기어강 표면의 레이저 클래딩 Ni 기반 코팅 공정 매개변수 최적화

기어 드라이브는 높은 전달 효율, 높은 베어링 용량, 큰 출력 범위, 긴 서비스 수명 및 기타 여러 장점으로 인해 기계 분야에서 널리 사용됩니다. 기어의 서비스 부하와 주행 속도가 증가함에 따라 기어 시스템은 기어 맞물림 변속기 과정에서 톱니 파손, 톱니 구멍, 톱니 마모, 톱니 소성 변형 및 톱니 접착이 발생하기 쉬워 서비스 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 기어 전달 시스템의 수명을 효과적으로 연장하려면 톱니 표면을 수정하고 강화하여 기어 휠의 지지력과 피로 방지 성능을 향상시켜야 합니다. 다른 표면 개질 기술과 비교하여 레이저 클래딩 기술은 가공 주기가 짧고 가공 효율이 높으며 기술적 이점이 저렴하여 고품질 코팅을 준비하여 부품의 표면 특성을 향상시킬 수 있습니다. 레이저 클래딩 공정에서 높은 온도 구배와 매우 빠른 냉각 속도로 인해 코팅에 기공 및 미세 균열과 같은 결함이 발생하기 쉬우며 이는 코팅의 기계적 특성에 영향을 미치므로 레이저 클래딩 부품의 적용이 제한됩니다. 어느 정도. 따라서 공정 매개변수를 최적화하여 코팅 품질을 향상시키는 것은 코팅 준비 분야에서 레이저 클래딩 기술의 적용을 촉진하는 데 큰 의미가 있습니다.

일반적으로 사용되는 레이저 클래딩 분말은 주로 Fe, Ni 및 Co 기반 합금입니다. 다양한 클래딩 분말 중에서 Ni 기반 합금 분말은 우수한 내마모성, 내식성, 습윤성 및 적당한 가격으로 인해 레이저 클래딩 재료에서 널리 연구되어 왔습니다.

본 논문에서는 18CrNiMo7-6 기어강 표면의 Ni 기반 코팅을 레이저 클래딩 기술로 준비했습니다. 다양한 공정 매개변수가 코팅의 미세 구조에 미치는 영향을 연구하기 위해 단일 변수 방법을 사용했으며, 코팅의 거시적 형태, 미세 구조 및 경도를 평가 지표로 삼아 최적의 공정 매개변수를 결정했습니다. 연구 결과는 Ni 기반 분말 수리 치아 부품의 적용 범위를 확장하고 향후 기어 재료에 레이저 클래딩 기술을 적용하고 최적화하기 위한 기술 지침을 제공할 수 있습니다.

1. 시험재료 및 장비

테스트에 사용된 기본 재료는 18CrNiMo7-6 기어강입니다. 18CrNiMo7-6는 유럽 표준 EN10084 침탄 합금 구조강으로 국내 등급 17Cr2Ni2Mo에 해당합니다. 침탄, 담금질, 저온 템퍼링 및 마감 처리 후 강도, 내마모성 및 충격 특성이 우수하며 풍력, 항만, 광산 감속기 및 고속 기관차 기어에 널리 사용됩니다. 18CrNiMo7-6 강의 화학 조성은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 18CrNiMo7-6 기어강의 화학적 조성(질량분율,%)

NiCr20 자기 융합 합금 분말은 테스트에서 클래딩 분말로 사용되었으며 그 화학 조성은 표 2에 나와 있습니다. NiCr20 분말은 자기 용융성, 습윤성, 내마모성, 내식성 및 내 산화성이 우수하며 광범위한 용도에 적합합니다. 다양한 레이저 클래딩 공정 매개변수. ZrO2 세라믹 분말이 테스트에서 보조 클래딩 재료로 선택되었습니다. ZrO2 세라믹 분말은 우수한 열 안정성, 고온 내마모성 및 내식성 등의 장점을 가지고 있습니다. 레이저 클래딩에서 상전이 강화를 쉽게 진행하여 레이저 클래딩으로 인한 열 응력 균열을 제거하고 코팅 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 따라서 고온 내마모성 코팅을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 테스트에 사용된 NiCr20 및 ZrO2 분말은 그림 1에 나와 있습니다. NiCr20 합금 분말과 ZrO2 세라믹 분말의 형태는 각각 약 100μm 및 50μm의 입자 크기를 갖는 구형 입자입니다. NiCr20 분말과 ZrO2 세라믹 분말을 질량비 48:1로 혼합하고 건조하여 레이저 클래딩 분말로 사용하였다.

표 2 NiCr20 분말의 화학적 조성(질량분율,%)

그림 1 NiCr20(a) 및 ZrO2(b) 분말의 형태

레이저 클래딩 테스트는 MLO{{0}} 레이저 클래딩 장비를 대상으로 수행되었습니다. 레이저 클래딩 장비는 레이저 클래딩 노즐, 레이저, 6축 기계 팔, 분말 공급 시스템, 수냉식 시스템 및 제어 시스템으로 구성됩니다. 레이저 클래딩 장비는 파이버 레이저를 레이저 방출 소스로 사용하며 사용 가능한 전력 범위는 400 ~ 4000W입니다. 레이저 클래딩 과정에서 분말은 분말 공급기 분말 회전을 통해 분말 배출구로 보내집니다. 분말 트레이는 0 ~ 4 r/min이고 입자 크기 범위는 50 ~ 150 μm입니다. 수냉식 시스템은 레이저 및 레이저 클래딩 헤드에 냉각수를 제공하여 테스트 작업 중에 일정한 온도 환경을 보장합니다. 전체 테스트 동안 산화를 방지하기 위해 용융 풀을 고순도 아르곤으로 보호했습니다.

레이저 클래딩 테스트는 블록 플레이트 기어강에서 수행되었습니다. 레이저 스캐닝 방향은 판의 장변을 따라 이루어졌고, 약 20mm의 코팅 길이가 판 중앙에 융합되었다. 단일 요인 테스트가 사용되었습니다. 테스트 매개변수는 레이저 출력 500 ~ 900 W, 스캔 속도 2 ~ 8 mm/s, 분말 공급 속도 8.8 ~ 13.2 g/min, 아르곤 유량 4 L/min, 스폿 직경 Φ4 mm, 디포커싱 용량 250 mm였습니다. 특정 공정 매개변수는 표 3에 나와 있으며 각 테스트 그룹은 두 번 반복됩니다.

표 3 단일 채널 레이저 클래딩의 테스트 매개변수

레이저 클래딩 테스트 후 코팅의 금속 조직 분석을 수행하고 코팅을 와이어 절단기로 5mm × 5mm × 5mm의 입방체로 절단하고 코팅 단면을 단계적으로 연마 및 연마했습니다. 단계. 그 후 왕수(HNO3에 대한 HCl의 부피비가 3∶1)를 사용하여 부식시키며, 부식시간은 약 2분이다. 금속조직학적 처리 후, 금속조직학적 부식 후 프로파일 샘플의 미세구조를 관찰하기 위해 광학현미경과 주사거울을 사용했습니다. 레이저 클래딩 테스트 후 깊이에 따른 코팅 프로파일의 경도를 측정하기 위해 Vickers 마이크로 경도 시험기를 사용했습니다. 코팅 프로파일의 경도 테스트는 표면층에서 50μm 떨어진 곳에서 시작하여 기판의 균일한 경도가 측정될 때까지 깊이 방향을 따라 100μm마다 테스트 지점을 취합니다. 테스트 하중 중량은 500g으로 설정되고 유지 시간은 10초입니다. 데이터의 정확성을 높이기 위해 각 기어강 프로파일의 동일한 깊이 영역에서 경도를 3회 측정하고 평균을 취합니다.

1. 레이저 출력이 증가함에 따라 NiCr{1}}ZrO2 코팅의 용융 높이, 용융 폭 및 용융 깊이가 증가합니다. 스캐닝 속도가 증가함에 따라 코팅의 용융 높이, 너비 및 깊이가 감소합니다. 분말 공급 속도가 증가함에 따라 코팅의 용융 높이가 증가하고 용융 폭이 먼저 증가한 다음 감소하며 용융 깊이가 감소합니다.

2. 레이저 출력이 증가함에 따라 코팅 미세 구조의 치밀화, 조대화 및 미세 경도가 감소합니다. 스캐닝 속도가 증가함에 따라 코팅의 미세 구조 밀도가 감소하고 미세 구조 거칠기 및 미세 경도가 감소합니다. 분말 공급 속도가 증가함에 따라 코팅의 미세 구조 밀도, 미세 구조 미세화 및 미세 경도가 증가합니다.

3. 코팅의 거시적 형태, 미세 구조 및 미세 경도를 평가 지표로 삼아 레이저 출력 700W, 스캔 속도 2mm/s, 분말 공급 속도 11.1g/min과 같은 최적 공정 매개변수를 얻었습니다.

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