Лазерная наплавка стали

Наплавочные материалы и покрытия. Наплавка поверхности стали может быть осуществлена на основе порошков вольфрама с соединениями кремния и бора (SiO₂, B₄C) и самофлюсующихся наплавочных композиций типа ПН73Х16СЗР3.

На основе порошка вольфрама на железе были получены наплавленные слои толщиной до 200 мкм с микротвердостью 4000МПа. При этом микрорентгеноспектральным анализом выявлено равномерное распределение вольфрама по наплавленному слою с содержанием его до 70ат%. Основными структурными составляющими в этом слое являются сложный оксид FeWO₄ и интерметаллид Fe₇W₆. Под наплавленным слоем выявлена зона твердого раствора в результате диффузии вольфрама в железе глубиной 15 мкм с содержанием вольфрама до 30ат.%. Рассчитанный коэффициент диффузии D~1×10⁷ см²/ч, что характерно при диффузии элементов в железо в состоянии, близком к расплавлению. Наплавка по аналогичным режимам вольфрама на сталь У10 приводит дополнительно к образованию в поверхностном слое карбида типа Fe₃W₃C за счет диффузии углерода из основы. Таким образом было нанесено покрытие на основе вольфрама на отрезные резцы из стали У8.

При наплавке стали У10 порошком вольфрама образуется неравномерный слой с большой (до 300мкм) шероховатостью поверхности. Добавка к порошку вольфрама SiO₂ (объемная доля до 20%) приводит к получению слоя без пор и трещин, находящегося, однако, ниже уровня поверхности подложки. При этом микротвердость слоя повышается до 6000МПа. Структура такого слоя представляет твердый раствор вольфрама в железе с содержанием вольфрама до 15-25ат.% и интерметаллидов. При охлаждении зоны расплава в ней выделяются вольфрамиды железа Fe₇W₆, Fe₃W₂ и карбид Fe₃W₃C.

Добавка в состав наплавочной композиции из вольфрама и SiO₂ также и карбида бора (объемная доля до 10%) приводит к образованию слоя, расположенного над поверхностью подложки с высокой микротвердостью ~ 10000МПа (на поверхности). Увеличение содержания карбида бора в наплавочном составе до объемной доли 40% повышает микротвердость наплавленного слоя до 12000-13000МПа на поверхности и до 16000-18000МПа в переходной зоне к подложке. В структуре поверхностного слоя наблюдаются отдельные включения, микротвердость которых находится в пределах 23000-25000МПа. В отличие от покрытий, наплавляемых составом W-SiO₂, в которых формируется твердый раствор на основе железа, что свидетельствует о значительном расплавлении подложки и перемешивании с наплавленным материалом при наплавке составом W-SiO₂-B₄C, помимо твердого раствора железа в вольфраме (до 20 ат.% Fe), также образуются вольфрамиды железа(Fe₇W₆, Fe₃W₂) и частицы карбида Fe₃W₃C. В слоях, наплавленных составом с содержанием карбида бора объемной долей выше 15%, также образуется карбид бора, что обеспечивает существенное увеличение твердости наплавляемых покрытий.

Результатами исследований показана возможность сохранения карбида бора в расплавленной ванне благодаря кратковременности процесса наплавки, что дает основание вводить в состав наплавочных композиций карбидные соединения для придания требуемых свойств (твердости) наплавляемым покрытиям. Обработка наплавочного состава с содержанием карбида бора (20 ат.%) в более жестком режиме приводит к образованию слоя, не превышающего уровня поверхности образца с твердостью до 10 10³МПа. При этом карбиды бора в слое не образуются.

Хорошие наплавленные слои получаются при использовании самофлюсующегося порошка ПН73Х16СЗРЗ, который характеризуется высокой жидкотекучестью и не дает при кристаллизации пор и раковин.

После плавления порошок кристаллизуется с образованием твердого раствора железа и кремния в никеле и выделений интерметаллидов в виде прямоугольников, трапеций и игл, которые представляют собой карбиды хрома Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ и фазу Cr₃B₄.

Свойства наплавленного слоя зависят от дисперсности порошка и режима наплавки. Исходный размер частиц порошка оказывает существенное влияние на твердость формируемого слоя. При наплавке покрытия с использованием порошка 100-200 мкм микротвердость получаемого слоя на 4000МПа выше микротвердости слоя с использованием порошка 60-100 мкм. Твердость наплавляемого слоя зависит также от скорости обработки. Наплавка порошка с размером частиц 100-200 мкм с различной скоростью перемещения лазерного пучка приводит к получению слоя с микротвердостью 6500 и 3500МПа при скорости обработки 38 и 13 см/мин соответственно.

Наиболее существенное влияние на микротвердость формируемого покрытия при одном исходном составе порошка и размере частиц оказывает степень разбавления образующейся жидкой ванны материалом подложки. При невысокой скорости наплавки (13 см/мин) глубина зоны разбавления ванны железом (до 50 ат.%) достигает 80 мкм, тогда как глубина ванны разбавления железом при большей скорости наплавки (38 см/мин) не превышает 10 мкм. Слой, наплавленный со скоростью 38 см/мин, состоит из твердого раствора на основе никеля, никелида хрома Cr₂Ni и карбида хрома Cr₂₃C₆ При наплавке со скоростью 13 см/мин в формируемой структуре выявляются дендриты размером до 20 мкм с развитыми осями первого порядка. При этом слой состоит из насыщенного хромом и железом никеля и соединения Cr₂Ni. Предполагается, что перегрев расплава ведет к диссоциации соединений, входящих в состав порошка, и поэтому при небольшой скорости наплавки карбиды хрома в слое не выделяются. Кроме того, при этом происходит расплавление больших объемов материала наплавляемой поверхности, что приводит к обогащению наплавленного слоя материалом матрицы, в частности железом. Под наплавленным слоем при большей скорости обработки наблюдается структура повышенной микротвердости (до 8000МПа) мартенситного типа.

Отпуск покрытий в интервале температур 200-600^oС сначала снижает твердость, а затем ее увеличивает при повышенной температуре.

Наплавленные покрытия имеют высокую износостойкость в условиях трения скольжения. В частности, золотники, болты толкателя.имеют в 2,5 раза большую долговечность после наплавки по сравнению с поверхностно закаленными при нагреве ТВЧ. При действии циклических ударных нагрузок применение наплавок рабочей поверхности позволяет в 4 раза повысить ресурс таких деталей, как толкатель плунжера, корпус форсунки, перепускной клапан. Следует отметить, что износостойкость покрытий на основе порошка ПН73Х16СЗР3 снижается при попадании абразива в смазочный материал. Повышение сопротивления абразивному изнашиванию этих покрытий может быть достигнуто при добавлении в наплавляемый состав карбидных соединений.

Технология наплавки. Перед наплавкой детали промывают в водном растворе соды при температуре 50-60^оС и в проточной воде при 20^оС. Далее на поверхность наносится наплавочный состав по одной из двух технологий, описанных ранее.

Исследования показали, что наиболее обширная область технологических режимов наплавки (V = 20-40 см/мин, диаметр лазерного луча d = 3 мм) с получением покрытия хорошего качества наблюдается при работе с обмазкой толщиной 600 мкм.

Качество наплавленного покрытия оценивали по внешнему виду: по целостности слоя и неравномерности по ширине и высоте.

Наплавленный слой, отслаивающийся от подложки по всей длине «дорожки» или ее части, классифицировали баллом «плохо». Наплавленный и неотслаивающийся слой со значительными искажениями по ширине и высоте считали удовлетворительным.

При неравномерности слоя по ширине до 0,2 мм и по высоте до 0,1 мм покрытие получало оценку «хорошо». Очень хорошим считалось покрытие, у которого по всей длине колебание по высоте не превышало 0,05 мм, а по ширине -0,1 мм.

При толщине слоя обмазки 200 мкм оптимальные режимы наплавки соответствуют скорости перемещения луча 18 см/мин при диаметре светового пятна 2 мм и 14 см/мин при диаметре светового пятна 3 мм. Покрытия хорошего качества получаются при плотности мощности лазерного излучения 268Вт/см². При этом толщина наплавленного покрытия составляет 200 мкм для диаметра светового пятна 2 и 3 мм.

С увеличением толщины слоя обмазки расширяется область оптимальных режимов обработки.

Расчет энергозатрат на процесс наплавки позволил выявить тенденцию снижения плотности мощности лазерного излучения с увеличением толщины обмазки. Соотношение толщины слоя обмазки (мм) и необходимой для наплавки покрытия плотности мощности лазерного излучения (Вт/см²) имеет следующий вид: 0,2/268; 0,4/99-134; 0,6/66-119; 0,8/66-119. При равенстве энергозатрат на наплавку покрытий с толщиной обмазки 600 и 800 мкм следует отметить, что получаемые слои имеют неравномерность по толщине при работе с обмазкой 800 мкм. Так, неравномерность толщины свидетельствует о предельных энергетических возможностях используемого в работе лазера. Поэтому рекомендовано при наплавке с использованием СО₂-лазера мощностью излучения менее 1 кВт применять толщину обмазки ~600 мкм.

Для наплавки лазером непрерывного действия деталей цилиндрической формы с покрытием по всей поверхности в один проход получены эмпирические зависимости скорости наплавки (об/мин) от технологических параметров процесса:

w=(а d K s/ h) T

где а - коэффициент перекрытия; а = 0,6-0,8; d- эффективный размер лазерного пучка, см; K - коэффициент поглощения, К = 0,6-0,7; h - толщина обмазки, см; s - параметр подачи, об/мин; Т - общий поправочный коэффициент, учитывающий изменение теплофизических свойств обмазки и мощность излучения.

Таким образом, основными параметрами при подборе технологических режимов наплавки цилиндрических деталей являются: мощность излучения, величина рабочего лазерного пятна, скорость перемещения поверхности изделия относительно лазерного излучения и поглощательная способность поверхности.

Используя приведенную зависимость, можно подсчитать технологические режимы наплавки покрытий для деталей цилиндрической формы.

После наплавки проводится окончательное шлифование кругами из белого электрокорунда твердостью С2 и зернистостью 16-20. При этом достигается шероховатость поверхности Rа = 0,08-0,02 мкм. Твердость покрытия HRС 58-62.

Лазерная наплавка внедрена в производство для восстановления изношенных деталей автомобилей и тракторов с производительностью процесса до 40 тыс. деталей в год. В частности, восстанавливаются детали гидросистем тракторов (золотники и перепускные клапаны).

Дата добавления: 2014-01-04