Βελτιστοποίηση παραμέτρων διεργασίας επένδυσης λέιζερ επίστρωσης με βάση το Ni σε επιφάνεια από χάλυβα γραναζιών

Ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης χρησιμοποιείται ευρέως στον μηχανικό τομέα λόγω της υψηλής απόδοσης μετάδοσης, της υψηλής φέρουσας ικανότητας, του μεγάλου εύρους ισχύος, της μεγάλης διάρκειας ζωής και πολλών άλλων πλεονεκτημάτων. Με την αύξηση του φορτίου σέρβις και της ταχύτητας λειτουργίας του γραναζιού, το σύστημα μετάδοσης είναι επιρρεπές σε σπάσιμο των δοντιών, τρύπημα των δοντιών, φθορά των δοντιών, πλαστική παραμόρφωση δοντιών και κόλληση δοντιών κατά τη διαδικασία μετάδοσης πλέγματος γραναζιών, γεγονός που επηρεάζει σοβαρά τη διάρκεια ζωής του. Προκειμένου να παραταθεί αποτελεσματικά η διάρκεια ζωής του συστήματος μετάδοσης γραναζιών, είναι απαραίτητο να τροποποιηθεί και να ενισχυθεί η επιφάνεια των δοντιών για να βελτιωθεί η φέρουσα ικανότητα και η απόδοση κατά της κόπωσης του γραναζιού. Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες τροποποίησης επιφάνειας, η τεχνολογία επένδυσης λέιζερ με τον σύντομο κύκλο επεξεργασίας, την υψηλή απόδοση επεξεργασίας και τα χαμηλού κόστους τεχνικά πλεονεκτήματα, μπορεί να προετοιμάσει επιστρώσεις υψηλής ποιότητας, βελτιώνοντας έτσι τις επιφανειακές ιδιότητες των εξαρτημάτων. Λόγω της κλίσης υψηλής θερμοκρασίας και του πολύ γρήγορου ρυθμού ψύξης στη διαδικασία της επένδυσης με λέιζερ, η επίστρωση είναι επιρρεπής σε ελαττώματα όπως πόροι και μικρορωγμές, που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες της επίστρωσης, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή εξαρτημάτων επένδυσης λέιζερ σε έναν ορισμένο βαθμό. Ως εκ τούτου, η βελτίωση της ποιότητας της επίστρωσης με τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας είναι μεγάλης σημασίας για την προώθηση της εφαρμογής της τεχνολογίας επένδυσης λέιζερ στον τομέα της προετοιμασίας επίστρωσης.

Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες σκόνες επένδυσης λέιζερ είναι κυρίως κράματα με βάση το Fe-, Ni- και Co. Μεταξύ των διαφορετικών σκονών επένδυσης, οι σκόνες κραμάτων με βάση το Ni έχουν μελετηθεί ευρέως σε υλικά επένδυσης λέιζερ λόγω της καλής αντοχής στη φθορά, της αντοχής στη διάβρωση, της διαβρεξιμότητας και της μέτριας τιμής τους.

Σε αυτό το έγγραφο, η επίστρωση με βάση το Ni στην επιφάνεια του χάλυβα γραναζιών 18CrNiMo7-6 παρασκευάστηκε με τεχνολογία επένδυσης λέιζερ. Η μέθοδος της απλής μεταβλητής χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων διεργασίας στη μικροδομή της επικάλυψης και οι βέλτιστες παράμετροι διεργασίας καθορίστηκαν λαμβάνοντας ως δείκτες αξιολόγησης τη μακροσκοπική μορφολογία, τη μικροδομή και τη σκληρότητα της επικάλυψης. Τα αποτελέσματα της έρευνας μπορούν να επεκτείνουν το φάσμα εφαρμογών των εξαρτημάτων επισκευής δοντιών με βάση το Ni και να παρέχουν τεχνική καθοδήγηση για την εφαρμογή και τη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας επένδυσης λέιζερ σε υλικά γραναζιών στο μέλλον.

1. Υλικά και εξοπλισμός δοκιμής

Το υλικό βάσης που χρησιμοποιήθηκε στη δοκιμή είναι χάλυβας γραναζιών 18CrNiMo7-6. Το 18CrNiMo7-6 είναι το ευρωπαϊκό πρότυπο EN10084 ενανθρακωμένο κράμα δομικού χάλυβα, που αντιστοιχεί στον εγχώριο τύπο 17Cr2Ni2Mo. Μετά την ενανθράκωση, το σβήσιμο, τη σκλήρυνση και το φινίρισμα σε χαμηλή θερμοκρασία, ο χάλυβας έχει εξαιρετική αντοχή, αντοχή στη φθορά και ιδιότητες κρούσης και χρησιμοποιείται ευρέως στην αιολική ενέργεια, το λιμάνι, τον μειωτήρα ορυχείων και τον εξοπλισμό ατμομηχανών υψηλής ταχύτητας. Η χημική σύνθεση του χάλυβα 18CrNiMo7-6 φαίνεται στον Πίνακα 1.

Πίνακας 1 Χημική σύνθεση του χάλυβα γραναζιών 18CrNiMo7-6 (κλάσμα μάζας ,%)

Ως σκόνη επένδυσης χρησιμοποιήθηκε αυτοτήκιμο κράμα NiCr20 στη δοκιμή και η χημική της σύνθεση παρουσιάστηκε στον Πίνακα 2. Η σκόνη NiCr20 έχει καλή αυτοτήξη, διαβρεξιμότητα, αντοχή στη φθορά, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στην οξείδωση και είναι κατάλληλη για ευρεία εύρος παραμέτρων διαδικασίας επένδυσης λέιζερ. Η κεραμική σκόνη ZrO2 επιλέχθηκε ως το βοηθητικό υλικό επένδυσης στη δοκιμή. Η κεραμική σκόνη ZrO2 έχει τα πλεονεκτήματα της καλής θερμικής σταθερότητας, της αντοχής στη φθορά σε υψηλή θερμοκρασία και της αντοχής στη διάβρωση κ.λπ. Είναι εύκολο να υποβληθεί σε σκλήρυνση μετάβασης φάσης στην επένδυση λέιζερ για την εξάλειψη των ρωγμών θερμικής καταπόνησης που προκαλούνται από την επένδυση λέιζερ και τη βελτίωση της πυκνότητας της επίστρωσης. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προετοιμασία ανθεκτικής στη φθορά επίστρωσης σε υψηλή θερμοκρασία. Οι σκόνες NiCr20 και ZrO2 που χρησιμοποιούνται στη δοκιμή φαίνονται στο Σχήμα 1. Η μορφολογία της σκόνης κράματος NiCr20 και της σκόνης κεραμικής ZrO2 είναι σφαιρικά σωματίδια με μεγέθη σωματιδίων περίπου 100μm και 50μm, αντίστοιχα. Η σκόνη NiCr20 και η κεραμική σκόνη ZrO2 αναμίχθηκαν σύμφωνα με την αναλογία μάζας 48 ∶ 1 και ξηράνθηκαν για να χρησιμοποιηθούν ως σκόνη επένδυσης λέιζερ.

Πίνακας 2 Χημική σύνθεση της σκόνης NiCr20 (κλάσμα μάζας ,%)

Εικ. 1 Μορφολογίες των σκονών NiCr20(a) και ZrO2 (b)

Η δοκιμή επένδυσης λέιζερ πραγματοποιήθηκε στον εξοπλισμό επένδυσης λέιζερ MLO{{0}}. Ο εξοπλισμός επένδυσης λέιζερ αποτελείται από ένα ακροφύσιο επένδυσης λέιζερ, ένα λέιζερ, έναν μηχανικό βραχίονα έξι αξόνων, ένα σύστημα τροφοδοσίας σκόνης, ένα σύστημα ψύξης νερού και ένα σύστημα ελέγχου. Ο εξοπλισμός επένδυσης λέιζερ χρησιμοποιεί λέιζερ ινών ως πηγή εκπομπής λέιζερ και το διαθέσιμο εύρος ισχύος είναι 400 ~ 4000 W. Στη διαδικασία της επένδυσης λέιζερ, η σκόνη αποστέλλεται στην έξοδο σκόνης μέσω της περιστροφής σκόνης τροφοδότη σκόνης, το εύρος ταχύτητας ο δίσκος σκόνης είναι 0 ~ 4 r/min και το εύρος μεγέθους σωματιδίων είναι 50 ~ 150 μm. Το σύστημα ψύξης νερού παρέχει νερό ψύξης για το λέιζερ και την κεφαλή επένδυσης λέιζερ για να εξασφαλίσει ένα περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής λειτουργίας. Η λιωμένη δεξαμενή προστατεύτηκε με αργό υψηλής καθαρότητας για να αποφευχθεί η οξείδωση κατά τη διάρκεια ολόκληρης της δοκιμής.

Η δοκιμή επένδυσης με λέιζερ πραγματοποιήθηκε σε χάλυβα οδοντωτών οδοντωτών πλακών μπλοκ. Η κατεύθυνση σάρωσης με λέιζερ ήταν κατά μήκος της μεγάλης πλευράς της πλάκας και το μήκος της επίστρωσης περίπου 20 mm συντήχθηκε στο κέντρο της πλάκας. Χρησιμοποιήθηκε δοκιμή ενός παράγοντα. Οι παράμετροι δοκιμής ήταν ισχύς λέιζερ 500 ~ 900 W, ταχύτητα σάρωσης 2 ~ 8 mm/s, ρυθμός τροφοδοσίας σκόνης 8,8 ~ 13,2 g/min, ταχύτητα ροής αργού 4 L/min, διάμετρος κηλίδας φ4 mm, ικανότητα αποεστίασης 250 mm. Οι συγκεκριμένες παράμετροι διαδικασίας φαίνονται στον Πίνακα 3 και κάθε ομάδα δοκιμών επαναλαμβάνεται δύο φορές.

Πίνακας 3 Παράμετροι δοκιμής επένδυσης λέιζερ μονού καναλιού

Μετά τη δοκιμή επένδυσης με λέιζερ, πραγματοποιήθηκε μεταλλογραφική ανάλυση της επικάλυψης και η επίστρωση κόπηκε σε κύβο 5 mm × 5 mm × 5 mm από μια μηχανή κοπής σύρματος και το τμήμα της επικάλυψης γυαλίστηκε και στιλβώθηκε σταδιακά βήμα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται aqua regia (ο λόγος όγκου HCl προς HNO3 είναι 3 ∶ 1) για τη διάβρωση και ο χρόνος διάβρωσης είναι περίπου 2 λεπτά. Μετά τη μεταλλογραφική επεξεργασία, χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο και κάτοπτρο σάρωσης για την παρατήρηση της μικροδομής του δείγματος προφίλ μετά από μεταλλογραφική διάβρωση. Ο ελεγκτής μικροσκληρότητας Vickers χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της σκληρότητας του προφίλ επικάλυψης με βάθος μετά τη δοκιμή επένδυσης λέιζερ. Η δοκιμή σκληρότητας του προφίλ επίστρωσης ξεκινά από 50μm μακριά από το επιφανειακό στρώμα και λαμβάνει ένα σημείο δοκιμής κάθε 100μm κατά μήκος της κατεύθυνσης του βάθους μέχρι να μετρηθεί η ομοιόμορφη σκληρότητα του υποστρώματος. Το βάρος του δοκιμαστικού φορτίου ορίζεται στα 500 g και ο χρόνος διατήρησης είναι 10 δευτερόλεπτα. Προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια των δεδομένων, η σκληρότητα μετράται 3 φορές στην ίδια περιοχή βάθους κάθε προφίλ χάλυβα γραναζιών και λαμβάνεται ο μέσος όρος.

1. Με την αύξηση της ισχύος λέιζερ, το ύψος τήξης, το πλάτος τήξης και το βάθος τήξης της επίστρωσης NiCr20-ZrO2 αυξάνονται. Με την αύξηση της ταχύτητας σάρωσης, το ύψος τήξης, το πλάτος και το βάθος της επίστρωσης μειώνονται. Με την αύξηση του ρυθμού τροφοδοσίας σκόνης, το ύψος τήξης της επικάλυψης αυξάνεται, το πλάτος τήξης πρώτα αυξάνεται και στη συνέχεια μειώνεται και το βάθος τήξης μειώνεται.

2. Με την αύξηση της ισχύος λέιζερ μειώνεται η πυκνότητα, η τραχύτητα και η μικροσκληρότητα της μικροδομής της επίστρωσης. Με την αύξηση της ταχύτητας σάρωσης, η πυκνότητα της μικροδομής της επίστρωσης μειώνεται, η τραχύτητα της μικροδομής και η μικροσκληρότητα μειώνονται. Με την αύξηση του ρυθμού τροφοδοσίας σκόνης, η πυκνότητα μικροδομής, η βελτίωση της μικροδομής και η μικροσκληρότητα της επίστρωσης αυξάνονται.

3. Λαμβάνοντας ως δείκτες αξιολόγησης τη μακροσκοπική μορφολογία, τη μικροδομή και τη μικροσκληρότητα της επικάλυψης, προέκυψαν οι βέλτιστες παράμετροι διεργασίας ως εξής: ισχύς λέιζερ 700 W, ταχύτητα σάρωσης 2 mm/s, ταχύτητα τροφοδοσίας σκόνης 11,1 g/min.

Η Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. είναι μια επιχείρηση υψηλής τεχνολογίας που ειδικεύεται στην Ε&Α, την κατασκευή και τις πωλήσεις αυτόματης μηχανής επένδυσης λέιζερ, μηχανής επένδυσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας, μηχανής απόσβεσης λέιζερ, μηχανής συγκόλλησης λέιζερ και εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης. Τα προϊόντα μας είναι οικονομικά και πωλούνται στο εσωτερικό και στο εξωτερικό. Εάν ενδιαφέρεστε για τα προϊόντα μας, επικοινωνήστε μαζί μας στο bob@gshenglaser.com.