CN102134717A

CN102134717A - 强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺

Info

Publication number: CN102134717A
Application number: CN 201110053791
Authority: CN
Inventors: 孙桂芳; 李鹏; 张永康; 张尉; 刘卫祥
Original assignee: JIANGSU LIANGUAN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: JIANGSU LIANGUAN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-07-27

Abstract

本发明涉及一种强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，包括以下步骤：对基体为奥氏体不锈钢的高速混合机桨叶及筒体的表面进行清洗和打磨；将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合；然后将粘接剂倒入混合好的锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；将其铺设在塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；在预涂层干燥后，用功率为0.5~10kW、扫描速度为5~30mm/s、光斑直径为1~3mm的激光束进行处理以在高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的合金化涂层。本发明的激光合金化工艺不仅可以强化桨叶和筒体工作层表面，亦可用于桨叶和筒体的修复和再制造，显著延长二者的使用寿命，降低生产成本，具有很好的应用前景。

Description

强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺

技术领域

本发明属于表面强化及修复应用领域，特别涉及一种高速混合机桨叶及筒体表面的强化和修复的激光合金化工艺。

背景技术

浆叶和筒体是塑料混料设备的主要结构部件，其耐磨、耐蚀性能的高低直接影响设备的使用寿命。通常，桨叶和筒体的工作温度为100~300℃，而且桨叶和筒体在高速旋转过程中要承受磨料的摩擦力和冲击力，加之工作环境中产生的氯气的腐蚀作用，使其产生疲劳、裂纹和剥落，从而导致其使用年限很短。目前国内混料设备中的浆叶、筒体基本上采用普通不锈钢，这种材料虽然具有较高的耐腐性，但耐磨性能差。一般情况下，其使用寿命为1~2年，但当其混合的填料硬度较高时（如：高浓度CaCO₃、玻璃纤维、玻璃微珠等），其使用寿命更短。

目前，国内外的研究主要集中在改进桨叶其筒体的结构和材质上，例如专利申请号为200610035789.X，发明名称为“焊接式螺旋桨桨叶的加工方法”和专利申请号为200410074991.4，发明名称为“桨叶式混合机”以及专利申请号为200810020001.7，发明名称为“桨叶式三维立体混合机”的中国专利描述了通过改变结构和制造方法来改善桨叶性能；专利申请号为87107515.6，发明名称为“一种耐磨耐腐普钙发生器桨叶铸铁合金及生产工艺”的专利描述了通过改变材质提高桨叶性能等。除了上述方法外，表面改性技术是其延寿的另一种方法。已有这方面应用的涂层的专利发表，如在专利申请号为200510095492.8，发明名称为“在螺旋桨叶片的表面应用的硬质复合纳米陶瓷薄膜的涂层”的中国专利中描述了一种应用在飞机和船舶领域的螺旋桨叶表面的硬质复合纳米陶瓷薄膜涂层。当前，利用表面技术对零部件进行强化和修复已成为磨损件延寿的发展方向之一。该方法可以大大提升混料设备中易耗件的使用年限，减少频繁更换部件所需的成本，节约能源，并实现可持续发展。因此该方法成为可以获得高耐蚀、高耐磨性能的浆叶及筒体工作层以提高混合设备使用寿命的一种主要途径。但是这种涂层的厚度小于60微米，不能显著提高桨叶和筒体的使用寿命。

激光表面合金化工艺可以大大提高涂层的厚度。激光合金化是利用激光将基体金属表面熔化，同时加入合金元素，以基体为溶剂，合金元素为溶质，在基体上构成一层浓度高且均匀的合金层，从而达到所要求的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能。近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了此项目的研究。在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。激光表面合金化工艺主要应用在例如排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上。例如专利号为201010235189.4的中国专利公开了一种合金粉末、球墨铸铁表面激光合金化涂料及激光合金化方法；专利号为200910119256.3的中国专利公开了一种锯片合金刀头及其激光强化处理工艺；专利号为01114854.3的中国专利公开了一种对铝合金挤压模的表面进行激光合金化的处理方法等。但是，目前并未有关于塑料混合机领域的激光表面合金化强化工艺的专利发表。

发明内容

本发明的目的是提供一种强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，该工艺包括以下步骤：

1）对所述高速混合机桨叶及筒体的表面进行清洗和打磨，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为市面购得的普通奥氏体不锈钢；

2）将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合；

3）将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；

4）将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；

5）所述预涂层干燥后，用功率为0.5~10kW、扫描速度为5~30mm/s、光斑直径为1~3mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的合金化涂层。优选用功率为0.5~2.5kW的CO₂激光器。

在本发明的目的还可以通过以下的技术方案来进一步实现：

前述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其中，所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：30~70 wt％锰粉，30~70 wt％复合碳化物陶瓷粉末。

前述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其中，所述的复合碳化物陶瓷粉末为NiWC、Cr₃C₂、SiC、TiC、Al₂O₃、NiCr或者是它们的组合。

前述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其中，所述涂层中锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%NiWC、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%Cr₃C₂、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%SiC、(30~70) wt%Mn－(30~70) wt%TiC、(30~70) wt%Mn- (30~70)wt% Al₂O₃、(30~70) wt%Mn - (20~50)wt% NiCr - (15~30)wt% Al₂O₃或者(30~70) wt%Mn - (20~40)wt% TiC- (10~30)wt% Al₂O₃。

前述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其中，所述粘接剂为透明型环氧树脂粘接剂。

前述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其中，所述合金化涂层的厚度为0.5~1.5mm。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著进步主要体现在：

1. 本发明的高速混合机的桨叶及筒体的基体采用奥氏体不锈钢，以奥氏体不锈钢基体为Fe元素来源，向预涂层中加入Mn元素及复合碳化物陶瓷粉末，利用激光表面合金化加热熔化冷却，得到的高速混合机桨叶及筒体工作层既具有良好的强韧性又具有随加工硬化而增加的良好耐磨耐蚀性。

2. 激光合金化工艺综合利用了细晶强化、固溶强化、弥散强化等机制，既可保证以奥氏体不锈钢为基体的高速混合机的桨叶及筒体的涂层的高硬度和高耐磨性又能发挥其韧性。预期奥氏体不锈钢表面的激光合金化不仅可以强化桨叶和筒体工作层表面，亦可用于桨叶和筒体的修复和再制造，显著延长二者的使用寿命，降低生产成本，具有很好的应用前景。

附图说明

图1显示了带有预涂层的试样进行激光合金化后试样表面形貌。

图2显示了激光合金化含有Mn+W₂C粉末的预涂层后试样横截面显微组织。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：

高猛奥氏体在受到摩擦或者冲击力时表面具有强烈的加工硬化特性，可以大幅度提高材料表面的硬度，从而提高材料表面的耐磨性，而心部仍然保持良好韧性，广泛应用于坦克的履带，铲车、挖掘机等磨损部件上。工作过程中的冷加工硬化使其具备良好的冲击磨损性能。塑料混合机的桨叶和筒体的工况可以类比于此。因此，本发明采用奥氏体不锈钢作为高速混合机的桨叶及筒体的基体。但是，虽然高锰钢韧性、耐冲击性能好，但由于其初始组织为奥氏体，比较软，其耐磨性取决于加工硬化的程度，而且耐腐蚀性也比较差。在某些工况下，由于加工硬化程度和耐腐蚀性能不足，导致高锰钢寿命有限。本发明利用奥氏体不锈钢作为桨叶或筒体基体，并在基体表面预涂覆含有锰粉和复合碳化物陶瓷粉末以及粘接剂的涂层，并采用激光表面合金化的方法同时熔化基体和所涂覆的涂层得到耐磨耐蚀强化层。由于本发明直接利用基体中的Fe作为高锰钢中Fe元素来源，其与所添加Mn元素形成类似高锰钢性能的强化层。在激光合金化过程中，在基体和预涂层中的粉末所形成的熔池中发生如下反应：

(1)在激光的高温作用下，基体和所添加粉末迅速熔化，在超快速凝固和冷却过程中形成均匀、致密和高度细化的过饱和高碳、高合金度固溶体，产生显著的固溶强化作用；

(2)由于快速凝固，所添加复合碳化物粉末来不及长大，均匀细小弥散地分布在固溶体晶间及晶内，产生显著的弥散强化作用；

(3)类高锰钢固溶体基底的强韧性为复合碳化物硬质相提供了良好的塑性支撑，提高了其在磨损过程中与基体的结合力。

图1为经激光合金化处理后的高猛钢试样表面形貌，如图所示，该合金化层的表面粗糙度低，并且表面可见熔池中材料的流动方向。图2所示为采用本发明的激光合金化工艺处理的高速混合机桨叶试样的横截面显微组织。本发明的高速混合机桨叶试样的预涂层中含有Mn+W₂C粉末。如图2所示，激光合金化层组织致密，有未熔W₂C颗粒存在，与基体实现了冶金结合，并且合金化层的平均厚度达到1.3mm，远远超过某些表面处理后的处理层的厚度。采用本发明的激光合金化工艺处理桨叶和筒体时，具有能量作用集中，热影响区小，合金化层组织致密，气孔率低而且容易实现自动化生产线，没有化学污染、无辐射等优点。

实施例一：

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为奥氏体不锈钢；将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：65wt%Mn - 35wt% NiWC、60wt%Mn - 40wt% Cr₃C₂、65wt%Mn - 35wt% SiC、65wt%Mn - 35wt% TiC、65wt%Mn - 35wt% Al₂O₃、55wt%Mn - 30wt% NiCr - 15wt% Al₂O₃或65wt%Mn - 20wt% TiC- 15wt% Al₂O₃；将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；所述预涂层干燥后，用功率为10kW、扫描速度为8mm/s、光斑直径为1.5mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的涂层。所述涂层厚度为1.3mm。

实施例二：

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为奥氏体不锈钢；将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：Mn - 50wt% NiWC、Mn - 50wt% Cr₃C₂、Mn - 50wt% SiC、Mn - 50wt% TiC、Mn - 50wt% Al₂O₃、Mn - 30wt% NiCr - 20t% Al₂O₃或Mn - 30wt% TiC- 20wt% Al₂O₃；将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；所述预涂层干燥后，用功率为1.5kW、扫描速度为20mm/s、光斑直径为2mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的涂层。所述涂层厚度为1.5mm。

实施例三：

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为奥氏体不锈钢；将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：Mn - 65wt% NiWC、Mn - 65wt% Cr₃C₂、Mn - 65wt% SiC、Mn - 65wt% TiC、Mn - 65wt% Al₂O₃、Mn - 40wt% NiCr - 25wt% Al₂O₃或Mn - 40wt% TiC- 25wt% Al₂O₃；将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；所述预涂层干燥后，用功率为2.5kW、扫描速度为30mm/s、光斑直径为3mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的涂层。所述涂层厚度为1.1mm。

实施例四：

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为奥氏体不锈钢；将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：Mn - 30wt% NiWC、Mn - 70wt% Cr₃C₂、Mn - 55wt% SiC、Mn - 40wt% TiC、Mn - 35wt% Al₂O₃、Mn - 30wt% NiCr - 30wt% Al₂O₃或Mn - 20wt% TiC- 35wt% Al₂O₃；将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；所述预涂层干燥后，用功率为0.5kW、扫描速度为5mm/s、光斑直径为1mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的涂层。所述涂层厚度为0.5mm。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤

对所述高速混合机桨叶及筒体的表面进行清洗和打磨，所述高速混合机的桨叶及筒体的基体为奥氏体不锈钢；

将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合；

将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成可流动的糊状物；

将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的表面上形成预涂层，然后置于空气中风干；

所述预涂层干燥后，用功率为0.5~10kW、扫描速度为5~30mm/s、光斑直径为1~3mm的激光束进行处理以在所述高速混合机桨叶及筒体的表面形成耐磨耐腐的合金化涂层。

2.根据权利要求1所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：30~70wt％锰粉，30~70 wt％复合碳化物陶瓷粉末。

3.根据权利要求1或2所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：所述的复合碳化物陶瓷粉末为NiWC、Cr₃C₂、SiC、TiC、Al₂O₃、NiCr或者是它们的组合。

4.根据权利要求3所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：所述涂层中锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：(30~70)wt%Mn－(30~70)wt%NiWC、(30~70)wt%Mn－(30~70)wt%Cr₃C₂、(30~70)wt%Mn－(30~70)wt%SiC、(30~70)wt%Mn－(30~70)wt%TiC、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%Al₂O₃、(30~70)wt%Mn－(20~50)wt%NiCr－(15~30)wt%Al₂O₃，或者，(30~70)wt%Mn－(20~40)wt%TiC－(10~30)wt%Al₂O₃。

5.根据权利要求1所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：所述粘接剂为透明型环氧树脂粘接剂。

6.根据权利要求1所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：所述合金化涂层的厚度为0.5~1.5mm。

7.根据权利要求1所述的强化和修复高速混合机桨叶及筒体表面的激光合金化工艺，其特征在于：步骤5）中所用的激光器为0.5~2.5kW的CO₂激光器。