稀土元素在熔覆层中的应用

稀土元素在熔覆层中的应用

作为表面硬化材料，fe-cr-ni-b-si是铁基自聚合材料。在温度和低于400c的温度下，其耐用性超过wc-ni、co基和其他铁基合金。铁基合金的激光熔覆与钴基合金、镍基合金、陶瓷类合金的激光熔覆相比性能更加优越,基体与熔覆层的材料接近,有益于界面的结合,且铁基合金的成本低得多。1设计方案1.1激光熔覆法本设计的目的是为了找到各种合金之间的最佳配比,优化经济方案和相应的激光熔覆工艺,获得较为平整的激光熔覆层表面,表面无氧化现象,有较好的润湿效果和适当的稀释率。试验熔覆层为无宏观裂纹和显微裂纹,熔覆层的耐磨组织硬度达到HRC58以上。1.2不同模型试样材料为工业上普遍应用的结构用钢Q235B。结合激光熔覆功率密度大的特点,考虑便于操作和截取试验试样,选择试样尺寸为40mm×30mm×10mm。1.3熔覆预制涂层激光器功率为180W(CO2激光器的最大输出功率为2kW),光斑直径为3mm,速度为14.3mm/s,熔覆预制涂层厚度为0.5mm,用氩气保护。1.4正交试验的设计合金系列的选择原则是尽量保证熔覆层的整体性能,有效防止裂纹,同时考虑熔覆合金的成本。所选合金系列为Fe-Cr-Ni-B-Si-RE。为保证试验效果,铁基合金粉末的含碳量稳定在0.7%左右。考虑到加强熔覆层的耐磨性与硬度,在合金系列中加入适量的B、Si、Cr。指标与水平的选择主要依据在生产活塞环、缸套、刀具、模具、阀体等合金材料中较常用而廉价的提高使用性能的合金化学成分与水平。为了增强合金熔覆层的韧性与综合性能,加入适量的稀土元素(RE)。依据正交设计思想,将B、Si、Cr、稀土作为调节因素,水平的选择按等差方式进行排列。采用(L9(34)四因素三水平)的正交试验,试验次数为9。各因素水平如下:w(B)=1.5%,3%,4.5%,w(Si)=2.5%,3.5%,4.5%,w(Cr)=13%,16.5%,20%,w(RE)=1%,3%,5%,w(Ni)=9%,w(C)=0.7%左右,余为Fe。2结果与分析2.1试样表面的成型试验采用水玻璃和纤维素2种材料作为激光熔敷层的粘结剂。试验结果表明,在激光熔覆中,采用纤维素作为粘结剂是比较好的。纤维素为粘结剂的激光熔覆,虽然有的试样存在少量氧化和飞溅现象,但大多数试样在表面成型上较理想。其氧化与飞溅的原因是,在熔池反应中纤维素参加了熔池金属的反应,而纤维素主要是由碳、氢等元素组成,在反应中不可避免地出现气体,气体外逸到熔池的表面聚集爆破而脱离熔池,破坏了熔池外的外加氩气保护气氛,同时也将熔池中的少部分液态金属溅出,在温度相对低得多的试样表面凝固,形成飞溅。据文献报道,粘结剂的重量占合金粉末重量的2%时,激光熔覆的表层质量较好,同时在涂覆预制层时,特别应注意压紧涂覆层,使涂覆层粘结致密,这些措施在一定的程度上可减少熔覆层的氧化和飞溅。2.2未改变的原因激光熔覆层成分检测的目的是为了了解激光熔覆过程中,在快速加热和快速冷却的情况下各种合金成分的变化规律,以及引起这种变化的原因。碳含量相对稳定在0.7%左右,用能谱分析仪对熔覆层的元素进行测量,所测各元素的成分范围与涂覆层的加入成分相近,说明稀释率很低,合金元素的过渡系数较高。2.3微胶结剂的种类对覆层硬度的影响硬度试验在HVS—1000型显微硬度计上进行,试验力为2.94N,试验力保持时间为20s,检测点间距为0.08mm。其中8、9号试样的熔覆层平均硬度超过了HV1000,可见铁基合金的激光熔覆使熔覆层的硬度达到很高的水平,而所采用的合金涂敷层的厚度只有0.5mm。这种高硬度且没有裂纹的熔覆层对于提高材料的耐磨性能是十分有效的。采用文献的公式将显微硬度换算成洛氏硬度,其洛氏硬度值见表1。换算所得的洛氏硬度值与通过查表所得洛氏硬度值之差均小于HRC2。从表1可以看出7、8、9号几个试样的洛氏硬度高达HRC68,达到试验预定目标HRC58的试样有3、7、8、9号。硬度试验的结果表明,在纤维素为粘结剂的Fe-Cr-Ni-B-Si-RE铁基合金的激光熔覆中,合金成分对硬度指标影响的显著程度是,B最显著,Si次之,稀土和Cr不显著。B之所以是最为显著的因素在于高硬度的Fe2B相的析出。2.4铁基合金的激光熔覆技术激光热处理工艺的特点是快速加热和快速冷却,熔池金属在很短的时间内凝固,因此激光熔覆层的组织是不平衡的。在铁基合金的激光熔覆中最典型的组织是马氏体和残余奥氏体。奥氏体转变与长大决定了组织的基本形貌,在液相熔池中首先形核并长大的是奥氏体,由于冷却速度快,过冷度大,奥氏体的形核率高。在激光熔覆中,熔池的维持时间短,奥氏体的形核基本上来不及长大就进入了马氏体转变区,所以得到的晶粒很细小,见图1、图2。3熔覆层最佳配方的确定(1)纤维素为粘结剂虽然存在少量飞溅和氧化的现象,但得到的表面成型较好,在稀土含量较高的试样中,表面质量较好。(2)在熔覆层得到的组织为马氏体和残余奥氏体,以8号和9号试样的组织为最好,