CN107937911A - 一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法 - Google Patents

一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，(1)将熔覆用金属粉末干燥90～120min，干燥温度为80～90℃；(2)将铸钢待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；(3)对铸钢进行400～500℃的预加热处理(4)对预热处理后的铸钢表面进行激光熔凝处理；(5)待激光熔凝处理结束后，在已形成的激光熔凝层上进行同轴送粉激光熔覆金属合金打底层；(6)在已形成的金属合金打底层之上再次进行同轴送粉激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层。

Description

一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，涉及一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法。
背景技术
铸钢是在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金的总称，其中碳元素为主要元素，含量在0～2％之间。根据在铸钢中的碳含量的不同，可将铸钢分为：低碳钢，中碳钢和高碳钢；根据在铸钢中的合金元素含量的不同，可将铸钢分为：铸造低合金钢、铸造中合金钢和铸造高合金钢。除以上种类外，还包括铸造特殊钢，例如铸造不锈钢、铸造耐磨钢与铸造耐热钢等。目前，铸钢材料因其优良的性能而广泛应用于机械加工、汽车、船舶以及石油化工等重工业领域。但在以上领域的工作环境中，长时间使用的铸钢部件易受到不同程度的冲击与磨损破坏，使用寿命急剧缩短，从而产生大量能耗、污染以及资源浪费。
为提高铸钢件耐磨性能，对铸钢件工作表面进行强化处理。目前，普通淬火与感应淬火为主要表面处理方法，部分研究者还采用激光淬火工艺强化铸钢件工作表面性能。但由于淬火工艺无法改变基体材料的本质性能，导致耐磨性能提升有限。采用激光熔覆技术在铸钢件表面制备金属合金涂层可以实现在原始材料表面覆着高性能材料，从而大幅提高铸钢件的耐磨性能。然而，由于铸钢在铸造过程可能存在较多气孔与夹渣，在激光熔覆过程中会在金属合金涂层中产生大量缺陷，使涂层与铸钢基材难以形成良好的冶金结合，降低涂层的耐磨耐冲击性能。
发明内容
本发明技术解决问题：为了解决铸钢材料在激光熔覆过程中由于铸钢基体存在的气孔与夹渣缺陷而带来的熔覆层质量下降的问题，提供一种钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，实现无气孔与夹渣高耐磨耐冲击性涂层的制备。
本发明技术解决方案：一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，包括如下步骤：
步骤一、将金属合金粉末进行称重并真空干燥，待后续激光熔覆使用；
步骤二、将铸钢表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；
步骤三、对已经除去油污与锈蚀的铸钢进行预热处理，为激光熔凝处理做准备；
步骤四、对预热处理后的铸钢表面进行高功率激光熔凝处理，形成激光熔凝层，消除铸钢表面的缺陷与孔隙；
步骤五、在铸钢所形成的激光熔凝层表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末，金属合金粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸钢激光熔凝层表面，在已形成的激光熔凝层上激光熔覆金属合金打底层，其主要作为铸钢与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，使复合涂层与铸钢表面形成无气孔裂纹的良好结合；
步骤六、在铸钢所形成的金属合金打底层表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用耐磨耐冲击性能良好的金属合金粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸钢金属合金打底层表面，在已形成的金属合金打底层上激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层。
进一步的，所述步骤一进一步包括：将称重后的粉末在80～90℃的真空干燥箱中干燥90～120min。
进一步的，所述步骤三进一步包括：
对铸钢进行400～500℃的预加热处理；
进一步的，所述步骤四进一步包括：
所形成的熔凝层深0.3～0.5mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹；
进一步的，所述步骤五进一步包括：
所形成的金属合金打底层厚度为0.3～0.5mm；
进一步的，所述步骤五进一步还包括：
打底层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％～0.03％、Si:0.1％～0.14％、Mn:0.4％～0.46％、Cr:15.5％～16.5％、Co:2.0％～2.8％Mo:15.5％～16.5％、W:3.8％～4.6％、Nb:0.31％～0.37％、Fe:0.7％～0.8％、Ni:余量；
进一步的，所述步骤六进一步包括：
所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8～1.0mm；
进一步的，所述步骤六进一步还包括：
耐磨耐冲击层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％～0.34％、Si:3.5％～4.3％、Cr:10.5％～11.5％、B:2.0％～2.6％、Fe:10.0％～11.0％、Ni:余量；
进一步，步骤四中，激光功率2000～3500W，扫描速率200～350mm/min，光斑直径4～6mm；
进一步，步骤五中，激光功率1500～2500W，扫描速率200～350mm/min，送粉速率3～5g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量6～10l/min；
进一步，步骤六中，激光功率1800～2600W，扫描速率250～400mm/min，送粉速率5～8g/min，光斑直径2～4mm，其中保护气流量8～15l/min。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在激光熔凝过程中，激光可以将铸钢件表层熔化并再次凝固，在此过程中铸钢表层存在的铸造气孔与夹渣等缺陷会被消除，从而有效减少激光熔覆金属合金涂层与基体结合区的缺陷，使铸钢基体与金属合金打底层之间形成良好的冶金结合；
(2)激光熔覆形成的金属合金打底层主要由韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末制成，其为铸钢与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，由于金属合金打底层具有良好的韧性和润湿性，在铸钢与金属合金打底层之间形成无气孔裂纹的冶金结合区，证明铸钢基材与金属合金打底层具有良好的结合效果。
(3)激光熔覆形成的金属合金耐磨耐冲击层主要由具有耐磨耐冲击性能的金属合金粉末制成，因合金粉末良好的减磨与耐磨耐冲击属性，相关实验证明所形成的金属合金层具有较好的耐磨减磨与耐冲击性能。
附图说明
图1为本发明方法工艺流程图；
图2为实施例1中42CrMo铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层金相图片；
图3为实施例1中42CrMo铸钢不同表面处理方式条件下的磨损率对比图；
图4为实施例1中42CrMo铸钢不同表面处理方式条件下的摩擦系数对比图；
图5为实施例1中42CrMo铸钢不同表面处理方式条件下的平均冲击功对比图；
图6为实施例1中42CrMo铸钢激光熔覆耐磨耐冲击涂层在室温时与500℃高温回火后的显微硬度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
如图1所示，本发明一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法的具体实施步骤如下：
步骤一、将金属合金粉末进行称重后在80～90℃的真空干燥箱中干燥90～120min；
步骤二、将铸钢部件待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；
步骤三、对已经除去油污与锈蚀的铸钢进行400～500℃预热处理，为激光熔凝处理做准备；
步骤四、对预热处理后的铸钢表面进行高功率激光熔凝处理，形成激光熔凝层，消除铸钢表面的缺陷与孔隙；
所采用工艺参数为：激光功率2000～3500W，扫描速率200～350mm/min，光斑直径4～6mm，所形成的熔凝层深0.3～0.5mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹；
步骤五、在铸钢所形成的激光熔凝层表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸钢激光熔凝层表面，在已形成的激光熔凝层上激光熔覆金属合金打底层，其主要作为铸钢与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，使复合涂层与铸钢表面形成无气孔裂纹的良好结合；
所采用工艺参数为：激光熔覆工艺参数为：激光功率1500～2500W，扫描速率200～350mm/min，送粉速率3～5g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量6～10l/min，所形成的金属合金打底层厚度为0.3～0.5mm；打底层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％～0.03％、Si:0.1％～0.14％、Mn:0.4％～0.46％、Cr:15.5％～16.5％、Co:2.0％～2.8％、Mo:15.5％～16.5％、W:3.8％～4.6％、Nb:0.31％～0.37％、Fe:0.7％～0.8％、Ni:余量；
步骤六、在铸钢所形成的金属合金打底层表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用耐磨耐冲击性能良好的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸钢金属合金打底层表面，在已形成的金属合金打底层上激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层。
所采用工艺参数为：激光熔覆工艺参数为：激光功率1800～2600W，扫描速率250～400mm/min，送粉速率5～8g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量8～15l/min，所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8～1.0mm；
耐磨耐冲击层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％～0.34％、Si:3.5％～4.3％、Cr:10.5％～11.5％、B:2.0％～2.6％、Fe:10.0％～11.0％、Ni:余量；
实施例1
本实施例以铸钢ZG 42CrMo为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％、Si:0.1％、Mn:0.4％、Cr:15.5％、Co:2.0％、Mo:15.5％、W:3.8％、Nb:0.31％、Fe:0.7％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为铁基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％、Si:3.5％、Cr:10.5％、B:2.0％、Fe:10.0％、Ni:余量；
具体实施步骤如下：
(1)将镍基合金粉末与铁基合金粉末进行称重后在80℃的真空干燥箱中干燥90min；
(2)将ZG 42CrMo待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；
(3)将ZG 42CrMo进行400℃预热处理，加热1h；
(4)对预热后的ZG 42CrMo进行激光熔凝处理，其中激光熔凝采用工艺参数为：激光功率2000W，扫描速率200mm/min，光斑直径5mm，所形成的激光熔凝层厚度为0.4mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹；
(5)待激光熔凝处理结束后，在已形成的激光熔凝层上进行同轴送粉激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率200mm/min，送粉速率4g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量6l/min，所形成的镍基合金打底层厚度为0.4mm；
(6)在已形成的镍基合金打底层之上再次进行同轴送粉激光熔覆铁基合金耐磨耐冲击层，激光熔覆工艺参数为：激光功率2600W，扫描速率400mm/min，送粉速率7g/min，光斑直径4mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量15l/min，所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.9mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与铸钢ZG42CrMo表面结合良好，无缺陷产生，耐磨性测试证明：激光熔覆处理后的铸钢ZG42CrMo的磨损率比单独激光淬火和未处理的铸钢ZG 42CrMo显著减少，摩擦系数显著减小，冲击功增大，其耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。
实施例2
本实施例以铸钢ZG 40Cr为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.025％、Si:0.12％、Mn:0.43％、Cr:16％、Co:2.4％、Mo:16％、W:4.2％、Nb:0.34％、Fe:0.75％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.32％、Si:3.9％、Cr:11、B:2.3％、Fe:10.5％、Ni:余量；具体实施步骤如下：
(1)将镍基合金粉末与铁基合金粉末进行称重后在85℃的真空干燥箱中干燥100min；
(2)将ZG 40Cr待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；
(3)将ZG 40Cr进行450℃预热处理，加热1h；
(4)对预热后的ZG 35SiMn进行激光熔凝处理，其中激光熔凝采用工艺参数为：激光功率2500W，扫描速率250mm/min，光斑直径4mm，所形成的激光熔凝层厚度为0.5mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹；
(5)待激光熔凝处理结束后，在已形成的激光熔凝层上进行同轴送粉激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率2500W，扫描速率350mm/min，送粉速率5g/min，光斑直径3mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量8l/min，所形成的镍基合金打底层厚度为0.5mm；
(6)在已形成的镍基合金打底层之上再次进行同轴送粉激光熔覆铁基合金耐磨耐冲击层，激光熔覆工艺参数为：激光功率2200W，扫描速率350mm/min，送粉速率5g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量10l/min，所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与铸钢ZG 40Cr表面结合良好，无缺陷产生，耐磨性与耐冲击性测试结果与实施例1相似，耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。
实施例3
本实施例以铸钢ZG 35SiMn为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.03％、Si:0.14％、Mn:0.46％、Cr:16.5％、Co:2.8％、Mo:16.5％、W:4.6％、Nb:0.37％、Fe:0.8％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.34％、Si:4.3％、Cr:11.5％、B:2.6％、Fe:11.0％、Ni:余量；具体实施步骤如下：
(1)将镍基合金粉末与铁基合金粉末进行称重后在90℃的真空干燥箱中干燥120min；
(2)将ZG 35SiMn待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；
(3)将ZG 35SiMn进行500℃预热处理，加热1h；
(4)对预热后的ZG 35SiMn进行激光熔凝处理，其中激光熔凝采用工艺参数为：激光功率3500W，扫描速率350mm/min，光斑直径6mm，所形成的激光熔凝层厚度为0.3mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹；
(5)待激光熔凝处理结束后，在已形成的激光熔凝层上进行同轴送粉激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1700W，扫描速率300mm/min，送粉速率3g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量6l/min，所形成的镍基合金打底层厚度为0.3mm；
(6)在已形成的镍基合金打底层之上再次进行同轴送粉激光熔覆铁基合金耐磨耐冲击层，激光功率1800W，扫描速率250mm/min，送粉速率8g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量8l/min，所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为1.0mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与铸钢ZG 35SiMn表面结合良好，无缺陷产生，耐磨性与耐冲击性测试结果与实施例1相似，耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。
如图2所示，耐磨复合涂层与42CrMo铸钢表面形成良好的冶金结合，结合部位基本无气孔、缺陷，涂层无裂纹。
如图3所示，42CrMo铸钢在表面未处理、激光熔凝处理以及激光熔覆处理的条件下磨损率逐渐减小，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸钢表面的耐磨性。
如图4所示，42CrMo铸钢在表面未处理、激光熔凝处理以及激光熔覆处理的条件下摩擦系数逐渐减小，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸钢表面的减磨性。
如图5所示，实施例1中42CrMo铸钢在激光熔凝处理、表面未处理以及激光熔覆处理的条件下平均冲击功依次增大，并且冲击功越大则耐冲击性能越好，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸钢表面的耐冲击性能。
如图6所示，实施例1中42CrMo铸钢激光熔覆制备的耐磨耐冲击涂层在常温下与500℃高温回火后耐磨层硬度基本无变化，激光熔凝层硬度则显著下降，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸钢表面的耐高温回火性能。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围，实验结果与实施例1接近。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将金属合金粉末真空干燥后，待后续激光熔覆使用；
步骤二、将铸钢待处理表面进行毛化处理，再清洗油污；
步骤三、对步骤三清洗后的铸钢进行预热处理；
步骤四、对预热处理后的铸钢表面进行激光熔凝处理，形成激光熔凝层，消除铸钢表面的缺陷与孔隙；
步骤五、待激光熔凝处理结束后，在步骤四所形成的激光熔凝层表面进行激光熔覆处理，金属合金粉末通过同轴送粉方法并利用保护气作为载粉气吹送到铸钢激光熔凝层表面，在已形成的激光熔凝层上激光熔覆金属合金打底层，作为铸钢与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，使复合涂层与铸钢表面形成无气孔裂纹的良好结合；
步骤六、在步骤五所形成的金属合金打底层表面进行激光熔覆处理，金属合金粉末通过同轴送粉方法并利用保护气作为载粉气而吹送到铸钢金属合金打底层表面，在已形成的金属合金打底层上激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层。
2.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤四，激光熔凝处理中的激光功率2000～3500W，激光扫描速200～350mm/min，激光光斑直径4～6mm。
3.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤四中，所述激光熔凝层厚度为0.3～0.5mm，熔凝层均匀无缺陷、无裂纹。
4.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：步骤五中，激光熔覆处理中的激光功率1500～2500W，激光扫描速率200～350mm/min，送粉速率3～5g/min，激光光斑直径2～4mm。
5.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤五、步骤六中，所述保护气为氩气；步骤五中的保护气流量6～10l/min；步骤六中保护气流量8～15l/min。
6.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤五中，所述金属合金打底层厚度为0.3～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤五中，金属合金打底层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％～0.03％、Si:0.1％～0.14％、Mn:0.4％～0.46％、Cr:15.5％～16.5％、Co:2.0％～2.8％、Mo:15.5％～16.5％、W:3.8％～4.6％、Nb:0.31％～0.37％、Fe:0.7％～0.8％、Ni:余量。
8.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：步骤六中，对铸钢表面进行激光熔覆处理时，激光功率1800～2600W，激光扫描速率250～400mm/min，粉末送粉速率5～8g/min，激光光斑直径2～4mm。
9.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤六中，所述金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8～1.0mm。
10.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤六中，耐磨耐冲击层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％～0.34％、Si:3.5％～4.3％、Cr:10.5％～11.5％、B:2.0％～2.6％、Fe:10.0％～11.0％、Ni:余量。
11.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤三中，所述对铸钢的预处理温度为400～500℃。
12.根据权利要求1所述的铸钢表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，其特征在于：所述步骤一中，金属合金粉末在80～90℃的真空干燥箱中干燥90～120min。
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