CN102453904A - 在电梯曳引轮轮槽表面激光熔覆制备耐磨涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，利用高功率激光器，通过激光快速扫描在轮槽表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗蚀性能优良的并与钢丝绳摩擦系数匹配的钴基合金，其特点是：先进行轮槽表面预处理；然后选择合金粉末和自动送粉装置；在轮槽表面进行激光熔覆打底合金和激光熔覆与钢丝绳摩擦系数匹配的钴基合金粉末，使轮槽表面形成0.5-1.2mm的抗磨损涂层；最后进行熔覆后探伤检验。本发明具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种输送设备部件表面的耐磨抗蚀方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，属于激光熔覆技术领域。
背景技术
电梯曳引轮是电梯非常重要的部件。电梯曳引轮损坏的主要形式是产生磨损和腐蚀，而槽间磨损不均匀又往往造成整个零件失效，最终导致设备报废；由于电梯曳引轮要承受轿厢、载重量、对重等装置的全部动静载荷，因此要求曳引轮强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击，所以在材料上多用QT60-2球墨铸铁。为了减少曳引钢丝绳在曳引轮绳槽内的磨损，除了选择合适的绳槽槽型外，对绳槽的工作表面的粗糙度、硬度也有要求。
随着高层建筑的高度不断增加，电梯运行速度随之不断提升，对曳引轮的要求也不断提高。由于使用中磨损加剧，球墨铸铁的耐磨性已难以满足使用要求。而且，为保证轿厢运行平稳性，要求曳引轮各槽均匀磨损，磨损量差值≤1mm，但由于曳引轮尺寸大，铸造时无法避免局部出现夹杂、气孔、组织偏析等缺陷，这些缺陷都会使铸件表面耐磨性下降，造成不均匀磨损，从而使磨损量差值超标，电梯运行不平稳。
因此，选择适当的在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的工艺，使电梯曳引轮轮槽表面耐磨合金涂层与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层的厚度均匀，是所属领域当前亟待解决的课题。
激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。
激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。
目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金涂层的专利和报道很多：例如，
公开号为CN 1932082的中国发明专利申请给出的《在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其特点在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。
公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。
公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.6-1.2mm。
公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO2激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。
公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程：首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。
现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行耐磨涂层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像电梯曳引轮轮槽这样的特殊结构，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。
经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的工艺条件，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术对在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法。该在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法利用高功率激光器，通过激光快速扫描在电梯曳引轮轮槽表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光熔覆在打底合金表面制备耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的Stellite6合金粉末，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀及抗氧化特性。
本发明给出的技术方案是：这种在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，利用高功率激光器，通过激光快速扫描在轮槽表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗蚀性能优良的，与钢丝绳摩擦系数匹配的钴基合金，其特点是工艺过程如下：
(1)表面预处理
在室温下采用角向磨光机对加工部位进行除油除锈处理，用着色探伤法对轮槽上、下面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂缺陷；
(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节
选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的钴基合金粉末作为工作层，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.7-1.0mm；
(3)预热处理
激光熔覆加工前先将加热装置安装调整好，对工件进行100--150℃预热；
(4)高功率激光器快速熔覆打底合金
选用DL-HL-T10000型CO2激光器，打开SIEMENS数控机床，采取气载送粉方式喂入镍基合金粉末，其工艺加工参数如下：
聚焦镜f＝300-400mm
熔覆功率P＝3000-4000W
光斑直径D＝3mm
扫描速度V＝0.6-1.2m/min
搭接率45％。
(5)高功率激光器熔覆钴基合金
采取气载送粉方式喂入钴基合金粉末，在镍基合金表面熔覆钴基合金，其工艺加工参数如下：
熔覆功率P＝3000--4000W
光斑直径D＝3mm
熔覆扫描速度V＝600--1200m/min
搭接率50％
(6)后续热处理
激光熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在加热保温装置中对工件进行150℃去应力退火5个小时。
本发明选用作为打底层的镍基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.03-0.05％；Si：2-2.7％；B：1.1-1.8％；Fe：0.4-0.5％；
Cu：0-20％；Ni：余量；
本发明选用作为工作层的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1～1.5％；Cr：28～30％；Si：1～1.3％；W：3～5％；Fe：2～4％；
Mo：0.8～1.2％；Ni：2～4％；Co：余量。
本发明的原理是：通过选取铸铁热物理性能相近的最佳的抗热Ni基自熔合金粉末作为打底层，合理设计并优化工艺参数，进行激光快速熔覆，与铸铁基材形成牢固的冶金结合，实现和基体材料良好的韧性过渡；然后选取耐磨耐蚀性能都很好的钴基合金，在打底层上进行气载送粉法激光熔覆处理，形成均匀致密的优良抗热耐磨复合涂层。
与常规的表面涂覆工艺相比较，本发明选用的激光器类型是高功率CO2气体激光器，其最高功率是10000W，波长10.6微米，可实现窄带快速扫描以及宽带矩形扫描进行熔覆。在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均匀致密的耐磨抗蚀熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合，熔覆层厚度在0.2-2mm，硬度、厚度均匀分布。
本发明选用与铸铁结合性好的镍基自熔合金粉末(Ni-Cu-Si-B)作为打底层。这是因为一方面，这种镍基自熔合金粉末具有优良的塑性和韧性；一方面，该镍基合金粉末热膨胀系数在铸铁和钴基合金之间，这样可以抑制激光熔覆过程中由于基材与熔覆材料热物性之间的差异导致产生的组织应力。另外，在激光熔覆前、后对铸铁基材进行一定程度的预热以及后处理，这样通过降低温度梯度，可以一定程度上抑制熔覆层的开裂。另一方面，打底层为后期宽带激光熔覆钴基合金涂层提供了良好的稀释屏障作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、激光熔覆合金涂层均匀、致密，在满足曳引轮与钢丝绳摩擦系数匹配的条件下，涂层具有优良的耐磨抗蚀性能，采用本发明技术制造的曳引轮显著提高了耐磨抗蚀性能和使用寿命。
2、采用梯度涂层方式加工，选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的钴基合金粉末作为工作层，在满足工作层特性的情况下，保证了工作层与基材良好的结合性能。
具体实施方式
实施例1
本发明的在曳引轮轮槽表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层工艺，包括以下过程：
1、表面预处理
在室温下采用角向磨光机对加工部位进行除油除锈处理。用着色探伤法对轮槽上、下面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；
2、合金粉末的选择和自动送粉装置的调节
选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的钴基合金粉末作为工作层，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.5-1.0mm。
3、预热处理
激光熔覆加工前先将加热装置安装调整好。对工件进行100--150℃预热。
4、高功率激光器快速熔覆打底合金
选用DL-HL-T10000型CO2激光器。打开SIEMENS数控机床。根据轮槽形状编辑程序，采取气载送粉方式喂入合金粉末，具体工艺加工参数如下：
聚焦镜f＝300-400mm
熔覆功率P＝4000W
光斑直径D＝0.5mm
扫描速度V＝1m/min
搭接率45％。
5、高功率激光器熔覆钴基合金
采取气载送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆钴基合金。其参数为：
熔覆功率P＝4000W
光斑直径D＝3mm
熔覆扫描速度V＝800m/min
搭接率50％
5、后续热处理
激光熔覆后要慢速缓冷，在加热保温装置中对工件进行300℃去应力退火5个小时。
本发明选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.04％；Si：2.5％；B：1.5％；Fe：0.5％；Cu：10％；Ni：余量；
本发明选用作为工作层的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1.35％；Cr：28％；Si：1.3％；W：3％；Fe：4％；Mo：1.2％；
Ni：4％；Co：余量。
实施例2
本发明给出的在曳引轮轮槽表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层工艺，包括以下过程：
1、表面预处理
在室温下采用角向磨光机对加工部位进行除油除锈处理，用着色探伤法对轮槽上、下面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；
2、合金粉末的选择和自动送粉装置的调节
选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的钴基合金粉末作为工作层，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.5-1.0mm。
3、预热处理
激光熔覆加工前先将加热装置安装调整好。对工件进行100--150℃预热。
4、高功率激光器快速熔覆打底合金
选用DL-HL-T10000型CO2激光器。打开SIEMENS数控机床。根据轮槽形状编辑程序，采取气载送粉方式喂入合金粉末，具体工艺加工参数如下：
聚焦镜f＝300-400mm
熔覆功率P＝4000W
光斑直径D＝3mm
扫描速度V＝1m/min
搭接率45％。
4、高功率激光器熔覆钴基合金
采取气载送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆钴基合金。其参数为：
熔覆功率P＝4000W
光斑直径D＝3mm
熔覆扫描速度V＝1200m/min
搭接率50％
5、后续热处理
激光熔覆后要慢速缓冷，在加热保温装置中对工件进行150℃去应力退火5个小时。
本发明选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.03％；Si：2％；B：1.1％；Fe：0.4％；Cu：20％；Ni：余量；
本发明选用作为工作层的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1.15％；Cr：29％；Si：1.1％；W：4％；Fe：3％；Mo：1％；
Ni：3％；Co：余量。
Claims (4)
1.一种在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，利用高功率激光器，通过激光快速扫描在轮槽表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗蚀性能优良的，与钢丝绳摩擦系数匹配的钴基合金，其特征在于工艺过程如下：
(1)表面预处理
在室温下采用角向磨光机对加工部位进行除油除锈处理，用着色探伤法对轮槽上、下面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂缺陷；
(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节
选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高且与钢丝绳摩擦性能匹配的钴基合金粉末作为工作层，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.7-1.0mm；
(3)预热处理
激光熔覆加工前先将加热装置安装调整好，对工件进行100--150℃预热；
(4)高功率激光器快速熔覆打底合金
选用DL-HL-T10000型CO2激光器，打开SIEMENS数控机床，采取气载送粉方式喂入镍基合金粉末，其工艺加工参数如下：
聚焦镜f＝300-400mm
熔覆功率P＝3000-4000W
光斑直径D＝3mm
扫描速度V＝0.6-1.2m/min
搭接率45％。
(5)高功率激光器熔覆钴基合金
采取气载送粉方式喂入钴基合金粉末，在镍基合金表面熔覆钴基合金，其工艺加工参数如下：
熔覆功率P＝3000--4000W
光斑直径D＝3mm
熔覆扫描速度V＝600--1200m/min
搭接率50％
(6)后续热处理
激光熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在加热保温装置中对工件进行150℃去应力退火5个小时。
2.根据权利要求1所述的在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，其特征在于
作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.03-0.05％；Si：2-2.7％；B：1.1-1.8％；Fe：0.4-0.5％；Cu：0-20％；Ni：余量；
作为工作层的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1～1.5％；Cr：28～30％；Si：1～1.3％；W：3～5％；Fe：2～4％；Mo：0.8～1.2％；Ni：2～4％；Co：余量。
3.根据权利要求2所述的在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，其特征在于
较好的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.03％；Si：2％；B：1.1％；Fe：0.4％；Cu：20％；Ni：余量；
较好的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1.15％；Cr：29％；Si：1.1％；W：4％；Fe：3％；Mo：1％；
Ni：3％；Co：余量。
4.根据权利要求2所述的在电梯曳引轮轮槽表面制备耐磨涂层的方法，其特征在于
较好的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：0.04％；Si：2.5％；B：1.5％；Fe：0.5％；Cu：10％；
Ni：余量；
较好的钴基合金粉末的化学成份按重量百分数为：
C：1.35％；Cr：28％；Si：1.3％；W：3％；Fe：4％；Mo：1.2％；Ni：4％；Co：余量。
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