Surface Modification of Grey Cast Iron by Pulsed-plasma Deposition and Subsequent Laser Beam Melting

Abstract

Метою даної роботи є дослідження мікроструктури та зносостійкості сірого чавуну, поверхнево модифікованого імпульсно-плазмовим нанесенням покриття з подальшим плавленням лазерним променем. Композиційне покриття 50 об. % WC + 50 об. % Al-бронзи товщиною 85-135 мкм було нанесено із застосуванням електротермічного аксіального плазмового прискорювача плазми (10 плазмових імпульсів із напругою розряду 4 кВ). Після нанесення покриття поверхню оплавили скануванням інфрачервоним лазерним променем з довжиною хвилі 1064 нм. При цьому застосували волоконний лазер TruFiber 400 (TRUMPF), діаметр плями променю становив 0,5 мм, швидкість сканування 0,5 мм·с – 1, потужність 400 Вт. В роботі застосували мікроструктурний аналіз (скануючий електронний мікроскоп JSM-6510 JEOL), енергодисперсійну рентгенівську спектроскопію (EDS детектор JED-2300 JEOL), трибологічні випробування (трибометр Мікрон-трибо) та вимірювання мікротвердості при навантаженні 50 г (мікротвердомір FM-300, Future-Tech Corp.). В результаті лазерного оплавлення на глибину до 600 мкм, яке супроводжувалось поверхневим легуванням чавуну міддю та вольфрамом, мікроструктура чавуну змінилась з ферит + пластинчастий графіт на ледебурітоподібну карбідну евтектику з глобулярним включеннями ɛ-міді. Карбідна евтектика складалася з дисперсних дендритів із перлітною структурою, розгалужених в матриці цементитного карбіду. У поперечному перерізі мікроструктура змінювалась градієнтно від повністю оплавленої зони до перехідної карбідо-графітної зони і далі до зон термічного впливу з перлітною або феритоперлітною структурою загальною шириною до 1250 мкм. Мікротвердість оплавленої зони становила 900-1000 HV50, що в 5 разів вище за вихідну мікроструктуру чавуну. Подвійна поверхнева обробка збільшила зносостійкість сірого чавуну в 15 разів порівняно зі структурою ферит + графіт. В статті обговорюється вплив міді та вольфраму на формування структури сірого чавуну при лазерному оплавленні.

The object of this work is to study the microstructure and wear behavior of grey cast iron superficially modified by pulsed-plasma deposition of the coating and subsequent laser beam melting. The coating 50 vol. % WC + 50 vol. % Al-bronze of 85-135 µm width was deposited employing an electrothermal axial plasma accelerator with ten pulses under the discharge voltage of 4 kV. The coated surface was subsequently melted by infrared fiber laser TruFiber 400 (TRUMPF) with a beam wavelength of 1064 nm (beam spot was 0.5 mm, scanning velocity was 0.5 mm·s – 1, power was 400 W). The investigations included scanning electron microscopy observation (JSM-6510 JEOL), energy-dispersive X-ray spectroscopy (JED2300, JEOL), tribological testing (tribometer Micron-tribo) and microhardness measurement (FM-300, Future-Tech Corp.) under the load of 0.05 kg. After the deposition/laser melting to a depth of up to 600 µm, the surface was modified from ferrite/lamellar graphite structure to Ledeburite-like eutectic/ɛ-copper precipitates structure. The carbide eutectic consisted of fine pearlitic dendrites embedded into a cementite matrix. The structural gradient from fully remelted zone to transitional (carbide/graphite) zone and further to heat-affected zones (with pearlite and ferrite/pearlite matrix structure) was revealed in the cross-section to reach 1250 µm in total width. The microhardness of the remelted zone was measured as 900-1000 HV50 to be 5 times higher than that of unmodified structure. The double surface treatment increased the scratch wear resistance of a modified grey cast iron by 15 times as compared to the ferrite/graphite substrate. The effect of copper and tungsten on laser-induced structure formation in grey cast iron is discussed.