球墨铸铁表面激光堆焊层组织和性能的研究.docx

球墨铸铁表面激光堆焊层组织和性能的研究骆芳, 方志民, 姚建华, 谢颂京, 孙东跃, 郑逸凡( 浙江工业大学 之江学院, 浙江 杭州 310024)摘要: 借助光学显微镜、扫瞄电子显微镜, 能谱仪对堆焊层显微组织及热影响区组织进行观察、分析, 得知堆焊层显微组织特征是树枝状的 v 8c 7 分布在 f en i 基体上, 热影响区组织为 细的莱氏体, 堆焊层与基体结合良好。 通过显微硬度计测试了堆一层的显微硬度为 9001 200, 堆两层的 hv 为 700 900, 堆焊层数增加, 裂纹倾向减少。关键词: 球墨铸铁; 激光堆焊; 显微组织; 性能; 裂纹中图分类号: t g456. 7文献标识码: a文章编号: 100624303 (2004) 0520603204study of m icro struc ture an d proper t ie s on ca st ironsurfa ce la ser over la y in gl u o f an g, fa n g zh i2m in , ya o j ian 2h u a, x ie so n g2jin g,su n d o n g2yao , zh en g y i2fan(zh ijiang co llege, zh e jiang u n ive r sity o f t ech no lo gy, h angzho u 310024, c h ina)a bstra c t: a la se r o ve r lay in g exp e r im en t w a s stu d ied o n ca st iro n su rface b y u sin g th e sp e2c ia l a llo y w ire. t h ro u gh o b se rv in g th e h ea ted affec ted zo n e b y op t ica l m ic ro 2cop e, sem , xrd , th e re su lt show s th a t th e den d r it ic v 8c 7 d ist r ib u te s o n f en i m a t r ix , an d th in lede2 b u r ite d ist r ib u te s o n th e h ea t2affec ted zo n e. t h e su rfac in g laye r h a s th e b e t te r m e ta llu rgy bo n d in g w ith m a t r ix. a f te r m ic ro h a rdn e ss te st, th e h a rdn e ss o f o n e su rfac in g laye r is 900 1 200 hv an d th a t tw o su rfac in g laye r s 700 900 hv. t h e stu dy re su lt s show th a t th et ren d o f c rack redu ce s w ith laye r in c rea sin g.key word s: ca st iro n; la se r o ve r lay in g; m ic ro st ru c tu re; p rop e r ty; c rack0引言铸铁在多种工程领域, 尤其是汽车工业中得到了极为广泛的应用, 特别是铸铁模具, 因磨损而报废的情况常有发生。 近年来, 铸铁激光堆焊工艺以其良好的冶金结合, 低的稀释率和低的工件变 形使之在工业生产上受到广泛的青睐。 对铸铁零部件, 激光快速凝固作用使晶粒细化, 堆焊层易获 得更高硬度的耐磨组织, 从而使表面耐磨性得到改善1, 2 , 但相应带来堆焊层裂纹问题3 。 本文以灰 铸铁为基体, 研究激光送丝堆焊过程中的搭接系数、堆焊层数和激光工艺参数等对组织性能的影响。收稿日期: 2003212215; 修订日期: 2004204228作者简介: 骆 芳 ( 1966- ) , 女, 浙江义乌人, 讲师, 主要从事材料研究。浙 江 工 业 大 学 学 报第 32 卷1实验部分基体材料选用 q t 50027, 用专用合金焊丝进行搭接堆焊处理。编号为 1, 2, 3, 4, 采用 co 2 激光器, 氩气保护, 输出功率为 2 3. 5 kw , 送丝速度为 0. 1 0. 5 m m in , 光斑直径为 5 mm , 利用光学 显微镜和 hd x 21000 数字式显微硬度计测试堆焊层硬度。利用 h itach is24700 场发射扫描电子显微镜观察堆焊层横断面微观组织, 用 t h e rm o a r l2sc in ta gx t ra x 射线衍射仪和 t h e rm o n o ranv a n ta ge 2e s i 能谱分析堆焊层物相组成。试样堆焊层位置如表 1 所示, 尺寸为 100 mm 40 mm9 mm 。表 1试样堆焊层位置序号搭接量%层数裂纹1181有有 有无236134514502图 1多层堆焊截面示意图2 结果与讨论2. 1搭接量对组织裂纹倾向的影响大量实验表明, 裂纹是影响激光堆焊层质量的主要缺陷。在激光堆焊中, 输入基体的能量极少,一般不致引起基体变形, 堆焊后残余应力相对较小。 因此, 由残余应力引起冷裂纹的情况极少。 堆 焊层出现裂纹主要由上述的凝固裂纹和高温低塑性裂纹形成, 影响堆焊层裂纹形成的因素极其复杂。激光堆焊裂纹产生的充分条件是热应力的作用, 即: 物体当受到激光辅照时, 材料表面或一定深度内吸收光能而转化的能量以热传导形式向内部扩散, 引起材料内部的非均匀温度场。在激光加热 引起的非均匀温度场和变形约束作用下, 材料或构件中产生热应力3 。加之基体为灰铸铁与堆焊层焊丝的膨胀系数不一致, 由膨胀系数与金属熔点的经验公式可知:t m =b (其中: 为线膨胀系数;3 m 为金属熔点; b 为常数) 熔点高, 膨胀系数小; 同时, 膨胀系数与纯金属硬度也有一定的关系。金属本身硬度越高, 膨胀系数就越小。膨胀系数铸铁为 10. 5 10- 6 12 10- 6 l , 碳化钨为 619 10- 6 l , 碳化钒为 6. 8 10- 6 l 4 。由于膨胀系数不一致, 使其相互牵制, 形成熔凝层热 应力, 通常为拉应力。 当局部应力超过材料的强度极限时, 就会产生裂纹。 另外前三个试样搭接数 不断增加, 堆焊层数为一层时, 三组试样又相互影响, 致使应力增加, 裂纹也不断加大如图 2。 从图3, 图 4 中可以看出, 随着搭接数的增加, 枝晶分布量增加, 表明激光多道加热, 枝晶析出量增加。4# 未发生裂纹是由于第一层堆焊起到了预热作用, 降低了堆焊层由里及表的温度梯度, 也缓 解了堆焊层的冷却速度, 从而防止凝固过程中的热裂倾向。 同时, 第一次扫描后出现的微裂纹在第 二次扫描后有利于重新弥合, 这对均匀组织成份、排出杂质、平整表面、消除缺陷有一定作用。2. 2 堆焊层组织堆焊层的组织如图 5 所示, 通过 x 2衍射图 6 和元素浓度分布图 7、扫描电镜, 可以推断出堆焊 层处枝晶是由 v 8c 7 组成, 基体是 f en i, 这是由焊丝中的化学成分所决定的。 当进行激光堆焊时,v , c 等化学元素发生化学反应, 生成碳化物。 这些碳化物可阻止 a 晶粒长大, 更好的发挥第二相604第 5 期骆 芳, 等: 球墨铸铁表面激光堆焊层组织和性能的研究图 2q t 专用焊丝堆焊裂纹 110图 3q t 专用焊丝堆焊搭 18% 440图 4q t 专用焊丝堆焊搭 45% 440强化和细晶强化作用, 并可提高耐回火性和耐磨性。图 8 为二层堆焊层热影响区组织。它比其他堆焊方式得到更细的组织结构,并且结合面也比较平坦, 在基体与堆焊层过渡区呈现出柱状和 树枝状的晶体结构。在堆焊结晶过程的散热包括两个方面, 即堆 焊熔池向空间的高温辐射和通过基体材料的热传导。 由于堆焊 熔池小, 基体材料较大, 基体对熔池的冷却速度非常快, 因此晶 体生长相当于定向凝固, 导致堆焊层结晶时柱状晶很发达, 同时在熔池沿散热方向相反处生长出柱状晶。 堆焊层底部属于典型 的平面生长组织, 且枝晶组织粗大; 而堆焊层顶部是较规则的树 枝状共晶组织且枝晶细小5 , 当堆焊多层时就形成了柱状晶体 与树枝状晶体交替出现, 有利于增加堆焊层的结合强度。 同时, 由图 9 可以看出堆焊层与基体结合良好。图 5堆焊层的组织图 6堆焊层 x 2衍射2. 3堆焊层硬度分析激光堆焊一层平均硬度 hv 为 1 064, 二层平均硬度 hv 为 904. 55; 堆焊层硬度基本均匀。 由 图 10, 图 11 可以看出, 随堆焊层数、搭接数增加, 堆焊层硬度变化不大, 对两层的堆焊层进行硬度测试纵向硬度曲线如图 13 可以看出, 在两层的交接处, 硬度有所下降, 说明在多层堆焊时, 后层对605浙 江 工 业 大 学 学 报第 32 卷前层相当于进行了回火。 同时, 从堆焊层到基体曲线比单层的稍显平缓如图 12, 图 13, 这也是不产生裂纹的原因之一。 强化主要原因是 f en i 基上分布 v 8c 7 细枝晶。 多层堆焊时, 由于加热时间延 长, 冷却速度相对减缓, 硬度有所下降。图 7堆焊层的元素浓度分布图 8热影响区的组织图 9堆焊层热影响区的组织图 10层数与平均硬度的关系图 11搭接数与平均硬度的关系图 12专用焊丝堆一层 (搭 45% )专用焊丝堆二层 (搭 45% )图 13(下转第 610 页)606浙 江 工 业 大 学 学 报第 32 卷2k ) 2 (1 , 2 ) d 1| y 1| t12 r re2i| 1|ry 1 5 (5tp t 3d 2 dy 1 2| y 1| t12 r r|5t1 p t1 (1 ) r 52 5t2 p t2 (2 ) r m (1 , 2 ) d 1 | d 2 dy 1 2c| y | t 2 t1- 4 - 4- 3 - 1t2 c t1 t21 11 t1 t2 d t1 d t2 1 1 1f (y ) | 2 r可得00 ?| x - y | t 2 | 5tp t 3dy2 3 3| x 2 - y 2 | 20| x 2- y | t 22 2 (| x 1- y 1| t222rn jd tdytj(3cb(r 2 ) 2 | 7 t 3 f y | r( )2= cb r g 7 , f ) (x ) ) 2(t2tj + | x j - y |j+j = 1综合以上估计可得: (g 7 , l (t m f ) (x ) ) 2 c n, b r (g 3 , (f ) (x ) ) 2 , 因而引理 1 得证。7致谢: 作者感谢陈杰诚教授的指导!参考文献:h om ande r. e st im a te s fo r t ran sla t io n inva r ian t op e ra to r s in l p sp ace j . a c ta m a th , 1960, 104: 932139.m ih lin. o n th e m u lt ip lie r s o f fo u r ie r in teg ra ls (r u ssian ) j . d o k a k ad n auk , 1956, 109: 7012703.b enedek , c a lde rn a p , p anzo ne r. co nvo lu t io n op e ra to r s o n banach sp ace va lued func t io n s j . p so c n a t a cad sc i, 1962,48: 3562365.s te in. s ingu la r in teg ra ls and d iffe ren t iab ility p rop e r t ie s o f func t io n m . n ew j e r sey: p r ince to n u n iv p re ss, 1970.(责任编辑: 陈石平)1234(上接第 606 页)结论3( 1) 多层堆焊时由于形成了柱状晶体与树枝状晶体交替出现, 利于提高组织均匀性, 减少偏聚, 显微组织特征是树枝状 v 8c 7 分布在 f en i 基体上。(2) 堆焊的搭接数对合金焊丝硬度影响不大。随着堆焊层数的增加, 裂纹倾向减少, 硬度下降,单层堆焊平均硬度 hv 为 900 1 200, 二层平均硬度 hv 为 700 900。 利用专用合金焊丝对 q t表面进行堆焊, 裂纹发生的几率与堆焊层层数有关。参考文献:l uan j infe i. m ic ro st ruc tu re and w ea r re sistance o f duc t ile ca st iro n la se r c lad w ith n i2t i2co 2c j . m a te r sc ience t ech no lo 2gy, 1999, 15 ( 3) : 2222224.t o