CN105779997A - 一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法，首先在基材表面预先用激光进行预处理，再通过同步送粉的方法激光熔覆Ni基合金。本发明制备的Ni基涂层，与基体结合良好，呈冶金结合，涂层无裂纹、孔洞、夹杂物，能够连续熔覆多层涂层。本发明采用同步送粉的方法，工艺简单，合金粉末利用率高，可控性好，可连续堆积熔覆，能连续熔覆一定厚度的涂层，无需重复预置粉末，相比预置送粉容易实现自动化和工业化。本发明采用激光预热基体表面，对基体影响较小，能耗少，工艺简单，效率高。

Description

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法

技术领域

本发明为激光熔覆技术领域，具体涉及一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法。

背景技术

铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金,熔炼简单、成本低廉，具有优良的铸造性能和很高的减摩和耐磨性，良好的消振性和切削加工性等，应用非常广泛。蠕墨铸铁是近年来发展迅速的一种新型铸铁材料。蠕墨铸铁中的石墨在光学显微镜下的形状似乎成片状，但石墨片短而厚，头部较钝、较圆，形似蠕虫状。兼备灰铸铁和球墨铸铁的一些优点，广泛的用作玻璃模具、钢锭模、排气管、汽缸、汽车发动机等。

在实际生产生活中，模具经常受高温氧化、生长变形、热疲劳、磨损等多种考验而导致模具寿命缩短或失效,常见的失效形式有：起皮、剥落、麻点、裂纹等。激光熔覆也称激光包覆或激光熔敷。实验证明采用激光熔覆技术修复模具是切实可行的途径，相关应用的文献如：①申请号为201510076340.7的中国专利公开了一种在蠕墨铸铁表面制备钴基合金涂层的激光熔覆方法，采用预置送粉的方法将钴基合金粉末铺在基体表面，然后进行激光熔覆，使合金粉末和基材呈冶金结合。钴基合金粉末由C、Si、Cr、W、Co元素组成，含量分别为C≤1％、Si≤0.8％、Cr≤30％、W≤12％,余量为Co。此方法制备的涂层硬度较高，高温下具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，涂层内部无夹渣或气泡，结合强度高。②申请号为201510669072.X的中国专利公开了一种球墨铸铁表面激光修复方法。采用该方法所形成的熔覆区无裂纹缺陷，熔覆层与球磨铸铁基材界面呈现不连续熔化趋势，界面呈典型的锯齿状，结合强度高，避免了界面由于连续***莱氏体的生成而产生裂纹。③董世运等在文献《铸铁件激光熔覆NiCuFeBSi合金组织及力学性能》中针对铸铁件激光熔覆的白口组织和开裂问题进行研究，对基材整体采用不同的温度预热，结果表明随预热温度升高，熔覆层界面白口组织宽度增加，白口组织呈现分散、断续状分布，有利于降低界面脆性，抑制熔覆层开裂倾向。但同时由于预热温度的提高，使熔覆层和界面结合区硬度下降，熔覆层稀释率大。本发明采用激光预热基体表面，对基材热影响小，在改善裂纹缺陷的同时对熔覆层其他性能影响较小，目前，未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种与基体结合好，涂层均匀致密、无气孔、裂纹和夹杂物的一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基涂层的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法，操作步骤如下：

1.步骤一：用线切割将蠕墨铸铁基体切割为45*35*10的试样，并先后用80、240、360、400目砂纸打磨光洁→进行喷砂处理→用丙酮、超声波清洗→去离子水冲洗干净→吹风机吹干试样。

2.步骤二：用真空干燥机干燥镍基合金粉末，烘干温度为100度，时间为5小时。所述镍基合金粉末各成分含量如下：C<0.1Wt％、Si含量1.8～3.0Wt％、Cr<1.0Wt％、B含量0.9～1.5Wt％、Fe<6.0Wt％、余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为-150～320目。

3.步骤三：用光纤激光器进行激光预处理，激光输出功率为0W、100W、200W、300W、350W，扫描速度为2mm/s。

4.步骤四：使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为600～1500W，光斑大小为1.5～2.5mm,焦距为18～22mm，送粉电压为8～15V，载气流为6L/min送粉气体为高纯氩气，流量为3～8L/min，扫描速度为2～8mm/s，搭接率为20％。

本发明的有益效果是：

1.本发明首先用激光对试样进行预热处理，然后采用同步送粉激光熔覆得到镍基合金涂层，经预处理后，能够降低激光熔覆后熔覆层内部的温度梯度，减少热应力的产生，在一定程度上降低了熔覆层萌生裂纹的可能性。同时对硬度、稀释率等其他性能影响较小。

2.本发明采用的预热处理方法为激光预处理，与传统的预处理相比，激光预处理只是在基体表面加热，对基材的影响较小。此外，更好的节约了能源，降低生产成本，提高效率。

3.本发明得到的镍基合金涂层与基体呈冶金结合，结合强度高。

4.本发明所选用的镍基合金粉末，属于自熔性合金粉末，具有很好的润湿性。

5.本发明采用同步送粉的方法，能够重复多次堆积熔覆层，后一层熔覆层的堆积对前一层的熔覆层进行了热处理，提高了熔覆层的硬度等性能。不需重复预置粉末，不受熔覆层厚度限制，能够堆积任意厚度的熔覆层，大大提高了效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的截面裂纹缺陷形貌图。

图2为本发明实施例1提供的熔覆层截面形貌图。

图3为本发明实施例1的结合界面元素分布。

图4为本发明实施例2提供的熔覆层截面形貌图。

图5为本发明实施例2的结合界面元素分布。

图6为本发明实施例1、2的显微硬度。

图7为本发明实例2的XRD图像。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

实施例1

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆Ni基合金涂层的方法，操作步骤如下：

1.步骤一：用线切割将蠕墨铸铁基体切割为45*35*10的试样，并先后用80、240、360、400目砂纸打磨光洁→进行喷砂处理→用丙酮、超声波清洗→去离子水冲洗干净→吹风机吹干试样。

2.步骤二：用真空干燥机干燥镍基合金粉末，烘干温度为100度，时间为5小时。所述镍基合金粉末各成分含量如下：C<0.1Wt％、Si含量1.8～3.0Wt％、Cr<1.0Wt％、B含量0.9～1.5Wt％、Fe<6.0Wt％、余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为-150～320目。

3.步骤三：无需进行激光预处理，直接使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为1200W，光斑大小为2mm,焦距为20.9mm，送粉电压为12V，送粉气体为高纯氩气，流量为6L/min，扫描速度为4mm/s，搭接率为20％。

实施例2

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆Ni基合金涂层的方法，操作步骤如下：

1.步骤一：同实例1的步骤一。

2.步骤二：同实例1的步骤二。

3.步骤三：用光纤激光器进行激光预处理，激光输出功率为350W，扫描速度为2mm/s。

4.步骤四：使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为1200W，光斑大小为2mm,焦距为20.9mm，送粉电压为12V，送粉气体为高纯氩气，流量为6L/min，扫描速度为4mm/s,搭接率为20％。

实施例3

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆Ni基合金涂层的方法，操作步骤如下：

1.步骤一：同实例1的步骤一。

2.步骤二：同实例1的步骤二。

3.步骤三：用光纤激光器进行激光预处理，激光输出功率为100W，扫描速度为2mm/s。

4.步骤四：使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为600W，光斑大小为1.5mm,焦距为18mm，送粉电压为8V，载气流为6L/min送粉气体为高纯氩气，流量为3L/min，扫描速度为2mm/s，搭接率为20％。

实施例4

一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆Ni基合金涂层的方法，操作步骤如下：

1.步骤一：同实例1的步骤一。

2.步骤二：同实例1的步骤二。

3.步骤三：用光纤激光器进行激光预处理，激光输出功率为300W，扫描速度为2mm/s。

4.步骤四：使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，光斑大小为2.5mm,焦距为22mm，送粉电压为15V，载气流为6L/min送粉气体为高纯氩气，流量为8L/min，扫描速度为8mm/s，搭接率为20％。

本发明具体实施

1.将实施例1和实施例2制得的熔覆层，分别利用扫描电镜(SEM)观察涂层的截面形貌，利用能谱仪(EDS)分析熔覆层、过渡区、基体的元素分布，利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层的物相结构,利用维氏硬度计测量熔覆层的硬度分布。测定结果见图1～图7，测定结果表明：

由图2可知，实施例1没有预热的熔覆层白口组织沿界面连续分布。

由图4可知，实施例2经350W预热的熔覆层白口组织则呈现非连续性分布(白口组织中掺杂着一些基体组织)，有利于降低界面脆性，在一定程度上能够减少熔覆层开裂的趋势。

由图3和图5可知，结合界面元素含量波动较为明显的元素有Fe、Ni、Cr,在熔覆过程中Fe大量扩散进入熔覆层。由图3可知实施例1没有预热的熔覆层结合界面处元素变化幅度较大，由图5可知，实施例2经350W预热的熔覆层界面各元素较实例1变化缓慢，变化幅度较小，经预热后基体中的Fe扩散进入熔覆层，而熔覆层中的Ni、Cr等元素也向基体中扩散，故结合界面元素变化幅度较小，在一定程度上会增加稀释率。图5中基体Fe、C元素变化较大是线扫分析时扫过石墨团结构。

由图6可以看出，预热后，熔覆层内部和界面结合区硬度略有下降，热影响区硬度略有升高，但变化程度都不是很大，可知激光预热基体表面改善裂纹缺陷的同时对熔覆层硬度影响较小。

由图7可知，熔覆层主要由γ-(Ni,Fe)、FeNi、α-Fe、Fe3C、Cr23C6相组成。

Claims (1)

1.一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)步骤一：用线切割将蠕墨铸铁基体切割为45*35*10的试样，并先后用80、240、360、400目砂纸打磨光洁→进行喷砂处理→用丙酮、超声波清洗→去离子水冲洗干净→吹风机吹干试样；

(2)步骤二：用真空干燥机干燥镍基合金粉末，烘干温度为100度，时间为5小时；所述镍基合金粉末各成分含量如下：C<0.1Wt％、Si含量1.8～3.0Wt％、Cr<1.0Wt％、B含量0.9～1.5Wt％、Fe<6.0Wt％、余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为-150～320目；

(3)步骤三：用光纤激光器进行激光预处理，激光输出功率为0～350W，扫描速度为2mm/s；

(4)步骤四：使用光纤激光器进行激光熔覆，激光输出功率为600～1500W，光斑大小为1.5～2.5mm,焦距为18～22mm，送粉电压为8～15V，载气流为6L/min送粉气体为高纯氩气，流量为3～8L/min，扫描速度为2-8mm/s，搭接率为20％。