CN100462482C - 金属螺杆组件表面的合金涂层工艺 - Google Patents
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Abstract
一种金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，金属螺杆组件包括金属螺杆和止逆环，所述的合金涂层工艺包括如下工艺步骤：(1)清洁金属螺杆组件需处理区表面；(2)在清洁后的表面涂覆合金粉末材料，所述的合金粉末组分为：W：70～72%；Co：19～22%；C：5.5～6%；Al2O3：2～3%；(3)根据金属螺杆工作情况选择相应光斑的激光束和搭接量进行激光处理；(4)激光处理后的金属用液体冷却剂冷却即可。本发明利用激光技术进行表面处理，通过高能量密度的激光束快速扫描待处理表面，获得与基体呈牢固冶金结合的高性能合金涂层。较渗氮处理层抗磨蚀性能提高2倍以上，实际使用寿命提高3倍以上。
Description
(一)技术领域
本发明属材料表面工程领域，涉及金属螺杆组件的表面处理工艺，适用于塑料机械、工业泵及压缩机等金属螺杆及配件止逆环的表面处理。
(二)背景技术
目前，金属螺杆在塑料机械、食品机械、工业泵、压缩机等设备中被广泛应用。每年因螺杆的磨蚀等原因造成了大量的材料及能源的损失。特别是塑料机械行业，由于采用了各种改性塑料及因石油价格居高不下而大量采用含有泥、沙、金属屑的回炉料，使得该类螺杆的磨蚀更为严重。止逆环是螺杆的重要配件，在塑料机械中，止逆环是防止塑料熔体在注射时往后泄漏的一个关键零件，承担着用最小的成本来提高成型精确度的任务。其工作原理在于止逆环与止逆垫圈(过胶垫圈)接触形成一个封闭结构，阻止塑料熔体泄漏。由于高温熔体的压入，止逆环极易磨损，由此影响止逆环动作反应的快慢，导致成型不均，严重影响注塑制品质量的精密程度。如今各设备制造厂家迫切需要一种性价比高的金属螺杆及止逆环，而现今螺杆组件常用的强化工艺有两种：化学热处理或表面镀、焊硬质合金的方法。化学热处理中渗碳工艺虽能获得一定的硬度与深度，但如注塑机一类在较高温度下工作的螺杆，因回火作用使得螺杆很快失效；渗氮硬度虽较高但硬化层太薄，实际使用效果也很差。而采用表面镀、焊硬质合金等工艺存在着与基体的结合强度不够、涂层性能不高等问题。
(三)发明内容
本发明的目的是解决现有金属螺杆组件进行表面处理存在的与基体的结合强度不够、涂层性能不高等缺点，提供一种与基体结合强度大、操作方便、涂层性能高的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺。
本发明所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，所述的金属螺杆组件包括金属螺杆和止逆环，所述的合金涂层工艺包括如下工艺步骤：
(1)清洁金属螺杆组件需处理区表面；
(2)在清洁后的表面涂覆合金粉末材料，所述的合金粉末组分为：W粉末：70～72％；Co粉末：19～22％；C粉末：5.5～6％；Al2O3粉末：2～3％；
(3)根据螺杆工作情况选择相应光斑的激光束进行激光处理；
(4)激光处理后的金属用液体冷却剂冷却即可。
进一步，所述W、Co、C粉末粒径各自为1～5微米。
所述Al2O3粉末粒径为60～80nm。
激光束沿着金属螺杆的螺纹逐渐搭接进给，搭接量为1～4mm。
步骤(4)所述的液体冷却剂为水。
步骤(4)所述的冷却过程中，水与激光光束同方向运动并落后于处理光斑10～20mm。
步骤(3)中激光采用二氧化碳横流激光器，激光波长为10.6μm，激光功率密度为7.5～20kW/cm2，光束与金属表面的相对扫描线速度0.5～1.0m/min。
步骤(2)中所述的合金粉末组分为：W粉末：70％；Co粉末：21％～22％；C粉末：5.5％～6.0％；纳米Al2O3粉末：2.5％～3.0％。
所述金属螺杆、止逆环基体材料为40Cr或42CrMo、或45CrMo，所述的合金涂层工艺包括如下工艺步骤：清洁金属螺杆组件需处理区表面；在清洁后的表面涂覆合金粉末材料，所述的合金粉末组分为：W粉末：70％；Co粉末：21％；C粉末：6.0％；纳米Al2O3粉末：3.0％；根据金属螺杆工作情况选择相应光斑的激光束和搭接量进行激光处理，其中激光采用二氧化碳横流激光器，激光波长为10.6μm，激光功率密度为7.5～20kW/cm2，光束与金属表面的相对扫描线速度0.5～1.0m/min。激光处理后的金属用水冷却即可。
采用本发明具有以下优点：本发明利用激光技术对螺杆及止逆环进行表面处理，通过高能量密度的激光束快速扫描待处理表面，由于极快的加热和冷却速度，使超细的钨钴合金粉和纳米Al2O3粒子均匀弥散分布在金属表面，且晶粒不易长大，从而形成纳米级晶粒，获得与基体呈牢固冶金结合的高性能合金涂层。主要强化相WC、纳米Al2O3使涂层具有优异的耐高温磨蚀性能。结果表明，激光合金涂层较常规渗氮处理层抗磨蚀性能提高2倍以上，实际使用寿命提高3倍以上；与双金属螺杆的使用寿命相近。而该工艺的生产成本与常规渗氮处理的成本相当。
(四)附图说明
图1为本发明进行合金涂层工艺的数控编程流程图；
图2为本发明金属螺杆表面涂层处理示意图：
图3为本发明止逆环表面涂层处理示意图；
其中，1—激光辐照方向，2—激光扫描运动方向，3—工件旋转方向。
(五)具体实施方式
实施例一：
参照附图2，所处理的金属螺杆型号为SCM，材质42CrMo，处理状态为调质。激光处理前，定制夹具并预先确定处理面积及搭接量；然后根据螺杆需处理部位的具体尺寸进行数控编程；清洗螺杆表面待处理区域，涂覆合金涂料。激光处理时采用水冷却。
下面以FT-130注塑机的金属螺杆表面处理为例，具体步骤如下：
1、以三角爪盘及顶针安装金属螺杆。
2、根据处理要求，按照型线进行数控编程，程序框图如图1所示，代码如下：
程序：
N0005 G64
N0010 M4
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N0035 M09 M05
N0040 G91 G01 Z960 F1500
N0045 M30。
3、清洗待处理部位：用丙酮、松香水等除去油污。
4、预置合金层：主要组分为W粉末：70％；Co粉末：22％；C粉末：5.5％；纳米Al2O3粉末：2.5％。
5、激光表面处理：
激光处理参数：本工艺采用激光功率密度11.4kW/cm2，扫描速度570mm/min，搭接量2mm，冷却液(水)的流量为5L/min。
6、清洗处理区域。
7、检测：
1)显微硬度检测结果(横截面制作金相试样，载荷200g)
| 层深(mm) | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 |
| 硬度(HV) | 892 | 945 | 980 | 908 | 858 | 756 |
2)X探伤检验，无内裂纹。
3)耐磨性能检测，耐磨性能提高2.3倍。
对材质为42CrMo的SCM螺杆进行表面处理后，改善了其耐磨性能。在相同工况条件下，使用寿命由原来的21天提高到现在的三个月。
实施例二：
参照附图3，所处理的止逆环是实施例1金属螺杆的配件，材料40Cr，预处理状态为调质。处理前，定制夹具并预先确定处理面积及搭接量；然后根据止逆环待处理部位的具体尺寸进行数控编程；清洗表面待处理区域，涂覆合金涂料。激光处理时采用水冷却。
下面以FT-130注塑机的止逆环为例，说明如下：
1、以三角爪盘安装该止逆环，并调节水平。
2、根据处理要求，按照型线进行数控编程，程序框图如图1所示，代码如下：
程序：
N0005 G64
N0010 M4
N0015 M2＝4 S2-45 M08
N0020 G04 X＝14
N0025 M9 M05
N0030 M30。
3、清洗表面待处理部位：用丙酮、松香水等除去油污。
4、预置合金层：主要组分为W粉末：70％；Co粉末：21％；C粉末：6.0％；纳米Al2O3粉末：3.0％。
5、激光表面处理：
激光处理参数：本工艺采用激光功率密度14kW/cm2，扫描速度670mm/min，搭接量3mm。
6、清洗表面处理区域。
7、检测：
1)显微硬度检测结果(横截面制作金相试样，载荷200g)
| 层深(mm) | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.30 | 0.40 |
| 硬度(HV) | 912 | 878 | 955 | 856 | 746 | 563 |
2)X探伤检验，无内裂纹。
3)耐磨性能检测，耐磨性能提高2.4倍。
对止逆环进行表面处理后，改善了其耐磨性能。在相同工况条件下，提高使用寿命3倍。
Claims (9)
1.一种金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于，所述的金属螺杆组件包括金属螺杆和止逆环，所述的合金涂层工艺包括如下工艺步骤：
(1)、清洁金属螺杆组件需处理区表面；
(2)、在清洁后的表面涂覆合金粉末材料，所述的合金粉末组分为：W粉末：70～72％；Co粉末：19～22％；C粉末：5.5～6％；Al2O3粉末：2～3％；
(3)、根据金属螺杆工作情况选择相应光斑的激光束和搭接量进行激光处理；
(4)、激光处理后的金属用液体冷却剂冷却即可。
2.如权利要求1所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：所述W、Co、C粉末粒径各自为1～5微米。
3.如权利要求2所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：所述Al2O3粉末粒径为60～80nm。
4.如权利要求3所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：激光束沿着金属螺杆的螺纹逐渐搭接进给，搭接量为1～4mm。
5.如权利要求1—4之一所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：步骤(4)所述的液体冷却剂为水。
6.如权利要求1—4之一所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：步骤(4)所述的冷却过程中，水与激光光束同方向运动并落后于处理光斑10～20mm。
7.如权利要求1所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：步骤(3)中激光采用二氧化碳横流激光器，激光波长为10.6μm，激光功率密度为7.5～20kW/cm2，光束与金属表面的相对扫描线速度0.5～1.0m/min。
8.如权利要求1所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：步骤(2)中所述的合金粉末组分为：W粉末：70％；Co粉末：21％～22％；C粉末：5.5％～6.0％；纳米Al2O3粉末：2.5％～3.0％。
9.如权利要求1所述的金属螺杆组件表面的合金涂层工艺，其特征在于：所述金属螺杆、止逆环基体材料为40Cr或42CrMo、或45CrMo，所述的合金涂层工艺包括如下工艺步骤：
(1)、清洁金属螺杆组件需处理区表面；
(2)、在清洁后的表面涂覆合金粉末材料，所述的合金粉末组分为：W粉末：70％；Co粉末：21％；C粉末：6.0％；纳米Al2O3粉末：3.0％；
(3)、根据金属螺杆工作情况选择相应光斑的激光束和搭接量进行激光处理，其中激光采用二氧化碳横流激光器，激光波长为10.6μm，激光功率密度为7.5～20kW/cm2，光束与金属表面的相对扫描线速度0.5～1.0m/min；
(4)、激光处理后的金属用水冷却即可。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Assignee: Zhejiang Huaye Plastics Machinery Co., Ltd. Assignor: Zhejiang University of Technology|Hangzhou Buohua Laser Technology Co., Ltd. Contract fulfillment period: 2009.8.10 to 2014.8.9 contract change Contract record no.: 2009330002740 Denomination of invention: Alloy coating technique for metallic screw assembly surface Granted publication date: 20090218 License type: Exclusive license Record date: 2009.11.2 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.8.10 TO 2014.8.9; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: ZHEJIANG HUAYE PLASTICS MACHINERY CO., LTD. Effective date: 20091102 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20090218 Termination date: 20160823 |