CN102108509B - 锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型锻模钢基体上自动熔覆铁铝金属间化合物Fe3Al+氧化钇Y2O3强化方法及设备，本发明的设备包括操作机、控制器、图象卡、图像传感器CCD、滤光片及镜头、微型计算机CPU、数模D/A转换卡、大型锻模工件、变位机和熔覆系统，本发明主要是针对大型主轴等锻件锻模，制造完毕后，采取等离子弧熔覆工艺，采取原位生成金属间化合物Fe3Al，并通过添加适当稀土元素Y2O3，对锻模表面进行强化。本发明可以实现大幅度提高大型锻模使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于在钢质材料表面等离子弧强化的方法及设备，特别是一种在大型锻模上进行自动熔覆Fe3Al/Y2O3耐热耐磨层的方法及设备。
背景技术
众所周知，很多大型主轴锻件形状的特殊且质量要求较高。热胎模锻造时，制件在高温下通过冲击加压，强制金属成形。模具承受巨大冲击，同时经受压应力、拉应力和各种附加应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈摩擦，型腔表面与高温(1100～1200℃)金属接触，被加热至300～400℃局部高达500～600℃，此外还经常受到反复的加热与冷却，极易产生热疲劳裂纹。因而要求热锻模在高温下应保持高的强度、足够的韧性、高的耐磨性和一定的硬度、优良的耐热疲劳性、导热性和抗氧化能力。而目前常用的是3Cr2W8V钢、5CrMnMo钢、5CrNiMo钢等常规热处理由于表面质量欠佳及防止“置裂”过早地进入420～480℃炉内回火，使心部过冷奥氏体发生上贝氏体转变，使锻模力学性能下降，寿命降低，仅为200件左右。失效形式为脆断、塌陷、咬合、热疲劳及热磨蚀。
为提高锻模的使用寿命，目前除采取合理的锻造工艺外，主要采取的措施是进行表明强化处理，以达到提高模腔表面硬度和耐磨性的目的。提高模具寿命的表面强化工艺有渗碳、氮碳共渗(软氮化)、渗硼、离子氮化、TD处理及稀土-硼、碳-氮-硼共渗、镀铬等方法；表面覆层硬化工艺中的PVD、CVD、PCVD技术以及表面喷丸、离子注入、激光表面强化处理、纳米表面技术等新工艺也被广泛采用。
传统的表面强化工艺均有各自适用的领域，上述方法主要不足是其强化层厚度均较小，不适合残酷条件及长寿命要求；而激光表面强化技术，容易受到工件尺寸及形状的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用等离子弧对大型锻模进行原位生成金属间化合物进行自动强化的方法，使大型锻模制造后进行表面的硬度及耐磨性强化，有力提高大型锻模的使用次数。一方面利用等离子弧热源在锻模表面原位生成Fe3Al金属间化合物，另一方面利用添加稀土元素，有力地改善了强化层的质量，使强化层致密、无裂纹，满足使用要求。该方法可实现大型锻模强化层紧密结合，使强化层在锻模工作过程中无撕裂，无脱落，无变形。
实现本发明目的的技术解决方案为：本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇的设备，包括操作机1、控制器2、图象卡3、图像传感器CCD4、滤光片及镜头5、微型计算机CPU6、数模D/A转换卡7、大型锻模工件8、变位机9和熔覆系统10，熔覆系统10中包括等离子弧焊枪11，等离子弧熔覆焊枪11置于操作机1机头，操作机1由控制器2进行姿态与轨迹控制，从而控制了等离子弧焊枪11的熔覆轨迹；大型锻模工件8放置于变位机9之上，变位机9进行翻转及旋转；滤光片及镜头5安装在图像传感器CCD4上，图像传感器CCD4与图像卡3相连，图像传感器CCD4采集的信号输入图像卡3，再输入CPU6进行处理，CPU6输出信号经数模D/A转换卡7转换为模拟信号送至熔覆系统10进行焊接工艺参数控制。
本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法，将纯净Al粉末、Fe粉末及氧化钇Y2O3粉末混合均匀并均匀涂覆在锻模需强化部位表面，保护剂均匀自动的铺展于涂覆层表面；对于锻模表面的熔覆，等离子弧熔覆焊枪11设置于熔覆层的上方，熔覆开始时焊枪11起电弧将焊枪11下锻模表面粉末层熔覆，生成金属间化合物Fe3Al，而氧化钇Y2O3则保证熔覆层的致密与无裂纹；保护剂熔渣上浮于熔覆层表面，焊枪11在锻模表面按照编程设定的轨迹进行熔覆，一边进行垂直于前进方向进行一定频率摆动，以利于熔覆质量提高，直到锻模表面全部达到熔覆。另一方面，当需要熔覆锻模内型腔壁表面时，利用变位机将锻模进行翻转90°，将焊枪11深入到锻模型腔内进行熔覆，熔覆时保持焊枪11只在水平面上进行移动，熔覆位置的变换则由变位机旋转进行。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用等离子弧进行熔覆，强化层是原位产生的，因此更加致密、无污染；(2)强化层与基体能够进行冶金结合，防止锻模在工作过程中强化层脱落、开裂现象；(3)采用添加适量稀土元素，成功地使强化层晶粒形成更加均匀，抑制晶间裂纹的产生；(4)整个强化系统采用机器人系统自动进行，能够使熔覆过程更加精确、稳定、可控。(5)采用CCD传感在线调整熔覆参数，确保基体不熔化。
附图说明
图1是本发明的锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法及设备结构示意图。
图2是本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法及设备的锻模内部等离子熔覆示意图。
图3是基于视觉传感的弧焊机器人智能熔覆系统配置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图3，本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇的设备，包括操作机1，控制器2，图象卡3，图像传感器CCD4，滤光片及镜头5，微型计算机CPU6，数模D/A转换卡7，大型锻模工件8，变位机9，熔覆系统10，熔覆系统10中包括等离子弧焊枪11，等离子弧熔覆焊枪11置于操作机1机头，操作机1由控制器2进行姿态与轨迹控制，从而控制了等离子弧焊枪11的熔覆轨迹；大型锻模工件8放置于变位机9之上，变位机9可以进行翻转及旋转；滤光片及镜头5安装在图像传感器CCD4上，图像传感器CCD4与图像卡3相连，图像传感器CCD4采集的信号输入图像卡3，再输入微型计算机CPU6进行处理，计算机CPU6输出信号经D/A转换卡7转换为模拟信号送至熔覆系统10进行焊接工艺参数控制。
本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇的方法，将纯净Al粉末、Fe粉末及氧化钇Y2O3粉末混合按要求混合均匀并均匀涂覆在锻模需强化部位表面，保护剂均匀自动的铺展于涂覆层表面。对于锻模表面的熔覆，焊枪(压缩电弧)设置于熔覆层的上方，熔覆开始时等离子弧焊枪起电弧将焊枪下锻模表面粉末层熔覆，生成Fe3Al金属间化合物，而氧化钇Y2O3则保证熔覆层的致密与无裂纹。保护剂熔渣上浮于熔覆层表面，焊枪(压缩电弧)在锻模表面按照编程设定的轨迹进行熔覆，一边进行垂直于前进方向进行一定频率摆动，以利于熔覆质量提高，直到锻模表面全部达到熔覆。另一方面，当需要熔覆锻模内型腔壁表面时，利用旋转装置将锻模进行翻转90°，将焊枪深入到锻模型腔内进行熔覆，熔覆时保持焊枪只在水平面上进行移动，熔覆位置的变换则由变位机旋转进行。
本发明锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇的方法，采用Al粉末与Fe粉末按照质量百分比86∶14，并使Y2O3质量百分比0.6％-09％，搅拌均匀，熔覆时进行原位反应，生成金属间化合物Fe3Al进行强化。强化过程中采用粉剂-气体联合保护熔覆过程免受氧化，保护剂颗粒度为50-250目。
分别将质量分数为86％Fe粉末、14％Al粉末混合粉末及0.6-0.9％的Y2O3粉末混合均匀，采用玻璃胶作粘结剂将其调成糊状，均匀涂敷在锻模8钢表面(厚度为2-3mm，视具体熔覆层要求厚度而定)，然后将其置于烘箱中缓慢加热至300℃并保温2h，然后表面均匀涂覆适量保护剂(以玻璃胶做粘结剂，保护剂直径为60mm-120mm)，其后将其置于烘箱中缓慢加热至300℃并保温4h，然后随炉冷却待用。
以某大型风电主轴自由锻成型用锻模为例，该熔覆表面为外径2160mm，内径1560mm。熔覆内型腔壁直径分别1560mm，1000mm，660mm，高度分别为160mm，220mm，475mm。焊枪(压缩电弧)设置于待熔覆位置的上方，弧长3-6mm，进行锻模表面熔覆时，焊枪(压缩电弧)沿圆周方向进行移动，并并在与前进方向垂直方向(即法线方向)摆动，摆幅4mm，摆频为0.4Hz。采用熔覆电流为130A，熔覆速度为5cm/min。在进行内行腔壁熔覆时，启动变位机，将锻模旋转90°，参照图2，熔覆时采取焊枪行进路线为沿锻模内壁做直线往复运动，弧长4-6mm，采用熔覆电流为130A，熔覆速度为5cm/min。摆幅3mm，摆频为0.4Hz。在熔敷时利用变位机旋转锻模，使焊枪始终能够保持立向下进行熔覆；其特征还在于：在进行锻模表面熔覆及型腔内壁熔覆时，采用OS-45CCD、0.1％的减光片组、1064纳米(带宽2纳米)波长滤光片及800纳米波长截止滤光片组，传感器采用防“鬼像”设计，实时检测熔覆熔池视觉图象信号，经计算机图象处理获得熔覆熔池图象特征，参照铜溶池和参数的关系数据库，分辨出基体熔化的图象特征界限，一旦图象特征参数进入界限区域，则及时调整参数防止基体熔化，图象特征参数离开界限区域，则及时调回电流和电压参数。保证熔覆过程平稳和良好的熔覆质量。
Claims (4)
1.一种锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇设备，其特征在于：包括操作机[1]、控制器[2]、图像卡[3]、图像传感器CCD[4]、滤光片及镜头[5]、微型计算机CPU[6]、数模D/A转换卡[7]、大型锻模工件[8]、变位机[9]和熔覆系统[10]，熔覆系统[10]中包括等离子弧熔覆焊枪[11]，等离子弧熔覆焊枪[11] 置于操作机[1]机头，操作机[1]由控制器[2]进行姿态与轨迹控制，从而控制了等离子弧熔覆焊枪[11]的熔覆轨迹；大型锻模工件[8]放置于变位机[9]之上，变位机[9]进行翻转及旋转；滤光片及镜头[5]安装在图像传感器CCD[4]上，图像传感器CCD[4]与图像卡[3]相连，图像传感器CCD[4]采集的信号输入图像卡[3]，再输入CPU[6]进行处理，CPU[6]输出信号经数模D/A转换卡[7]转换为模拟信号送至熔覆系统[10]进行焊接工艺参数控制。
2.一种锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法，其特征在于：将纯净Al粉末、Fe粉末及氧化钇Y2O3粉末混合均匀并均匀涂覆在锻模需强化部位表面，保护剂均匀自动的铺展于涂覆层表面：对于锻模表面的熔覆，采用锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇设备，包括操作机[1]、控制器[2]、图像卡[3]、图像传感器CCD[4]、滤光片及镜头[5]、微型计算机CPU[6]、数模D/A转换卡[7]、大型锻模工件[8]、变位机[9]和熔覆系统[10]，熔覆系统[10]中包括等离子弧熔覆焊枪[11]，等离子弧熔覆焊枪[11]设置于熔覆层的上方，熔覆开始时等离子弧熔覆焊枪[11]起电弧将等离子弧熔覆焊枪[11]下锻模表面粉末层熔覆，生成金属间化合物Fe3Al，而氧化钇Y2O3则保证熔覆层的致密与无裂纹；保护剂熔渣上浮与熔覆层表面，等离子弧熔覆焊枪[11]在锻模表面按照编程设定的轨迹进行熔覆，一边进行垂直于前进方向进行一定频率摆动，以利于熔覆质量提高，直到锻模表面全部达到熔覆；
其中采用Fe粉末与Al粉末按照质量百分比86∶14，并使Y2O3质量百分比0.6％-0.9％，搅拌均匀，熔覆时进行原位反应，生成金属间化合物Fe3Al进行强化。
3.根据权利要求2所述的锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法，其特征在于：另一方面，当需要熔覆锻模内型腔壁表面时，利用变位机[9]将锻模进行翻转90°，将等离子弧熔覆焊枪[11]深入到锻模型腔内进行熔覆，熔覆时保持等离子弧熔覆焊枪[11]只在水平面上进行移动，熔覆位置的变换则由变位机旋转进行。
4.根据权利要求2所述的锻模表面自动熔覆铁铝金属间化合物+氧化钇方法，其特征在于：采用粉剂—气体联合保护熔覆过程免受氧化，保护剂颗粒度为50-250目。
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