Ottimizzazione dei parametri di processo del rivestimento laser a base di nichel sulla superficie dell'acciaio degli ingranaggi

La trasmissione a ingranaggi è ampiamente utilizzata nel campo meccanico grazie all'elevata efficienza di trasmissione, all'elevata capacità portante, all'ampio intervallo di potenza, alla lunga durata e a molti altri vantaggi. Con l'aumento del carico di servizio e della velocità di funzionamento degli ingranaggi, il sistema di ingranaggi è soggetto a rottura dei denti, vaiolatura dei denti, usura dei denti, deformazione plastica dei denti e incollaggio dei denti nel processo di trasmissione dell'ingranaggio, il che influisce gravemente sulla sua durata. Per prolungare efficacemente la durata del sistema di trasmissione ad ingranaggi, è necessario modificare e rafforzare la superficie del dente per migliorare la capacità portante e le prestazioni anti-fatica della ruota dentata. Rispetto ad altre tecnologie di modificazione della superficie, la tecnologia di rivestimento laser con il suo breve ciclo di lavorazione, l'elevata efficienza di lavorazione e i vantaggi tecnici a basso costo, può preparare rivestimenti di alta qualità, migliorando così le proprietà superficiali delle parti. A causa del gradiente di temperatura elevato e della velocità di raffreddamento molto rapida nel processo di rivestimento laser, il rivestimento è soggetto a difetti come pori e microfessure, che incidono sulle proprietà meccaniche del rivestimento, limitando l'applicazione delle parti del rivestimento laser in una certa misura. Pertanto, migliorare la qualità del rivestimento ottimizzando i parametri del processo è di grande importanza per promuovere l’applicazione della tecnologia di rivestimento laser nel campo della preparazione del rivestimento.

Le polveri di rivestimento laser comunemente utilizzate sono principalmente leghe a base di Fe, Ni e Co. Tra le diverse polveri di rivestimento, le polveri di leghe a base di Ni sono state ampiamente studiate nei materiali di rivestimento laser per la loro buona resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, bagnabilità e prezzo moderato.

In questo articolo, il rivestimento a base di Ni sulla superficie dell'acciaio per ingranaggi 18CrNiMo7-6 è stato preparato mediante tecnologia di rivestimento laser. Il metodo a variabile singola è stato utilizzato per studiare l'effetto di diversi parametri di processo sulla microstruttura del rivestimento e i parametri di processo ottimali sono stati determinati prendendo come indici di valutazione la morfologia macroscopica, la microstruttura e la durezza del rivestimento. I risultati della ricerca possono ampliare la gamma di applicazioni delle parti dei denti per la riparazione di polvere a base di Ni e fornire una guida tecnica per l’applicazione e l’ottimizzazione della tecnologia di rivestimento laser nei materiali degli ingranaggi in futuro.

1. Testare materiali e attrezzature

Il materiale di base utilizzato nel test è l'acciaio per ingranaggi 18CrNiMo7-6. 18CrNiMo7-6 è l'acciaio strutturale legato carburato standard europeo EN10084, corrispondente al grado domestico 17Cr2Ni2Mo. Dopo la cementazione, la tempra, il rinvenimento a bassa temperatura e la finitura, l'acciaio ha eccellenti proprietà di resistenza, resistenza all'usura e agli urti ed è ampiamente utilizzato nell'energia eolica, portuale, nei riduttori delle miniere e negli ingranaggi delle locomotive ad alta velocità. La composizione chimica dell'acciaio 18CrNiMo7-6 è mostrata nella Tabella 1.

Tabella 1 Composizione chimica dell'acciaio per ingranaggi 18CrNiMo7-6 (frazione di massa,%)

La polvere di lega autofusibile NiCr20 è stata utilizzata come polvere di rivestimento nel test e la sua composizione chimica è stata mostrata nella Tabella 2. La polvere NiCr20 ha una buona autofusione, bagnabilità, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione ed è adatta per un'ampia gamma di parametri del processo di rivestimento laser. Come materiale di rivestimento ausiliario nel test è stata selezionata la polvere ceramica ZrO2. La polvere ceramica ZrO2 presenta i vantaggi di una buona stabilità termica, resistenza all'usura alle alte temperature e resistenza alla corrosione, ecc. È facile sottoporsi all'indurimento della transizione di fase nel rivestimento laser per eliminare le crepe da stress termico causate dal rivestimento laser e migliorare la densità del rivestimento. Pertanto, può essere utilizzato per preparare rivestimenti resistenti all'usura ad alta temperatura. Le polveri NiCr20 e ZrO2 utilizzate nel test sono mostrate nella Figura 1. La morfologia della polvere di lega NiCr20 e della polvere ceramica ZrO2 sono particelle sferiche con dimensioni delle particelle di circa 100μm e 50μm, rispettivamente. La polvere NiCr20 e la polvere ceramica ZrO2 sono state miscelate secondo il rapporto di massa di 48 ∶ 1 ed essiccate per essere utilizzate come polvere di rivestimento laser.

Tabella 2 Composizione chimica della polvere NiCr20 (frazione di massa,%)

Fig．1 Morfologie delle polveri NiCr20(a) e ZrO2 (b)

Il test del rivestimento laser è stato eseguito sull'apparecchiatura di rivestimento laser MLO{{0}}. L'attrezzatura per il rivestimento laser è costituita da un ugello per rivestimento laser, un laser, un braccio meccanico a sei assi, un sistema di alimentazione della polvere, un sistema di raffreddamento ad acqua e un sistema di controllo. L'apparecchiatura di rivestimento laser utilizza il laser a fibra come sorgente di emissione laser e la gamma di potenza disponibile è 400 ~ 4000 W. Nel processo di rivestimento laser, la polvere viene inviata all'uscita della polvere attraverso la rotazione della polvere dell'alimentatore polvere, l'intervallo di velocità di il vassoio della polvere è 0 ~ 4 giri/min e l'intervallo di dimensioni delle particelle è 50 ~ 150 μm. Il sistema di raffreddamento ad acqua fornisce acqua di raffreddamento per il laser e la testa di rivestimento del laser per garantire un ambiente a temperatura costante durante l'operazione di prova. Il bagno fuso è stato protetto con argon ad elevata purezza per evitare l'ossidazione durante l'intero test.

Il test di rivestimento laser è stato effettuato su acciaio per ingranaggi con piastra di blocco. La direzione della scansione laser era lungo il lato lungo della piastra e la lunghezza del rivestimento di circa 20 mm era fusa al centro della piastra. È stato utilizzato il test a fattore singolo. I parametri del test erano potenza laser 500 ~ 900 W, velocità di scansione 2 ~ 8 mm/s, velocità di alimentazione polvere 8,8 ~ 13,2 g/min, portata argon 4 L/min, diametro dello spot φ4 mm, capacità di defocalizzazione 250 mm. I parametri di processo specifici sono mostrati nella Tabella 3 e ciascun gruppo di test viene ripetuto due volte.

Tabella 3 Parametri di prova del rivestimento laser a canale singolo

Dopo il test di rivestimento laser, è stata eseguita l'analisi metallografica del rivestimento e il rivestimento è stato tagliato in un cubo di 5 mm × 5 mm × 5 mm mediante una macchina per taglio a filo e la sezione del rivestimento è stata lucidata e lucidata passo dopo passo fare un passo. Quindi, per corroderlo viene utilizzata acqua regia (il rapporto in volume tra HCl e HNO3 è 3 ∶ 1) e il tempo di corrosione è di circa 2 minuti. Dopo il trattamento metallografico, sono stati utilizzati il ​​microscopio ottico e lo specchio di scansione per osservare la microstruttura del campione di profilo dopo la corrosione metallografica. Il tester di microdurezza Vickers è stato utilizzato per misurare la durezza del profilo del rivestimento con profondità dopo il test di rivestimento laser. Il test di durezza del profilo del rivestimento inizia a 50μm di distanza dallo strato superficiale e prende un punto di prova ogni 100μm lungo la direzione della profondità fino a quando non viene misurata la durezza uniforme del substrato. Il peso del carico di prova è impostato su 500 g e il tempo di mantenimento è di 10 s. Per migliorare la precisione dei dati, la durezza viene misurata 3 volte nella stessa area di profondità di ciascun profilo di acciaio dell'ingranaggio e viene presa la media.

1. Con l'aumento della potenza del laser, aumentano l'altezza di fusione, la larghezza di fusione e la profondità di fusione del rivestimento NiCr20-ZrO2. Con l'aumento della velocità di scansione, l'altezza di fusione, la larghezza e la profondità del rivestimento diminuiscono. Con l'aumento della velocità di alimentazione della polvere, l'altezza di fusione del rivestimento aumenta, l'ampiezza di fusione prima aumenta e poi diminuisce e la profondità di fusione diminuisce.

2. Con l'aumento della potenza del laser, diminuiscono la densificazione, l'ingrossamento e la microdurezza della microstruttura del rivestimento. Con l'aumento della velocità di scansione diminuisce la densità della microstruttura del rivestimento, diminuiscono la ruvidità della microstruttura e la microdurezza. Con l'aumento della velocità di alimentazione della polvere, aumentano la densità della microstruttura, il raffinamento della microstruttura e la microdurezza del rivestimento.

3. Prendendo come indici di valutazione la morfologia macroscopica, la microstruttura e la microdurezza del rivestimento, i parametri di processo ottimali sono stati ottenuti come segue: potenza laser 700 W, velocità di scansione 2 mm/s, velocità di alimentazione polvere 11,1 g/min.

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