.

1. С увеличением мощности лазера высота плавления, ширина плавления и глубина плавления покрытия NiCr20-ZrO2 увеличиваются. С увеличением скорости сканирования высота плавления, ширина и глубина покрытия уменьшаются. С увеличением скорости подачи порошка высота плавления покрытия увеличивается, ширина плавления сначала увеличивается, а затем уменьшается, а глубина плавления уменьшается.

2. С увеличением мощности лазера уменьшаются уплотнение, огрубление и микротвердость микроструктуры покрытия. С увеличением скорости сканирования снижается плотность микроструктуры покрытия, уменьшаются шероховатость микроструктуры и микротвердость. С увеличением скорости подачи порошка увеличивается плотность микроструктуры, измельчение микроструктуры и микротвердость покрытия.

3. Принимая в качестве оценочных показателей макроскопическую морфологию, микроструктуру и микротвердость покрытия, были получены оптимальные параметры процесса: мощность лазера 700 Вт, скорость сканирования 2 мм/с, скорость подачи порошка 11,1 г/мин.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. — высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на исследованиях и разработках, производстве и продаже автоматических машин для лазерной наплавки, высокоскоростных машин для лазерной наплавки, машин для лазерной закалки, машин для лазерной сварки и оборудования для лазерной 3D-печати. Наша продукция экономически эффективна и продается внутри страны и за рубежом. Если вы заинтересованы в нашей продукции, свяжитесь с нами по адресу bob@gshenglaser.com.