Optymalizacja parametrów procesu napawania laserowego powłoki na bazie niklu na powierzchni stali przekładni

Napęd zębaty jest szeroko stosowany w dziedzinie mechaniki ze względu na wysoką wydajność przekładni, dużą nośność, duży zakres mocy, długą żywotność i wiele innych zalet. Wraz ze wzrostem obciążenia użytkowego i prędkości obrotowej przekładni przekładnia jest podatna na złamania zębów, wżery, zużycie zębów, odkształcenia plastyczne zębów i sklejanie się zębów w procesie przenoszenia zazębienia przekładni, co poważnie wpływa na jej żywotność. Aby skutecznie przedłużyć żywotność przekładni zębatej, konieczna jest modyfikacja i wzmocnienie powierzchni zębów, aby poprawić nośność i działanie przeciwzmęczeniowe koła zębatego. W porównaniu z innymi technologiami modyfikacji powierzchni, technologia napawania laserowego dzięki krótkiemu cyklowi przetwarzania, wysokiej wydajności przetwarzania i niskim kosztom technicznym pozwala na przygotowanie wysokiej jakości powłok, poprawiając w ten sposób właściwości powierzchni części. Ze względu na duży gradient temperatur i bardzo dużą szybkość chłodzenia w procesie napawania laserowego, powłoka jest podatna na defekty takie jak pory i mikropęknięcia, które wpływają na właściwości mechaniczne powłoki, co ogranicza zastosowanie elementów napawania laserowego w pewnym stopniu. Dlatego też doskonalenie jakości powłok poprzez optymalizację parametrów procesu ma ogromne znaczenie dla upowszechnienia zastosowania technologii napawania laserowego w zakresie przygotowania powłok.

Powszechnie stosowane proszki do napawania laserowego to głównie stopy na bazie Fe, Ni i Co. Wśród różnych proszków okładzinowych szeroko badano proszki stopowe na bazie niklu w materiałach powłok laserowych ze względu na ich dobrą odporność na zużycie, odporność na korozję, zwilżalność i umiarkowaną cenę.

W tym artykule powłoka na bazie Ni na powierzchni stali przekładniowej 18CrNiMo7-6 została przygotowana przy użyciu technologii napawania laserowego. Do badania wpływu różnych parametrów procesu na mikrostrukturę powłoki zastosowano metodę pojedynczej zmiennej, a optymalne parametry procesu określono, przyjmując jako wskaźniki oceny makroskopową morfologię, mikrostrukturę i twardość powłoki. Wyniki badań mogą poszerzyć zakres zastosowań części zębów do naprawy proszkowej na bazie niklu i dostarczyć wskazówek technicznych dotyczących zastosowania i optymalizacji technologii napawania laserowego w materiałach przekładni w przyszłości.

1. Materiały i sprzęt do badań

Materiałem bazowym zastosowanym w teście jest stal przekładniowa 18CrNiMo7-6. 18CrNiMo7-6 to nawęglana stal konstrukcyjna stopowa zgodna z europejską normą EN10084, odpowiadająca krajowemu gatunkowi 17Cr2Ni2Mo. Po nawęglaniu, hartowaniu, odpuszczaniu w niskiej temperaturze i wykańczaniu stal ma doskonałą wytrzymałość, odporność na zużycie i właściwości udarowe i jest szeroko stosowana w energetyce wiatrowej, portach, reduktorach kopalni i przekładniach szybkich lokomotyw. Skład chemiczny stali 18CrNiMo7-6 przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Skład chemiczny stali przekładniowej 18CrNiMo7-6 (ułamek masowy,%)

W teście jako proszek okładzinowy zastosowano samotopliwy proszek stopowy NiCr20, a jego skład chemiczny pokazano w tabeli 2. Proszek NiCr20 ma dobrą samotopliwość, zwilżalność, odporność na zużycie, odporność na korozję i odporność na utlenianie i nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań zakres parametrów procesu napawania laserowego. Jako pomocniczy materiał okładzinowy w badaniu wybrano proszek ceramiczny ZrO2. Proszek ceramiczny ZrO2 ma zalety dobrej stabilności termicznej, odporności na zużycie w wysokiej temperaturze i odporności na korozję itp. Łatwo jest poddać hartowaniu z przejściem fazowym w napawaniu laserowym, aby wyeliminować pęknięcia naprężeniowe termiczne spowodowane przez nakładanie laserem i poprawić gęstość powłoki. Dlatego można go stosować do przygotowania powłoki odpornej na zużycie w wysokiej temperaturze. Proszki NiCr20 i ZrO2 użyte w badaniu przedstawiono na rysunku 1. Morfologia proszku stopu NiCr20 i proszku ceramicznego ZrO2 to kuliste cząstki o wielkości odpowiednio około 100 µm i 50 µm. Proszek NiCr20 i proszek ceramiczny ZrO2 zmieszano w stosunku masowym 48 ∶ 1 i wysuszono w celu wykorzystania jako proszek do napawania laserowego.

Tabela 2 Skład chemiczny proszku NiCr20 (ułamek masowy,%)

Ryc. 1 Morfologie proszków NiCr20(a) i ZrO2 (b)

Test napawania laserowego przeprowadzono na urządzeniu do napawania laserowego MLO{{0}}. Sprzęt do napawania laserowego składa się z dyszy do napawania laserowego, lasera, sześcioosiowego ramienia mechanicznego, układu podawania proszku, układu chłodzenia wodą i układu sterowania. Sprzęt do napawania laserowego wykorzystuje laser światłowodowy jako źródło emisji lasera, a dostępny zakres mocy wynosi 400 ~ 4000 W. W procesie napawania laserowego proszek jest wysyłany do wylotu proszku poprzez obrót proszku podajnika proszku, zakres prędkości taca na proszek wynosi 0 ~ 4 obr./min, a zakres wielkości cząstek wynosi 50 ~ 150 μm. Układ chłodzenia wodą zapewnia wodę chłodzącą laser i głowicę napawającą laser, aby zapewnić stałą temperaturę otoczenia podczas operacji testowej. Roztopiony basen zabezpieczono argonem o wysokiej czystości, aby uniknąć utleniania podczas całego testu.

Test napawania laserowego przeprowadzono na stali przekładniowej z płytą blokową. Kierunek skanowania laserowego przebiegał wzdłuż długiego boku płyty, a powłoka o długości około 20 mm została wtopiona w środku płyty. Zastosowano test jednoczynnikowy. Parametry testu to moc lasera 500 ~ 900 W, prędkość skanowania 2 ~ 8 mm/s, prędkość podawania proszku 8,8 ~ 13,2 g/min, natężenie przepływu argonu 4 L/min, średnica plamki φ4 mm, zdolność rozogniskowania 250 mm. Konkretne parametry procesu przedstawiono w tabeli 3, a każdą grupę badań powtarza się dwukrotnie.

Tabela 3 Parametry testowe jednokanałowego płaszcza laserowego

Po teście napawania laserowego przeprowadzono analizę metalograficzną powłoki, a następnie pocięto powłokę na sześcian o wymiarach 5 mm × 5 mm × 5 mm za pomocą maszyny do cięcia drutem, a odcinek powłoki poddano stopniowemu polerowaniu i polerowaniu. krok. Następnie do jej korozji stosuje się wodę królewską (stosunek objętościowy HCl do HNO3 wynosi 3 ∶ 1), a czas korozji wynosi około 2 min. Po obróbce metalograficznej za pomocą mikroskopu optycznego i lustra skaningowego obserwowano mikrostrukturę próbki profilu po korozji metalograficznej. Do pomiaru twardości profilu powłoki wraz z głębokością po teście napawania laserowego wykorzystano mikrotwardościomierz Vickersa. Badanie twardości profilu powłoki rozpoczyna się w odległości 50 μm od warstwy wierzchniej i obejmuje punkt pomiarowy co 100 μm wzdłuż kierunku głębokości, aż do uzyskania jednolitej twardości podłoża. Masę ładunku testowego ustalono na 500 g, a czas utrzymywania wynosił 10 s. Aby poprawić dokładność danych, twardość mierzy się trzykrotnie na tej samej głębokości każdego profilu stalowego przekładni i przyjmuje się średnią.

1. Wraz ze wzrostem mocy lasera wzrasta wysokość, szerokość topienia i głębokość topienia powłoki NiCr20-ZrO2. Wraz ze wzrostem prędkości skanowania zmniejsza się wysokość, szerokość i głębokość topnienia powłoki. Wraz ze wzrostem szybkości podawania proszku wzrasta wysokość topienia powłoki, szerokość topienia najpierw wzrasta, a następnie maleje, a głębokość topienia maleje.

2. Wraz ze wzrostem mocy lasera zmniejsza się zagęszczenie, zgrubienie i mikrotwardość mikrostruktury powłoki. Wraz ze wzrostem prędkości skanowania maleje gęstość mikrostruktury powłoki, zmniejsza się szorstkość mikrostruktury i mikrotwardość. Wraz ze wzrostem szybkości podawania proszku wzrasta gęstość mikrostruktury, rozdrobnienie mikrostruktury i mikrotwardość powłoki.

3. Przyjmując makroskopową morfologię, mikrostrukturę i mikrotwardość powłoki jako wskaźniki oceny, optymalne parametry procesu uzyskano: moc lasera 700 W, prędkość skanowania 2 mm/s, prędkość podawania proszku 11,1 g/min.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo specjalizujące się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży automatycznej maszyny do napawania laserowego, szybkiej maszyny do napawania laserowego, maszyny do hartowania laserowego, spawarki laserowej i laserowego sprzętu do drukowania 3D. Nasze produkty są tanie i sprzedawane w kraju i za granicą. Jeśli interesują Cię nasze produkty, skontaktuj się z nami pod adresem bob@gshenglaser.com.