CN114635087A - 修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末及方法 - Google Patents
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Abstract
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末及方法，涉及激光增材修复与再制造技术领域。其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.09%；Cr：16.5%；Ni：3.5%；Mn：0.8%；Si：0.8%；Nb：0.2%；Cu：3.4%；Mo：0.13%；N：0.08%；余量为Fe。其制备方法如下：配置合金混合物；雾化制粉；粉末过筛；修复轴类钢零件表面螺纹的方法如下：车削去损；基材预处理；激光增材。本发明其适用于高强中碳轴类钢零件表面螺纹滑丝磨损后的激光增材修复，具有广阔的工业应用前景。激光增材试样的抗拉强度、冲击韧性值、延伸率较高，显微硬度适中，螺纹切削加工性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材修复与再制造技术领域，特别是一种修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末及方法。
背景技术
螺纹类零件是机械生产和装配过程中的常用零件，主要是起到固定和连接作用，螺纹类零件的种类十分众多，有套类螺纹件、轴类螺纹件、圆弧类螺纹件和圆锥类螺纹件等样式。其中，轴类螺纹件在机床、汽车、农机、工程机械等行业的机械装备中应用十分广泛，但轴类螺纹件在运行过程中常常由于表面局部螺纹的滑丝或错位，造成整个零件报废，从而增加了生产成本。
目前，修复轴类螺纹件主要采用堆焊修复法，但修堆焊修复法存在降低基体强度、修复质量不稳定、结合性能差、工艺技术要求复杂等缺点，难以满足轴类螺纹件修复后长期稳定工作的要求。
激光增材再制造技术作为近年来兴起的新技术，目前已在航空、国防、交通、冶金、采矿等领域得到应用，其与传统制造技术相比，具有柔性化、易于实现智能化、生产周期短等特点，受到越来越多的关注。但目前未见激光增材再制造技术应用于轴类螺纹件的修复。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末及方法，它解决了传统的堆焊修复轴类螺纹件的方法存在降低基体强度、修复质量不稳定、结合性能差、工艺技术要求复杂的问题。
本发明的技术方案是：修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08～0.12%；Cr：15～17%；Ni：3～4%；Mn：0.7～1%；Si：0.7～1%；Nb：0.15～0.25%；Cu：2.5～3.5%；Mo：0.1～0.2%；N：0.06～0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.09%；Cr：16.5%；Ni：3.5%；Mn：0.8%；Si：0.8%；Nb：0.2%；Cu：3.4%；Mo：0.13%；N：0.08%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
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本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：1%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：0.7%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：1%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.15%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.25%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：2.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：3.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.1%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.2%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明进一步的技术方案是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
本发明的技术方案是：修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末的制备方法，步骤如下：
S01，配置合金混合物：按照上述合金粉末所含元素及各元素的质量百分比，选取铁碳、铁铬、镍铬、铁锰、铁硅、铁铌、铁铜、铁钼中间合金，配成合金混合物；
S02，雾化制粉：用真空感应炉将合金混合物熔炼为成分合格的合金液体，再将合金液体注入真空雾化制粉装置的中间包内，合金液从中间包底部漏眼流出，通过真空雾化制粉装置的雾化熔覆喷嘴时，与高纯氮气接触而被雾化为细小液滴，并将氮元素固溶于液滴中，氮化后的液滴在真空雾化装置的雾化筒内快速凝固成铁基合金粉末；
S03：粉末过筛：将铁基合金粉末过-80～320目的筛网，即得到修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末。
本发明进一步的技术方案是：S01步骤中，通过选取一定纯度的中间合金，从而控制合金混合物中有害元素P的质量百分比≤0.05%，有害元素S的质量百分比≤0.05%。
本发明再进一步的技术方案是：S02步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气。
本发明的技术方案是：修复轴类钢零件表面螺纹的方法，应用于上述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，步骤如下：
S01，车削去损：将表面螺纹受损的轴类钢零件回转车削至无损伤，车削范围包含螺纹受损区段，车削后的轴类钢零件称为基材；
S02，基材预处理：先使用磨床将基材表面的氧化层去除，再将基材放入无水乙醇中超声清洗，以去除表面油污，然后将基材放入真空干燥箱中，进行干燥处理，以待后续使用；
S03，激光增材：
a、设定激光增材***中的以下参数：激光波长1064～1080nm，激光焦距200mm，离焦量25mm，激光能量密度为38996～53078W/cm2，激光扫描速度为6～10mm/s，送粉速度4.33g/min，搭接系数0.45～0.5，保护气体的流量为7.4～7.6L/min，送粉气体的流量为9.9～10.1L/min，保护气体与送粉气体均为高纯氮气；
b、先将基材从真空干燥箱中取出，安装在三爪卡盘上，再根据基材的车削范围确定激光扫描轨迹，最后分别调整熔覆喷嘴和激光器移动至与扫描轨迹起始位置相对应的位置；
c、在送粉器中添加修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末；
d、启动激光增材***，一方面，激光发生器向基材表面发射激光并在基材表面形成熔池；另一方面，送粉器通过气路管道向粉末喷嘴送粉，粉末喷嘴采用同轴送粉或侧向送粉的方式向熔池送粉；再一方面，三爪卡盘驱动基材沿其中心轴匀速转动；通过激光器、送粉器、粉末喷嘴和三爪卡盘的协同动作，将修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末均匀增材在基材上；
本步骤中，激光增材***包括送粉装置、激光器和工作平台；送粉装置包括送粉器和粉末喷嘴，送粉器和粉末喷嘴通过气路管道连通；激光器包括激光发生器、激光控制器和电源；工作平台上设有用于夹持固定轴类零件的三爪卡盘；
本步骤中，a、b、c分步骤不分先后次序；
S04，机加成型：采用机加工方式加工出符合工艺参数要求的螺纹，即完成了轴类钢零件表面螺纹的修复。
本发明进一步的技术方案是：S03步骤中，c分步骤完成时，熔覆喷嘴与基材的距离为5mm，激光器的激光射出方向竖直向下。
本发明再进一步的技术方案是：S03步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气。
本发明更进一步的技术方案是：S03步骤中，激光增材后的基材单边机加工余量不小于0.6mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：其适用于高强中碳轴类钢零件表面螺纹滑丝磨损后的激光增材修复，具有广阔的工业应用前景。激光增材试样的抗拉强度、冲击韧性值、延伸率较高，显微硬度适中，螺纹切削加工性能良好。修复后，一方面无需进行热处理，另一方面激光增材层和基体(40CrNiMo)之间具有良好的结合性能。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为金相检测试样在激光增材区的金相组织图；
图2为金相检测试样在激光增材区的SEM组织相图；
图3为金相检测试样在结合区的金相组织图；
图4为金相检测试样在结合区的SEM组织相图；
图5为拉伸试验试样的结构及尺寸图；
图6为拉伸试验试样的拉伸断口形貌图(放大倍数1000倍)；
图7为拉伸试验试样的拉伸断口形貌图(放大倍数10000倍)；
图8为拉伸试验试样在拉伸前后的形态对比图；
图9为拉伸试验试样的应力-应变曲线图；
图10为拉伸试验试样的XRD分析图；
图11为硬度检测试样沿横截面径向方向的显微硬度分布图；
图12为冲击性能测试试样的冲击韧性柱状图。
具体实施方式
实施例1：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08～0.12%；Cr：15～17%；Ni：3～4%；Mn：0.7～1%；Si：0.7～1%；Nb：0.15～0.25%；Cu：2.5～3.5%；Mo：0.1～0.2%；N：0.06～0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例2：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.09%；Cr：16.5%；Ni：3.5%；Mn：0.8%；Si：0.8%；Nb：0.2%；Cu：3.4%；Mo：0.13%；N：0.08%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例3：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例4：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例5：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：15%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例6：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：17%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例7：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：3%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例8：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：4%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例9：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：0.7%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例10：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：1%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例11：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：0.7%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例12：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：1%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例13：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.15%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例14：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.25%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例15：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：2.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例16：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：3.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例17：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.1%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例18：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.2%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例19：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
实施例20：
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
上述合金粉末中的各元素的作用如下：
C：适当含量的C元素能形成固溶体组织和碳化物组织，进而提高材料的耐磨性、硬度和强度；
Cr：适当含量的Cr元素能提高材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性；
Ni：一方面，适当含量的Ni元素能提高材料的力学性能和耐腐蚀性，另一方面，Ni元素是奥氏体化的形成元素，在激光熔覆快速冷却的过程中，Ni元素可导致马氏体相变不完全，从而使试样中马氏体和少量奥氏体共存，提高材料的韧性；
Mn：适当含量的Mn能提高材料的钝化能力，进而提升材料的耐腐蚀性，但当Mn的含量过高时，材料的热导率急剧下降，线胀系数上升，快热或快冷时易形成较大内应力，导致材料易开裂，同时抗氧化性下降；
Si：适当含量的Si能在材料表面形成稳定的保护膜，以提升材料的耐腐蚀性；
Nb：适当含量的Nb能形成稳定的强碳化物，以提升材料的耐腐蚀性；
Cu：适当含量的Cu能提升材料的钝化能力，以提升材料的耐腐蚀性；
Mo：适当含量的Mo能提高材料的钝化能力，扩大材料的钝化介质范围，含Mo的不锈钢可形成含Mo的钝化膜，含Mo的钝化膜在许多强腐蚀介质中具有很高的稳定性，不易溶解；
N：适当含量的N元素能增加激光成型层的强度，抑制碳化物析出，强化Cr等元素的抗腐蚀性能，但当N含量过高时，N元素易析出，进而造成气孔以及降低晶界耐腐蚀性。
修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末的制备方法如下：
S01，配置合金混合物：按照上述合金粉末所含元素及各元素的质量百分比，选取铁碳、铁铬、镍铬、铁锰、铁硅、铁铌、铁铜、铁钼中间合金，配成合金混合物。
本步骤中，通过选取一定纯度的中间合金，从而控制合金混合物中有害元素P的质量百分比≤0.05%，有害元素S的质量百分比≤0.05%。
S02，雾化制粉：用真空感应炉将合金混合物熔炼为成分合格的合金液体，再将合金液体注入真空雾化制粉装置的中间包内，合金液从中间包底部漏眼流出，通过真空雾化制粉装置的雾化熔覆喷嘴时，与高纯氮气接触而被雾化为细小液滴，并将氮元素固溶于液滴中，氮化后的液滴在真空雾化装置的雾化筒内快速凝固成铁基合金粉末。
本步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气。
S03：粉末过筛：将铁基合金粉末过-80～320目的筛网，即得到修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末。
修复轴类钢零件表面螺纹的方法如下：
S01，车削去损：将表面螺纹受损的轴类钢零件回转车削至无损伤，车削范围包含螺纹受损区段，车削后的轴类钢零件称为基材。
本步骤中，车削范围最大可占轴类钢零件的轴向全长。
S02，基材预处理：先使用磨床将基材表面的氧化层去除，再将基材放入无水乙醇中超声清洗，以去除表面油污，然后将基材放入真空干燥箱中，进行干燥处理，以待后续使用。
S03，激光增材：
a、设定激光增材***中的以下参数：激光波长1064～1080nm，激光焦距200mm，离焦量25mm，激光能量密度为38996～53078W/cm2，激光扫描速度为6～10mm/s，送粉速度4.33g/min，搭接系数0.45～0.5，保护气体的流量为7.4～7.6L/min，送粉气体的流量为9.9～10.1L/min，保护气体与送粉气体均为高纯氮气；
b、先将基材从真空干燥箱中取出，安装在三爪卡盘上，再根据基材的车削范围确定激光扫描轨迹，最后分别调整熔覆喷嘴和激光器移动至与扫描轨迹起始位置相对应的位置；
c、在送粉器中添加修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末；
d、启动激光增材***，一方面，激光发生器向基材表面发射激光并在基材表面形成熔池；另一方面，送粉器通过气路管道向粉末喷嘴送粉，粉末喷嘴采用同轴送粉或侧向送粉的方式向熔池送粉；再一方面，三爪卡盘驱动基材沿其中心轴匀速转动；通过激光器、送粉器、粉末喷嘴和三爪卡盘的协同动作，将修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末均匀增材在基材上。
本步骤中，激光增材***包括送粉装置、激光器和工作平台；送粉装置包括送粉器和粉末喷嘴，送粉器和粉末喷嘴通过气路管道连通；激光器包括激光发生器、激光控制器和电源；工作平台上设有用于夹持固定轴类零件的三爪卡盘。
本步骤中，a、b、c分步骤不分先后次序。
本步骤中，c分步骤完成时，熔覆喷嘴与基材的距离为5mm，激光器的激光射出方向竖直向下。
本步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气。
本步骤中，激光增材后的基材单边机加工余量不小于0.6mm。
S04，机加成型：
采用机加工方式加工出符合工艺参数要求的螺纹，即完成了轴类钢零件表面螺纹的修复。
本发明适用于高强中碳轴类钢零件表面螺纹滑丝磨损后的激光增材修复，激光增材试样的抗拉强度、冲击韧性值、延伸率较高，显微硬度适中，螺纹切削加工性能良好。修复后，一方面无需进行热处理，另一方面激光增材层和基体(40CrNiMo)之间具有良好的结合性能。现结合金相结构检测、拉伸试验、显微硬度检测、剪切强度测试和冲击性能测试，证明其技术效果。
金相结构检测：
对激光增材的轴类钢零件的激光增材区进行金相结构检测，结合图1-2可以直观看出，激光增材区的显微结构呈无规则的板条状分布，具有明显的马氏体特征，间接证明了其具有优良的强度和硬度。
对激光增材的轴类钢零件的结合区进行金相结构检测，结合图3-4可以直观看出，激光增材区与基体热影响区之间出现一条细长带， 两者形成了良好的冶金结合，说明了激光增材层和基体(40CrNiMo)之间具有良好的结合性能。
拉伸试验：
将激光增材的轴类钢零件通过线切割的方式切下仅包含激光增材部分的一块材料，将切下的材料制成拉伸试验通用的试样，试样的形态及尺寸参看图5。将试样安装于WDW-20E材料万能试验机上，控制拉伸速度为0.02mm/min，对试样进行静态拉伸试验，直至将试样拉断裂。
结合图6-7可直观看出，拉伸断口处韧窝较多，说明激光增材部分具有优良的韧性。结合图8可直观看出，拉伸断口处具有明显的颈缩，试样长度有明显的伸长，说明激光增材部分具有优良的延展性。基于WDW-20E材料万能试验机的测量结果绘制应力-应变曲线图，参看图9，试样的平均拉伸强度1200±50MPa，屈服强度达到850～1000MPa，延伸率10%以上。对拉伸后的试样进行XRD分析，参看图10，其主要为体心立方马氏体相，以及一定量的碳化物析出相，具有较高的强度。
显微硬度检测：
定义激光增材的轴类钢零件(以下简称为试样)沿基体-过渡区-激光增材区为径向方向，平行于径向方向的截面为横截面。检测前，用砂纸和抛光机将试样的横截面进行抛光处理，以避免试样表面粗糙度影响显微硬度的测量，确保检测结果的准确性。
采用HVS-1000AV型维氏显微硬度计对试样横截面的径向方向进行硬度测量。测量参数为：加载载荷200g，保压时间10s，在试样的横截面的径向方向依次打15个硬度测试点，每个点之间的间距为200um。
结合图11可直观看出，距结合线-0.8～0mm及以下为基体(40CrNiMo)，显微硬度为404～419 HV(平均值412 HV)。距结合线0～0.6mm 为结合区和热影响区(即过渡区)，显微硬度为404～433HV(平均值419 HV)。距结合线0.6～1.8mm为激光增材区，显微硬度为370～387HV(平均值373HV)。据此可以看出，过渡区和激光增材区的整体硬度值波动不大，说明组织比较均匀，质量较好。基体(40CrNiMo)在激光增材修复后，激光增材区的显微硬度约为基体的90%，达到了修复的效果，同时切削加工性能良好。
剪切强度测试：
将激光增材的轴类钢零件通过线切割的方式切下仅包含增材部分的一块材料，将切下的材料参照GB/T8642-2002(热喷涂-抗拉结合强度)设计并制造试样。将试样安装于WDW-20E材料万能试验机上，控制剪切速度为0.02mm/min，分别进行静态剪切试验。试验结果显示：试样平均剪切强度为800±50MPa，可充分满足轴类钢零件表面螺纹的修复要求。
冲击性能测试：
将激光增材的轴类钢零件通过线切割的方式切下仅包含增材部分的材料，将切下的材料参照GB/T229-2020(金属材料-夏比摆锤冲击试验)设计并制造出三块同规格的试样(55×10×5mm)，其中两块不做任何热处理(原始态)，第三块做210℃低温回火处理。采用JB-300B半自动冲击试验机，对试样进行冲击试验。
结合图12可直观看出，两个原始态的试样的冲击韧性值分别为90 J/cm2和95 J/cm2，210℃低温回火处理的试样的冲击韧性值为95J/cm2，由此可知低温回火热处理对试样的冲击韧性影响不大，即修复后的轴类钢零件在低温工况下工作时，具有较好的热稳定性。
Claims (10)
1.修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08～0.12%；Cr：15～17%；Ni：3～4%；Mn：0.7～1%；Si：0.7～1%；Nb：0.15～0.25%；Cu：2.5～3.5%；Mo：0.1～0.2%；N：0.06～0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
2.如权利要求1所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其特征是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.09%；Cr：16.5%；Ni：3.5%；Mn：0.8%；Si：0.8%；Nb：0.2%；Cu：3.4%；Mo：0.13%；N：0.08%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
3.如权利要求1所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其特征是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.25%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
4.如权利要求1所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其特征是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.15%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
5.如权利要求1所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其特征是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.12%；Cr：17%；Ni：4%；Mn：1%；Si：1%；Nb：0.15%；Cu：3.5%；Mo：0.2%；N：0.12%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
6.如权利要求1所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，其特征是：其所含元素及各元素的质量百分比如下：C：0.08%；Cr：15%；Ni：3%；Mn：0.7%；Si：0.7%；Nb：0.25%；Cu：2.5%；Mo：0.1%；N：0.06%；余量为Fe；以上各元素质量百分比之和为100%。
7.制备如权利要求1-6中任一项所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末的方法，其特征是，步骤如下：
S01，配置合金混合物：按照上述合金粉末所含元素及各元素的质量百分比，选取铁碳、铁铬、镍铬、铁锰、铁硅、铁铌、铁铜、铁钼中间合金，配成合金混合物；
S02，雾化制粉：用真空感应炉将合金混合物熔炼为成分合格的合金液体，再将合金液体注入真空雾化制粉装置的中间包内，合金液从中间包底部漏眼流出，通过真空雾化制粉装置的雾化熔覆喷嘴时，与高纯氮气接触而被雾化为细小液滴，并将氮元素固溶于液滴中，氮化后的液滴在真空雾化装置的雾化筒内快速凝固成铁基合金粉末；
S03：粉末过筛：将铁基合金粉末过-80～320目的筛网，即得到修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末。
8.如权利要求7所述的制备修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末的方法，其特征是，S01步骤中，通过选取一定纯度的中间合金，从而控制合金混合物中有害元素P的质量百分比≤0.05%，有害元素S的质量百分比≤0.05%；S02步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气。
9.修复轴类钢零件表面螺纹的方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末，步骤如下：
S01，车削去损：将表面螺纹受损的轴类钢零件回转车削至无损伤，车削范围包含螺纹受损区段，车削后的轴类钢零件称为基材；
S02，基材预处理：先使用磨床将基材表面的氧化层去除，再将基材放入无水乙醇中超声清洗，以去除表面油污，然后将基材放入真空干燥箱中，进行干燥处理，以待后续使用；
S03，激光增材：
a、设定激光增材***中的以下参数：激光波长1064～1080nm，激光焦距200mm，离焦量25mm，激光能量密度为38996～53078W/cm2，激光扫描速度为6～10mm/s，送粉速度4.33g/min，搭接系数0.45～0.5，保护气体的流量为7.4～7.6L/min，送粉气体的流量为9.9～10.1L/min，保护气体与送粉气体均为高纯氮气；
b、先将基材从真空干燥箱中取出，安装在三爪卡盘上，再根据基材的车削范围确定激光扫描轨迹，最后分别调整熔覆喷嘴和激光器移动至与扫描轨迹起始位置相对应的位置；
c、在送粉器中添加修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末；
d、启动激光增材***，一方面，激光发生器向基材表面发射激光并在基材表面形成熔池；另一方面，送粉器通过气路管道向粉末喷嘴送粉，粉末喷嘴采用同轴送粉或侧向送粉的方式向熔池送粉；再一方面，三爪卡盘驱动基材沿其中心轴匀速转动；通过激光器、送粉器、粉末喷嘴和三爪卡盘的协同动作，将修复轴类钢零件表面螺纹专用铁基合金粉末均匀增材在基材上；
本步骤中，激光增材***包括送粉装置、激光器和工作平台；送粉装置包括送粉器和粉末喷嘴，送粉器和粉末喷嘴通过气路管道连通；激光器包括激光发生器、激光控制器和电源；工作平台上设有用于夹持固定轴类零件的三爪卡盘；
本步骤中，a、b、c分步骤不分先后次序；
S04，机加成型：采用机加工方式加工出符合工艺参数要求的螺纹，即完成了轴类钢零件表面螺纹的修复。
10.如权利要求9所述的修复轴类钢零件表面螺纹的方法，其特征是：S03步骤中，c分步骤完成时，熔覆喷嘴与基材的距离为5mm，激光器的激光射出方向竖直向下；S03步骤中，高纯氮气为纯度不低于99.999%的氮气；S03步骤中，激光增材后的基材单边机加工余量不小于0.6mm。
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