張春華, 趙超越, 譚 兵, 張 松, 陳 江
(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110870; 2. 沈陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司, 沈陽(yáng) 110136)
近年來(lái),利用激光熔化沉積技術(shù)直接成形金屬零件逐漸成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的研究方向[1-2].該項(xiàng)技術(shù)具有加工速度快、清潔度高、自動(dòng)化程度高、凝固速度快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金、高溫合金等激光增材成形零件制造中[3-5].低合金鋼具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌性,廣泛用于各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件,如齒輪、齒套、凸輪、花鍵軸、主軸、軸套、壓縮機(jī)等結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中[6].但低合金鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度較低,耐磨性較差,在使用中易磨損,從而導(dǎo)致零件使用壽命變短,為此加入適當(dāng)比例的合金元素,提高低合金鋼的耐磨性顯得尤為重要[7-8].核電應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸為12CrNi2低合金鋼,傳統(tǒng)制造工藝方法為鍛造,然后機(jī)械加工成形.El-Bitar等[9]研究發(fā)現(xiàn),利用控?zé)徨懺旒夹g(shù)加工低碳鋼,可使其硬度達(dá)到255 HV.迄今為止,激光熔化沉積技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,C是碳鋼及合金鋼中必備的合金化元素.C能與鋼中的Fe元素形成間隙固溶體,對(duì)基體起到固溶強(qiáng)化作用,還可以與鋼中的合金元素反應(yīng)形成碳化物,改變合金鋼的顯微組織,從而提高合金鋼的綜合力學(xué)性能[10-12].V是強(qiáng)碳化物形成元素,具有體心立方晶格,熔點(diǎn)高,延展性好,質(zhì)堅(jiān)硬,無(wú)磁性,可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化方式使合金鋼的顯微組織更加致密,進(jìn)一步提高合金鋼的韌性、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕等性能[13-14].
本文利用激光熔化沉積技術(shù)制備CrNiV系低合金鋼構(gòu)件,研究激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的組織和耐磨性,以期為核電應(yīng)急柴油機(jī)12CrNi2低合金鋼凸輪軸的制造和應(yīng)用開(kāi)辟新途徑.本文研究了C、V元素含量對(duì)激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼組織及性能的影響.12CrNi2低合金鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分為:w(C)=0.10~0.17,w(Si)=0.17~0.37,w(Mn)=0.30~0.60,w(Cr)=0.60~0.90,w(Ni)=1.50~1.90,余量為Fe.通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分,適當(dāng)增加C、V元素含量來(lái)提高CrNiV系合金鋼的硬度和耐磨性,從而設(shè)計(jì)出適用于激光增材制造凸輪軸的CrNiV系低合金鋼成分,為激光熔化沉積高性能合金鋼部件專用粉體材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ).
基板材料為35CrMo合金鋼,其尺寸為φ150 mm×15 mm.采用真空氣霧化方法制備低合金鋼粉末,粉末粒徑介于45~150 μm之間.表1為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼粉末的化學(xué)成分.利用YLS-6000光纖激光器進(jìn)行激光熔化沉積,保護(hù)氣為氬氣.激光熔化沉積工藝參數(shù)為:激光功率2 200 W,光斑直徑4 mm,送粉率11 g/min,掃描速度8 mm/s,掃描間距2 mm.將激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼構(gòu)件切割成尺寸為5 mm×5 mm×8 mm的樣品,取垂直于激光掃描方向的橫截面制成金相樣品.金相樣品經(jīng)研磨、拋光后,用4%硝酸酒精溶液約腐蝕10 s.采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)樣品顯微組織形貌、磨痕形貌及微區(qū)成分進(jìn)行分析.采用HVS-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)定激光熔化沉積低合金鋼樣品的顯微硬度,施加載荷為200 g,保載時(shí)間為10 s,每個(gè)樣品測(cè)量3次,然后計(jì)算其平均值作為最終結(jié)果.電子背散射衍射(EBSD)樣品采用機(jī)械研磨拋光法制得,機(jī)械研磨時(shí)間為2 h,之后利用超聲波清洗儀清洗1 min去除樣品表面污跡.采用MFT-4000型往復(fù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)激光熔化沉積低合金鋼樣品進(jìn)行球盤(pán)干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn).上摩擦副為直徑5 mm的GCr15球,法向載荷為10 N,磨損行程長(zhǎng)度為7 mm,滑動(dòng)速度為120 mm/min,磨損時(shí)間為60 min.采用KLA-Tencor Corporation Micro-XAM型白光干涉儀測(cè)試樣品的磨損體積.
表1 低合金鋼粉末化學(xué)成分(w)Tab.1 Chemical composition of low alloy steel powders (w) %
圖1為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微組織形貌,表2為各區(qū)域EDS分析結(jié)果.由圖1可見(jiàn),不同C含量沉積樣品的組織主要由枝晶和枝晶間共晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成,枝晶間存在由許多成群、近平行排列的板條組成的板條狀馬氏體,板條束往往呈現(xiàn)不規(guī)則形狀且板條束較為細(xì)小.隨著C含量的提高,沉積樣品的馬氏體板條發(fā)生細(xì)化,且馬氏體板條群中平行排列的同位向板條束尺寸逐漸減少,而不同方向排列的板條束增多.觀察圖1b、c可以發(fā)現(xiàn),隨著C含量的增加,板條間分布的彌散相增多,當(dāng)C含量增加至0.12%時(shí),板條馬氏體細(xì)化明顯;當(dāng)C含量增加至0.26%時(shí),板條馬氏體細(xì)化更加明顯,還可以觀察到一些碳化物顆粒.由表2可知,不同低合金鋼樣品的晶內(nèi)、晶界和馬氏體板條中組織均勻,且無(wú)明顯偏聚現(xiàn)象.這是由于液相凝固生成奧氏體后,激光熔化沉積過(guò)冷度較大,具有面心立方的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成體心立方的馬氏體,而馬氏體屬于切變共格無(wú)擴(kuò)散型相變,相變時(shí)不存在穿越晶界的原子,因而新相馬氏體承襲了母相的化學(xué)成分、原子序態(tài)和晶體缺陷.V元素不僅可以起到沉淀強(qiáng)化作用,而且也有利于過(guò)冷奧氏體的晶體細(xì)化.
圖1 低合金鋼顯微組織形貌Fig.1 Microstructural morphologies of low alloy steels
表2 低合金鋼各區(qū)域EDS分析結(jié)果(w)
圖2為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的XRD圖譜.由圖2可見(jiàn),3種樣品均具有體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe相(BCC相),隨著碳含量的增加,低合金鋼中出現(xiàn)了少量Cr23C6碳化物.這是由于激光熔化沉積工藝是一種快速熔化凝固過(guò)程,液態(tài)金屬冷卻速度較快,凝固所用時(shí)間較短,因而形成了鐵基過(guò)飽和固溶體馬氏體.1號(hào)樣品的碳含量較低,因而在XRD檢測(cè)結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)碳化物衍射峰的存在.隨著C元素含量的增加,在多次激光輻照條件下,熔池中的C元素與Cr元素反應(yīng)形成碳化物Cr23C6,并以細(xì)小彌散方式均勻分布在馬氏體中.因此,在2號(hào)和3號(hào)樣品的XRD圖譜中檢測(cè)到了Cr23C6碳化物.α-Fe相可以起到固溶強(qiáng)化作用,同時(shí)析出的碳化物或金屬間化合物會(huì)在基體中起到第二相強(qiáng)化效應(yīng),進(jìn)而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而能夠有效提升合金強(qiáng)度.
圖2 低合金鋼XRD圖譜Fig.2 XRD spectra of low alloy steels
圖3為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼晶粒尺寸分布圖.由圖3可知,隨著晶粒尺寸的增大,晶粒被測(cè)到的頻數(shù)值均顯著降低,低合金鋼的平均晶粒尺寸主要為2~3 μm.1、2、3號(hào)樣品的平均晶粒尺寸分別為2.73、2.54、2.4 μm.隨著碳含量由0.084%增加到0.26%,激光熔化沉積低合金鋼樣品的平均晶粒尺寸減小了12.1%.這是因?yàn)閂元素具有細(xì)化晶粒作用.另外,由于C和V元素都是擴(kuò)大過(guò)冷奧氏體區(qū)的元素,使得C曲線右移,Ms點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度)顯著降低,因而過(guò)冷奧氏體更加穩(wěn)定,進(jìn)而將Ms點(diǎn)推向更低的溫度,使得過(guò)冷奧氏體晶粒在馬氏體轉(zhuǎn)變之前尺寸更小,而馬氏體的形核部位為過(guò)冷奧氏體的晶界,且形核后垂直于晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng).因而過(guò)冷奧氏體晶粒尺寸越小,馬氏體板條也就越細(xì)小.此外,C元素可在鋼中形成間隙固溶體和碳化物,起到固溶強(qiáng)化和第二相析出強(qiáng)化作用.
圖4為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的平均顯微硬度.由圖4可見(jiàn),激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度隨著碳含量的增加而增加.結(jié)合XRD圖譜可知,1號(hào)樣品只存在C及合金元素的固溶強(qiáng)化作用,2、3號(hào)樣品中存在碳化物相Cr23C6,其強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化.因此,Cr23C6第二相有利于顯著提高2、3號(hào)樣品的顯微硬度.此外,與12CrNi2低合金鋼相比,CrNiV系低合金鋼增加了V元素,其主要作用是細(xì)化晶粒,進(jìn)而晶界變多,有效防止了位錯(cuò)和晶粒滑移.激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度隨著碳含量的增加而增加,可以認(rèn)為是固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化共同作用的結(jié)果[15].
圖3 低合金鋼晶粒尺寸分布Fig.3 Grain size distribution of low alloy steels
圖4 低合金鋼顯微硬度Fig.4 Mirohardness of low alloy steels
2.5.1 摩擦系數(shù)
圖5為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的摩擦系數(shù)曲線.由圖5可見(jiàn),磨損初期由于樣品表面光滑,粗糙度小,摩擦阻力小,導(dǎo)致摩擦系數(shù)較低;隨著磨損加重,樣品表面出現(xiàn)溝槽,對(duì)磨損起到了較大阻礙作用,導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高;進(jìn)入磨損平穩(wěn)期后,樣品表面粗糙度變化不大,故摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定.隨著碳含量的增加,激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的摩擦系數(shù)逐漸增大,經(jīng)計(jì)算1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)樣品的平均摩擦系數(shù)分別為0.196、0.515和0.632.這是因?yàn)樘己吭礁?,樣品硬度越高,材料越耐?此外,V元素的加入可使樣品的顯微組織更加細(xì)小致密,所以有利于耐磨性的提高.
圖5 低合金鋼摩擦系數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curves of low alloy steels
2.5.2 磨損機(jī)理
圖6為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼磨損樣品表面磨痕形貌,表3為低合金鋼磨痕區(qū)域EDS分析結(jié)果.結(jié)合圖6a和表3可知,A區(qū)域氧含量較高,達(dá)到21.91%,證明該區(qū)域發(fā)生了氧化磨損,B區(qū)域?qū)?yīng)氧化層剝落后露出的沉積態(tài)低合金鋼基材.因?yàn)榍驂K磨損屬于干摩擦磨損,這種磨損形式本身就會(huì)產(chǎn)生明顯升溫,從而導(dǎo)致磨損表面發(fā)生氧化,同時(shí)在上摩擦副的擠壓下,生成的氧化層很容易破碎并嵌入沉積態(tài)低合金鋼表面,對(duì)其表面造成切削并形成典型的犁溝形貌,加劇低合金鋼表面的磨損剝落,從而形成較深的磨痕深度.因此,1號(hào)樣品的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.結(jié)合圖6b和表3可知,C區(qū)域含有少量氧元素,說(shuō)明該區(qū)域處于輕微氧化狀態(tài),D區(qū)域氧含量相對(duì)較高,說(shuō)明該區(qū)域氧化較為嚴(yán)重.隨著C含量的升高,碳化物隨之析出,其對(duì)耐磨性具有一定影響,這是因?yàn)榇罅坑操|(zhì)相有利于提高磨料的耐磨性.在摩擦磨損過(guò)程中上摩擦副與2號(hào)樣品接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),使得低合金鋼表面溫度升高,促使低合金鋼表面發(fā)生氧化,形成了脆性較大的氧化層,在正應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用下氧化層破損并發(fā)生剝落,露出了氧化層內(nèi)部的沉積態(tài)低合金鋼,導(dǎo)致其受到了輕微氧化.結(jié)合圖6c和表3可知,磨損表面未見(jiàn)明顯塑性變形區(qū)和粘著坑,F(xiàn)區(qū)域有少量淺犁溝,而且存在少量的磨損剝落現(xiàn)象,故發(fā)生了磨粒磨損.E區(qū)域含氧較高,表明發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損.隨著C含量的升高,碳化物的存在對(duì)耐磨性具有一定影響.這是因?yàn)檠趸p程度往往取決于樣品表面抗塑性變形的能力,而材料的抗變形能力與其自身的硬度密切相關(guān).當(dāng)材料表面硬度增加時(shí),塑性變形量變小,氧化磨損程度減輕.大量硬質(zhì)相有利于提高材料的耐磨性.然而,碳化物的形成并不是提高耐磨性的唯一決定性因素.C、V元素的共同作用提高了材料的顯微硬度和韌性.
圖6 低合金鋼表面磨痕形貌Fig.6 Surface morphologies of wear scars of low alloy steels
表3 低合金鋼磨痕區(qū)域EDS分析結(jié)果(w)Tab.3 Results of EDS analysis in wear scar areas of low alloy steels (w) %
2.5.3 比磨損率
采用比磨損率比較激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼樣品的耐磨性,通常比磨損率越低,材料耐磨性越優(yōu)良.在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中比磨損率是衡量材料耐磨性的重要參數(shù),其表達(dá)式為
(1)
式中:V為樣品磨損體積;F為載荷;L為滑行距離.
圖7為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的比磨損率和顯微硬度柱狀圖.由圖7可見(jiàn),隨著碳含量的增加,激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的比磨損率降低,說(shuō)明低合金鋼的顯微硬度越高,其比磨損率越低,而耐磨損性越好.V元素的添加細(xì)化了晶粒,進(jìn)一步提高了激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度,使得其耐磨性得到進(jìn)一步改善.
圖7 低合金鋼比磨損率和顯微硬度Fig.7 Specific wear rate and microhardness of low alloy steels
圖8為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼磨痕的二維輪廓形貌.可以通過(guò)白光干涉儀測(cè)量出低合金鋼的磨損體積.由圖8可見(jiàn),1號(hào)樣品磨痕較深,磨痕寬度較寬,磨痕形貌明顯,其磨損體積為8.97×106μm3.2號(hào)樣品磨痕深度與1號(hào)樣品相近,磨痕寬度變窄,底部形貌變化趨于平緩,其磨損體積為4.06×106μm3.3號(hào)樣品磨痕深度較淺,磨痕寬度最窄,形貌變化趨勢(shì)較為平緩,其磨損體積為3.48×106μm3.3號(hào)樣品較1、2號(hào)樣品具有更多的C元素,故其磨損體積最小,耐磨性最好.綜上所述,激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼隨著C含量的增加,其耐磨性逐漸增強(qiáng),且磨損機(jī)理主要為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.
利用激光熔化沉積技術(shù)成功制備出激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼,并通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析得到如下結(jié)論:
圖8 低合金鋼磨痕二維輪廓Fig.8 2D profiles of wear scars on low alloy steels
1) 激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的主要組成相為馬氏體,隨著碳含量的增加,出現(xiàn)少量Cr23C6碳化物.
2) 隨著碳含量的增加,激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的Ms點(diǎn)降低,過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的晶粒減小,使得晶粒內(nèi)的馬氏體板條尺寸明顯細(xì)化.V元素的加入可以起到進(jìn)一步細(xì)化晶粒的作用.
3) 隨著碳含量的增加,激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的平均顯微硬度提高,磨損體積由8.97×106μm3減小到3.48×106μm3,耐磨性明顯提高.激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.