CN108867736A - 一种高硬高韧高耐腐的耐磨部件及其耐磨层的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高硬高韧高耐腐的耐磨部件及其表面耐磨层的加工方法,耐磨部件包括本体,本体表面设有通过激光熔覆制成的多个耐磨条,多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列。多个耐磨条形成了易磨损部件的特殊表面耐磨织构,形成非连续表面耐磨涂层,可解决因大面积处理形成较大热应力而导致零件的变形,以及多道搭接而引起的回火软化问题;兼并整体零部件的耐磨性及韧性的提高,同时可改善接触表面应力分布状态,改变磨粒在接触表面运动形式,降低接触表面的磨损失效,提高零件使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械零部件技术领域,特别是一种高硬高韧高耐腐的耐磨部件及其耐磨层的加工方法。
背景技术
双轮铣设备是目前国际上先进的地下连续墙(防渗墙)施工专用设备,在复杂地层条件下的施工效率高、精度高、适应性强,而且对于环境影响和污染小,被国内外广泛应用于地铁、地下管廊等工程。
在施工过程中,通过耐磨部件(限位块与导向环)的相互作用,不仅有效地消除铣削盲区,同时可以避免摆齿与减速机的干涉。因此,耐磨部件为双轮铣设备的关键工作装置,直接决定施工进程。但是,在铣削过程中,由于大量硬质颗粒混入限位块与导向环的接触面,导致耐磨部件发生严重磨损,寿命远低于设计值,需频繁更换,影响工程进度。因此,开发出一种高寿命的耐磨部件或耐磨强化处理工艺是十分必要的。
导向环与限位块基体材料为42CrMo,其结构如附图1-导向环和附图2-限位块所示。基于该耐磨部件的工作环境:潮湿、重载、冲击等极端条件,为了提高耐磨部件使用寿命,目前工程上采用常规热处理的方式使材料表面硬度处于35-40HRC之间,以保证材料表面硬度和韧性的兼顾。但仍存在以下几点不足:
(1)现有热处理技术对材料表面硬度的改善程度主要由基材合金元素种类与含量决定,通过热处理方式提高的硬度上限有其局限性;
(2)工作过程中,有大量的冲击与振动的作用,必然要保证零件有足够的韧性,因此限制零件表面硬度最大程度的提高;
(3)现有热处理时间较长,工艺繁琐,不同区域强化层厚度与性能无法进行有效的调控,并且零件整体热处理会造成大量能源的浪费;
(4)热处理工艺无法有效改善零件表面耐腐蚀性,会导致因表面腐蚀而引起的磨损加剧,降低耐磨部件的使用寿命。
因此,采用传统热处理方式所制备的限位块无法达到最佳的使用状态,直接导致导向环与限位块寿命远低于设计值,无法满足工程需求。
名词解释
LC --- Laser Cladding 激光熔覆。
发明内容
本发明要解决的技术问题为,利用激光熔覆技术,在部件表面制备出具有特殊形状的表面织构,提高部件表面硬度与耐腐蚀性,减少部件在工作过程中的磨损以及因表面腐蚀而引起的磨损加剧。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种高硬高韧高耐腐的耐磨部件,包括本体,本体表面设有通过激光熔覆制成的多个耐磨条,多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列;
各耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度为0.5-3mm,宽度为2-10mm。
优选的,条纹状的多个耐磨条相互平行,相邻两个耐磨条之间的间距为2-40mm。耐磨条的倾斜角度不限,但始终与磨损方向呈一定的角度而不平行。
优选的,所述网格状由正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组相互交叉形成;正向倾斜耐磨条条纹组以及反向倾斜耐磨条条纹组中的多个耐磨条分别相互平行,且分属两组的任意两个相交叉的耐磨条之间的夹角为30-150°。正向倾斜以及反向倾斜的耐磨条分别与磨损方向呈一定的角度而不平行,可使表面接触应力沿耐磨条方向传导,改变接触面应力分布状态,降低磨粒运动驱动力,而提升耐磨部件的使用寿命。
优选的,正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组中,相邻耐磨条之间的间距相等,为2-40mm。
优选的,所述耐磨部件为双轮铣设备的导向环与限位块。
一种前述耐磨部件上耐磨层的加工方法,包括步骤:
S1,对部件表面进行打磨和清洗,以祛除覆层和杂质;
S2,选取耐磨条金属原材料,利用高能激光束将耐磨条金属原材料熔化并沉积于待处理的部件本体表面,形成单道激光熔覆层,即单个耐磨条;
S3,控制激光熔覆工作头的扫描路径,重复步骤S2,以在部件本体表面制出多个所述耐磨条,且多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列。
本发明中,激光熔覆技术及其中工作头的路径控制方法为现有技术,路径控制参数可根据所要制成的单道激光熔覆层的尺寸和硬度参数,以及多个耐磨条的排列方式进行相应调整。
优选的,S2中,所述耐磨条金属原材料为金属粉末、金属焊条或金属丝材。
优选的,S2中,所述单个耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度为0.5-3mm,宽度为2-10mm。
优选的,S2中,所述单个耐磨条的横截面为半圆形。
优选的,S3中,当多个耐磨条需要在本体表面呈网格状排列时,先沿第一倾斜方向制出多个相互平行且间距相等的正向耐磨条,然后在正向耐磨条上方,沿与第一倾斜方向相反的第二倾斜方向,制出多个相互平行且间距相等的反向耐磨条;反向耐磨条与正向耐磨条的交叉点上,两者的夹角为30-150°。
本发明所述倾斜方向相反可理解为:随着耐磨条的长度延伸,第一倾斜方向/正向倾斜为从下向上倾斜,第二倾斜方向/反向倾斜为从上向下倾斜;也可以理解为第一倾斜方向/正向倾斜与第二倾斜方向/反向倾斜的斜率为一正一负,但斜率的绝对值可相等或不等。
有益效果
本发明通过基于激光熔覆技术,在导向环与限位块表面制备出具有特殊表面织构的耐磨层:条纹状与网格状,并确定耐磨条的取向、耐磨条之间的间距等特征量,使得耐磨部件兼并耐磨性与韧性和耐腐蚀性。同时应用本发明耐磨层加工方法的耐磨部件,如导向环与限位块制备过程简单,相比于传统热处理表面强化方式所制备耐磨层,能够明显提高耐磨损性能约为原处理方式4-6倍。此外,相比于大面积激光熔覆处理,本发明能解决因搭接而产生的回火软化的问题,并且很好的降低热输入量,减少处理区域的残余热应力。同时本发明应用于双轮铣等工程机械时,能显著降低导向环与限位块的更换频次,提高双轮铣可靠性,提高产品市场竞争力。
附图说明
图1所示为双轮铣导向环;
图2所示为双轮铣限位块;
图3所示为单道激光熔覆层截面示意图;
图4所示为激光熔覆制备的条纹状耐磨层织构表面示意图;
图5所示为激光熔覆制备的网格状耐磨层织构表面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
实施例1
结合图3至图5所示,本实施例的高硬高韧高耐腐的耐磨部件,包括本体1,本体表面设有通过激光熔覆制成的多个耐磨条2,多个耐磨条2在本体1表面呈条纹状或网格状排列;
各耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度d为0.5-3mm,宽度w为2-10mm。
图1和图2所示,本实施例所述耐磨部件为即双轮铣的导向环和限位块,本发明尤其适用于这类工程机械的易磨损部件。
参考图4所示,条纹状的多个耐磨条相互平行,相邻两个耐磨条之间的间距S1为2-40mm。耐磨条的倾斜角度α不限,但始终与磨损方向呈一定的角度而不平行。
参考图5所示,网格状由正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组相互交叉形成;正向倾斜耐磨条条纹组以及反向倾斜耐磨条条纹组中的多个耐磨条分别相互平行,且分属两组的任意两个相交叉的耐磨条之间的夹角θ为30-150°。正向倾斜以及反向倾斜的耐磨条分别与磨损方向呈一定的角度而不平行,可使表面接触应力沿耐磨条方向传导,改变接触面应力分布状态,降低磨粒运动驱动力,而提升耐磨部件的使用寿命。
正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组中,相邻耐磨条之间的间距相等,S2=S3=2-40mm。
本实施例具有以下优点和进步:
(1)基于激光熔覆技术快速加热和冷却的特点,本发明所制备的涂层具有极细的晶粒尺寸,能显著提高处理表面硬度与耐腐蚀性,可降低部件在工作过程中的磨损以及表面腐蚀而引起的磨损加剧;
(2)耐磨层可为部件之间如限位块基体与导向环基体之间直接接触时,提供接触面的支撑作用,明显降低混入的砂石颗粒在基体处产生的接触应力,从而减少较软(基体)区域的磨损而达到延长使用寿命的效果;
(3)当硬质颗粒在部件接触面移动时,由于较硬的耐磨条的存在,使硬质颗粒的运动形式由滑动转变成滚动,从而降低摩擦系数,提升耐磨部件使用寿命;
(4)由于所制备的耐磨条与磨损方向呈一定的角度,使表面接触应力沿耐磨条方向传导,改变接触面应力分布状态,降低磨粒运动驱动力而提升耐磨部件的使用寿命;
(5)具有特殊表面织构的耐磨部件导向环与限位块,在水平方向与竖直方向形成典型的软-硬相间的结构(仿生结构),在实际工作过程中,硬质面或硬质区域(耐磨条)起到良好的抵抗变形或耐磨的效果,达到耐磨性的提高,而软质面或软质区域(基体)具有较好的韧性,能吸收部分冲击功或震动,降低耐磨部件内部因残余应力的积累而引起部件的磨损、断裂等失效。
实施例2
一种前述耐磨部件上耐磨层的加工方法,包括步骤:
S1,对部件表面进行打磨和清洗,以祛除覆层和杂质;耐磨条金属原材料为金属粉末、金属焊条或金属丝材;覆层为待处理表面的油漆、油污与锈蚀等,清洗可采用酒精,以祛除待处理表面的残留金属颗粒、低熔点物质等杂质;
S2,选取耐磨条金属原材料,利用高能激光束将耐磨条金属原材料熔化并沉积于待处理的部件本体表面,形成单道激光熔覆层,即单个耐磨条,如图3所示;单个耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度为0.5-3mm,宽度为2-10mm,截面为半圆形;单个耐磨条为内部无气孔、裂纹、夹杂等缺陷的金属涂层;
S3,控制激光熔覆工作头的扫描路径,重复步骤S2,以在部件本体表面制出多个所述耐磨条,且多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列,即在零件表面制备出表面织构耐磨层。
本发明中,激光熔覆技术及其中工作头的路径控制方法为现有技术,路径控制参数可根据所要制成的单道激光熔覆层的尺寸和硬度参数,以及多个耐磨条的排列方式进行相应调整。
S3中,当多个耐磨条需要在本体表面呈网格状排列时,先沿第一倾斜方向制出多个相互平行且间距相等的正向耐磨条,然后在正向耐磨条上方,沿与第一倾斜方向相反的第二倾斜方向,制出多个相互平行且间距相等的反向耐磨条;反向耐磨条与正向耐磨条的交叉点上,两者的夹角为30-150°。
本实施例具有以下优点和进步:
(1)基于激光熔覆技术,通过工艺流程简单、高效的方式制备出厚度可控性强,耐磨效果提升明显的耐磨层,实现高耐磨导向环与限位块的制备,不仅降低耐磨部件加工成本,而且提升耐磨部件的使用寿命;
(2)特殊表面织构能解决大面积涂层制备过程中因多道搭接而产生的回火软化的问题;同时,非连续表面织构可减少涂层制备过程中的热输入,降低残余热应力对涂层性能的影响或导致基体的变形;
(3)方法柔性加工性较强,可实现复杂曲面、内孔表面耐磨性提升,对复杂零部件进行仿形表面强化,同时可实现大尺寸零件表面区部强化。
实施例1和实施例2中,所述倾斜方向相反可理解为:随着耐磨条的长度延伸,第一倾斜方向/正向倾斜为从下向上倾斜,第二倾斜方向/反向倾斜为从上向下倾斜;也可以理解为第一倾斜方向/正向倾斜与第二倾斜方向/反向倾斜的斜率为一正一负,但斜率的绝对值可相等或不等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高硬高韧高耐腐的耐磨部件,其特征是:包括本体,本体表面设有通过激光熔覆制成的多个耐磨条,多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列;
各耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度为0.5-3mm,宽度为2-10mm。
2.根据权利要求1所述的高硬高韧高耐腐的耐磨部件,其特征是:条纹状的多个耐磨条相互平行,相邻两个耐磨条之间的间距为2-40mm。
3.根据权利要求1所述的高硬高韧高耐腐的耐磨部件,其特征是:所述网格状由正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组相互交叉形成;正向倾斜耐磨条条纹组以及反向倾斜耐磨条条纹组中的多个耐磨条分别相互平行,且分属两组的任意两个相交叉的耐磨条之间的夹角为30-150°。
4.根据权利要求3所述的高硬高韧高耐腐的耐磨部件,其特征是:正向倾斜耐磨条条纹组和反向倾斜耐磨条条纹组中,相邻耐磨条之间的间距相等,为2-40mm。
5.根据权利要求1所述的高硬高韧高耐腐的耐磨部件,其特征是:所述耐磨部件为双轮铣设备的导向环与限位块。
6.一种权利要求1-5任一项所述耐磨部件上耐磨层的加工方法,其特征是:包括步骤:
S1,对部件表面进行打磨和清洗,以祛除覆层和杂质;
S2,选取耐磨条金属原材料,利用高能激光束将耐磨条金属原材料熔化并沉积于待处理的部件本体表面,形成单道激光熔覆层,即单个耐磨条;
S3,控制激光熔覆工作头的扫描路径,重复步骤S2,以在部件本体表面制出多个所述耐磨条,且多个耐磨条在本体表面呈条纹状或网格状排列。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征是:S2中,所述耐磨条金属原材料为金属粉末、金属焊条或金属丝材。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征是:S2中,所述单个耐磨条的硬度为40-60HRC,厚度为0.5-3mm,宽度为2-10mm。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征是:S2中,所述单个耐磨条的横截面为半圆形。
10.根据权利要求6所述的方法,其特征是:S3中,当多个耐磨条需要在本体表面呈网格状排列时,先沿第一倾斜方向制出多个相互平行且间距相等的正向耐磨条,然后在正向耐磨条上方,沿与第一倾斜方向相反的第二倾斜方向,制出多个相互平行且间距相等的反向耐磨条;反向耐磨条与正向耐磨条的交叉点上,两者的夹角为30-150°。
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