CN107760956B - 一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺 - Google Patents

一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺，属于金属表面硬化处理技术领域。所述硬质合金，按照重量百分比计各成分如下：Cr：20～27；W：10～14；C：1.5～2.5；Ni：21～23；Fe：1；Si：0.8～1；B：1；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40—200um。本发明使用的粉末合金材料与基体材料相容性较好，熔覆层稀释率比较小且热膨胀系数相近，对基体及熔覆层进行预处理和后热处理工艺后，进一步减少温度梯度，降低熔覆层内在热应力，进而避免裂纹和合金层脱落现象的发生，从而解决了现有技术中涂覆的合金层与基体金属结合不牢固的问题，具有硬度高、耐磨性能好的特点。

Description

一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺
技术领域
本发明属于金属表面硬化处理技术领域，更具体地说，涉及一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺。
背景技术
在地下工程领域，盾构施工法的应用越来越广泛。盾构施工法在硬岩段的隧道掘进应用广泛。地下工程中的盾构机体积庞大、重量大，地下工作空间有限，工作时盾构机刀盘旋转带动其上各种刀具完成对土体的开挖。盾构机滚刀刀体、上下盖是直接与岩屑、岩石接触的零件，作业时易发生磨损而需要及时更换。滚刀刀体和上下盖的质量直接影响到盾构机的破岩能力、掘进效率和挖掘成本，是影响盾构机性能的决定性因素，因而盾构机滚刀刀体和上下盖需具有很高的耐磨性能。滚刀刀体及上下盖涂覆耐磨合金层以提高滚刀的耐磨性能降低滚刀在采挖过程中的磨损程度成为提高滚刀刀具耐磨性能的主要技术之一，传统的涂覆硬质合金工艺为氧乙炔火焰进行棒材或粉末沉积、气体保护钨电极或氩弧沉积、进水埋弧焊、等离子喷镀等，以上工艺涂覆的硬质合金层与基体金属结合不牢固，内热应力大，容易产生气孔、夹杂和涂层开裂现象，强韧性能不高，使用过程中易掉块，并且在高温、高速工况下的耐磨性能较差，另外，气体保护钨电极或氩弧沉积工艺中堆焊下面的基体会产生裂纹，严重影响盾构机刀盘的使用安全和寿命。
中国发明专利，公开号：CN102168210A，公开日：2011年8月31日，公开了一种激光熔覆工艺方法及其合金材料，按重量百分比计其成分如下：C：0.85～0.98％，Cr：35～45％，Fe：3～5％，Si：0.5～1.0％，W：3.5～5.5％，Mo：1.0～1.5％，Ni：6～8％，V：1.5～2.0％，Ti：1.0～2.0％，B：0.5～1.5％，Nb：0.10～0.50％，Re：0.5～1.5％，Co：余量。还公开了一种采用如上所述合金材料的激光熔覆工艺方法。本技术方案在所加合金元素的综合作用下，熔覆层组织均匀，细小；无气孔、无夹杂、无夹渣，叶片熔覆时不用预热，更不会出现裂纹。具有较高的硬度与良好的抗气蚀性能，熔覆的部件不需经后续的热处理，可以直接精加工后使用，激光处理的工艺适应性较好，操作简单易行。其不足之处是：使用过多元素多相合金层，温度梯度大，熔覆层内热应力高，内部组织不稳定。
中国发明专利，公开号：CN104195546A，公开日：2014年12月10日，公开了激光熔覆用高硬度钴基合金粉末及其制备工艺。它的具体技术方案为：一种激光熔覆用高硬度钴基合金粉，各成分重量百分比浓度为：C：1.2-1.55％；Cr：28-31％；Fe：≤3％；Mn：≤0.5％；Mo：≤1％；Ni：≤3％；Si：0.7-1.5％；W：3.5-6.5％；余量Co。制备步骤为：a、准备各成分的配料，熔炼；b、将步骤a中进过熔炼的配料进行造渣及脱氧；c、将经过步骤b处理的配料制造成粉末状；d、将步骤c中的粉末状配料进行收集；e、将步骤d中经过冷却的粉末状配料进行筛分。采用上述技术方案，提供了一种不易发生开裂、氧化、产生气孔，自熔性好的激光熔覆用高硬度钴基合金粉末及其制备工艺。其不足之处是：缺少稀土元素Re和少量B元素的强韧组合，过大的能量密度将导致熔覆层的稀释率加大，易产生熔覆层开裂和基体变形。
中国发明专利，公开号：CN101705487B，公开日：2012年7月4日，公开了重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法，按以下步骤进行：(1)利用激光涂覆设备的红外扫描装置对叶片叶尖端面边缘进行扫描，使扫描轨迹程控程序记录扫描点位置；(2)启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体保护条件下，向叶尖端面传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末。所述的合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C1.0～1.3％，Cr28.0～30.0％，Si1.0～1.3％，Fe3.0～3.2％，W3.8～4.3％，Ni2.8～3.0％，余量为Co；所述的耐磨涂层平均宽度为1.9～2.5mm，平均厚度为2～3mm；所述的保护气体为氩气，进行保护时的气压为0.2～0.35MPa。其不足之处是：熔覆层晶粒粗大，特别是WC等硬质相烧伤率加大，合金层容易开裂，强韧性能不足。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中涂覆的合金层与基体金属结合不牢固的问题，本发明提供一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺。它使得涂覆的合金层具有较高的硬度和耐磨性能，并且涂覆的合金层与基体金属结合紧密，强韧组合而不开裂掉块。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种硬质合金，其特征在于，按照重量百分比计各成分如下：Cr：20～27；W：10～14；C：1.5～2.5；Ni：21～23；Fe：1；Si：0.8～1；B：1；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40—200um。
进一步地，按照重量百分比计各成分如下：Cr：25；W：12；C：2；Ni：22；Fe：1；Si：1；B:1；Re：1.5；余量为Co。
一种局部激光涂覆硬质合金工艺，采用权利要求1或权利要求2所述的硬质合金进行激光熔覆，工艺步骤为：
步骤一：基体材料预热处理，将基体材料加热到460℃保温2小时后空冷，然后再次加热到180℃保温4小时后空冷；
步骤二：激光熔覆处理，利用激光涂覆设备的激光束熔化权利要求1或权利要求2所述的硬质合金，光斑直径为6mm，功率4KW，激光扫描速度为5mm/s，基体材料表面形成的熔覆层厚度为1mm；
步骤三：熔覆层热处理，将基体材料表面熔覆的合金层加热到280℃，保温3.5小时后空冷；
步骤四：打磨抛光，对基体材料表面熔覆的合金层进行打磨、抛光。
进一步地，所述步骤二在保护气氛中进行。
进一步地，所述步骤二中进行激光熔覆处理时首先将硬质合金粉末预先置于基体材料待熔覆部位，然后采用激光光束扫描。
进一步地，所述步骤二中进行激光熔覆处理时在激光辐射作用在基体材料表面的同时，将硬质合金粉末直接送入激光作用区内，保持供料与熔覆同步进行。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的硬质合金，合理配置了合金成分，采用这种成分和配比的硬质合金进行激光涂覆获得的熔覆层与基体材料结合紧密，表面熔覆层硬度为HRC50-72，因而具有硬度高、耐磨性能好的优良性能；
(2)本发明提供的硬质合金，稀土元素有助于提高合金层的强韧性能，以及合金层的耐磨性和自熔性，并有助于净化合金溶液，同时细化合金层的组织晶粒，提高合金层力学性能，消除H/O/S等夹杂元素，减少合金在液态和固态下的氧化倾向，熔覆层具有无裂纹、无气孔、无杂质等优点；
(3)本发明提供的硬质合金，配置的合金粉末粒度控制在40—200um，流动性能好，Si和B元素具有脱氧、造渣作用，防止液态金属过多氧化，本发明的硬质合金材料与基体材料具有良好的相容性，稀释率小，熔覆层均质化程度高，且基体材料与形成的熔覆层的热膨胀系数相近，有助于避免裂纹的产生和合金层的脱落；
(4)本发明提供的局部激光涂覆硬质合金工艺，对基体材料和熔覆层分别进行预热处理和后热处理，对基体预热处理有助于消除加工制作产生的应力，对合金熔覆后的基体进行应力回火处理，有助于减小温度梯度，降低熔覆层的内在热应力，进而避免了裂纹的产生；
(5)本发明提供的局部激光涂覆硬质合金工艺，在保护气氛中，例如惰性气体气氛，进行激光熔覆处理可有效的防止氧化、脱碳等反应发生。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
一种硬质合金，按照重量百分比计各成分如下：Cr：20；W：10；C：1.5；Ni：21；Fe：1；Si：0.8；B：1；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40—200um，本实施例中硬质合金粉末粒度为200um。
应用激光熔覆硬质合金工艺时，一方面由于激光能量密度大，造成熔覆过程中熔池的温度高，激光束移开以后熔池迅速冷凝，Si、B等合金元素不能有效上浮，大部分成为脆性元素保留在熔覆层中，导致熔覆层的裂纹敏感性增加，合金层表面硬度不高；另一方面，合金层与基体膨胀系数差别较大导致涂覆的合金层与基体金属结合不牢固。本实施例的硬质合金中降低了Si、B含量，以降低熔覆层的裂纹敏感性。另外，本实施例选择添加的元素种类及含量保证了合金涂层的热膨胀系数接近基体金属热膨胀系数，减小了合金层的热应力与残余应力，保证合金层与基体材料结合紧密，并且合金层不易产生裂纹。
激光熔覆过程中熔池中进行微冶金反应，生成的WC具有硬度高的特点，是合金层表层的主要材料，而Co元素促进合金层与基体的互熔，提高了结合强度，防止涂层脱落。激光熔覆过程中，Ni与Cr形成金属间化合物，并释放出大量热量，促进合金层与基体表面形成微冶金结合，进一步提高了合金层与基体的结合强度。Cr元素起到固溶强化、钝化的作用，提高抗高温氧化性和耐蚀性能，富余的Cr元素容易与C元素形成铬的碳化物如Cr7C3、Cr3C2、硬质相，从而提高合金层硬度和耐磨性，另一方面，Cr元素在阻止WC分解上起到了一定的作用，提高了合金层的耐磨性能。
Si元素和B元素可以显著降低合金熔点，扩大固液相线温度区，一方面保证了合金在熔融时有适度的流动性，使熔化的合金能在基材表面均匀摊开，形成光滑表面，另一方面脱氧还原作用和造渣功能，促进合金涂层的硬化和强化。
W有助于提高合金层的硬度，从而提高耐磨性能；Ni有助于增加合金层的强度和韧性，并使得合金层具有较高的耐腐蚀性能。
实施例2
一种硬质合金，按照重量百分比计各成分如下：Cr：19；W：8；C：0.7；Ni：13；Fe：1；B：1.7；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40—200um，本实施例中硬质合金粉末粒度为40um。
本实施例严格控制B元素和Si元素的加入，目的是既保证硬质合金具有一定的自熔性和脱氧、造渣能力，且能“润湿”基材表面，又避免熔覆过程中硼不能上浮，增加熔覆层的裂纹敏感性；同时，降低了熔点，又扩大了合金固、液相温度区间，使合金在熔融过程中具有良好的流动性和对基材表面良好的润湿性而呈优异的冶金结合。
Cr元素起到固溶强化、钝化的作用，提高抗高温氧化性和耐蚀性能，富余的Cr元素容易与C、B元素形成铬的碳化物如Cr7C3、Cr3C2、、硼化铬硬质相，从而提高合金硬度和耐磨性。
实施例3
滚刀刀体及上下盖通常选用的材料是国标42CrMo，材料经锻打、正火、粗加工后按热处理工艺进行调质处理，其中上下盖通用技术要求HB250-280，刀体技术要求HRC40-45，这个技术要求是考虑到材料的加工性能、机械性能以及使用强度的需要。地层情况的复杂多变对刀具的要求非常高，滚刀外部在作业过程中磨损严重，因此，进一步提高滚刀外部力学性能才能提高使用寿命。
为了保证刀具的合理维修，对上述刀具外观部件的材料在正常调质或淬火处理计划工艺后进行局部激光涂覆硬质合金，以提高滚刀表面淬硬层硬度，提高滚刀表面耐磨性及高温抗氧化性。
本实施例所采用的一种硬质合金，按照重量百分比计各成分如下：Cr：25；W：12；C：2；Ni：22；Fe：1；Si：1；B：1；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40um。
本实施例的一种局部激光涂覆硬质合金工艺，采用上述的硬质合金进行激光熔覆，工艺步骤为：
步骤一：基体材料预热处理，将基体材料加热到460℃保温2小时后空冷，然后再次加热到180℃保温4小时后空冷；
步骤二：激光熔覆处理，利用激光涂覆设备的激光束熔化权利要求1或权利要求2所述的硬质合金，采用同步送粉的方式，即在激光辐射作用在基体材料表面的同时，将合金粉末直接送入激光作用区内，保持供料与熔覆同步进行，光斑直径为6mm，功率4KW，激光扫描速度为5mm/s，基体材料表面形成的熔覆层厚度为1mm；
步骤三：熔覆层热处理，将基体材料表面熔覆的合金层加热到280℃，保温3.5小时后空冷；
步骤四：打磨抛光，对基体材料表面熔覆的合金层进行打磨、抛光。
本实施例涂覆的硬质合金层与基体金属结合牢固，表面硬度达到HRC72，具有优良的抗磨损性能，提高了使用寿命。
与传统工艺(如用氧乙炔火焰进行棒材或粉末沉积、气体保护钨电极或氩弧沉积、进水埋弧焊、等离子喷镀等)相比，本实施例的涂覆层与基体金属结合更牢固，具有更高的表面硬度，并且激光熔覆处理需要的时间短。

Claims (3)

1.一种局部激光涂覆硬质合金工艺，其特征在于，采用硬质合金进行激光熔覆，所述硬质合金按照重量百分比计各成分如下：Cr：20～27；W：10～14；C：1.5～2.5；Ni：21～23；Fe：1；Si：0.8～1；B：1；Re：1.5；余量为Co，所述硬质合金为粉末状且粉末粒度为40-200um，工艺步骤为：步骤一：基体材料预热处理，将基体材料加热到460℃保温2小时后空冷，然后再次加热到180℃保温4小时后空冷；步骤二：激光熔覆处理，利用激光涂覆设备的激光束熔化上述的硬质合金，光斑直径为6mm，功率4KW，激光扫描速度为5mm/s，基体材料表面形成的熔覆层厚度为1mm，所述步骤二在保护气氛中进行；步骤三：熔覆层热处理，将基体材料表面熔覆的合金层加热到280℃，保温3.5小时后空冷；步骤四：打磨抛光，对基体材料表面熔覆的合金层进行打磨、抛光。
2.根据权利要求1所述的局部激光涂覆硬质合金工艺，其特征在于，所述步骤二中进行激光熔覆处理时首先将硬质合金粉末预先置于基体材料待熔覆部位，然后采用激光光束扫描。
3.根据权利要求1所述的局部激光涂覆硬质合金工艺，其特征在于，所述步骤二中进行激光熔覆处理时在激光辐射作用在基体材料表面的同时，将硬质合金粉末直接送入激光作用区内，保持供料与熔覆同步进行。
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Denomination of invention: A Hard Alloy and Local Laser Coating Hard Alloy Process

Granted publication date: 20190625

Pledgee: Foshan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Sanshui Baini Branch

Pledgor: Foshan Zhuhao mechanical equipment Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980016865