CN103290405A - 一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：（1）去除球墨铸铁表面油污和锈层，清洗至球墨铸铁表面清洁；（2）准备高速钢粉末，粒度≤150μm；（3）采用激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面或通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层。本发明的方法易实现自动化控制，还具有对环境无污染、低噪声，生产率高、低能耗、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
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法。
背景技术
冶金轧辊是使金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。然而热轧辊通常在严苛的高温环境中运行，承受着强大的轧制力，剧烈的磨损和温度变化幅度较大的热疲劳。由于上述苛刻条件，轧辊的工作层内容易产生应力，并在急冷区域内应力负荷交替变化，产生辊身裂纹，加之磨损的综合作用，最终导致轧辊失效。因此，延长轧辊的使用寿命对降低辊耗至关重要。
高速钢是含大量钨、钼、铬、钒等元素的高碳高合金钢, 是典型的高速切削刃具钢，具有高硬度、优良耐磨性和高红硬性等特点，由于价格偏高且生产工艺复杂, 在很长时间内, 其应用范围仅限于刃具行业。自1988年高速钢轧辊第一次成功应用后，高速钢轧辊因其优良的性能应用逐渐广泛。高速钢轧辊与其他轧辊（无限冷硬铸铁轧辊、高Cr 铸铁轧辊、半钢轧辊）相比具有高硬度、良好的热稳定性、淬透性、耐磨性和抗热疲劳性。
高强度球墨铸铁因其成本低、强度高、韧性好，可以完全满足轧辊的使用要求，所以国内外复合轧辊经常使用高强度球墨铸铁作为复合轧辊的芯部材料。为满足热轧辊对使用性能的要求，采用高速钢复合轧辊是解决热轧辊所需性能的有效方法之一，高速钢复合轧辊利用具有良好红硬性、耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊的工作层，利用韧性满足要求的球墨铸铁等材料作为轧辊的芯部材料，把工作层和芯部以冶金结合的方式结合起来以提高轧辊的综合性能。
目前高速钢复合轧辊制造主要方式有：离心铸造法、连续浇注外层成形法、点渣熔铸法、喷射成型法和热等静压法等；上述方法不同程度的存在生产成本较高、制造工艺复杂、能耗高、污染环境等缺点；因此开发一种制造具有高速钢表层和球墨铸铁基体材料的新技术，以替代现有制备高速钢复合轧辊的方法，是目前急需解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，通过激光辐照作用使高速钢粉末熔化并将球墨铸铁基体表面熔化，在球墨铸铁表面凝固形成冶金结合的高速钢涂层，且在涂层中形成均匀分布的硬质相颗粒。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、去除球墨铸铁表面油污和锈层，清洗至球墨铸铁表面清洁；
2、准备V10高速钢粉末、M4高速钢粉末或M2高速钢粉末，高速钢粉末的粒径≤150μm；
3、采用激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面或通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为1000~5000W，扫描速度为5~10mm/s，光斑为圆形光斑或矩形光斑，圆形光斑直径为1~4mm，矩形光斑长度为8~12mm，宽度为1~3mm；当高速钢粉末预置在球墨铸铁表面时，高速钢粉末的厚度为0.5~1.5mm，当通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面时，高速钢粉末的送粉速率为5~15g/min；搭接率40~60%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层。
上述方法中的V10高速钢粉末的成分按重量百分比含C2.4~2.5%，Cr5~5.5%，Mo0.5~1.3%， V9.5~10.5%，余量为Fe；M4高速钢粉末的成分按重量百分比含C1.25~1.40%，Si0.20~0.45%，Mn0.15~0.40%，Cr3.75~4.50%，Mo4.50~5.50%，W5.2~6.50%，V3.75~4.50%，Co0~0.50%，余量为Fe；M2高速钢粉末的成分按重量百分比含C0.80~0.90%，Si0.20~0.45%，Mn0.15~0.40%，Cr3.80~4.40%，Mo4.50~5.50%，W5.50~6.75%，V1.75~2.20%，余量为Fe。
上述方法中采用的激光器为CO2气体激光器或半导体激光器。
上述方法中获得的高速钢涂层的厚度为0.5~1.5mm。
上述方法中获得的高速钢涂层中具有VC硬质颗粒相，或具有VC和WC硬质颗粒相，并且均匀分布。
上述方法中获得的高速钢涂层的平均硬度为600~750 HV。
本发明的原理是：利用激光熔覆技术，通过控制熔覆过程中能量输入的大小，在价格低廉的球墨铸铁基体上制备出性能优良的高速钢涂层，从而提高球墨铸铁材质的耐磨件的使用寿命，实现高性价比的耐磨件制造和再制造。
激光熔覆技术作为一种新兴的表面处理技术，最大优点是可以制备致密的冶金结合涂层，从而改善基体的性能。近年来随着激光技术的发展，利用激光技术修复和强化轧辊表面得到的深入的研究与发展。本发明制备的高速钢涂层具有高硬度、高耐磨性、较高的红硬性和热稳定性，以及良好的淬透性；高速钢涂层为Fe基涂层，其热膨胀系数与基体十分相近，这样可以抑制在激光熔覆过程中由于基体与熔覆材料热物性差异带来的热应力，也可以抑制带有高速钢涂层的球墨铸铁材料在使用过程中，由于冷热循环使基体与涂层因热膨胀系数差异而产生的应力。
本发明的方法制备的高速钢涂层组织均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合，硬质强化相，如VC、WC等，颗粒细小且均匀分布；相对于其他高速钢复合轧辊的制造工艺，如离心铸造等方法，采用本发明的在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，制造的球墨铸铁材质的轧辊组织更加细小均匀，而且加工简便易于控制；该技术不仅可以强化球墨铸铁基体表面，还可以用于对具有高速钢涂层的球墨铸铁材料进行修复和再制造，显著延长该类材料的使用寿命。
本发明的方法属于无接触型处理，整个过程易实现自动化控制，涂层厚度也可以准确控制，且易实现微区熔覆；同时还具有对环境无污染、低噪声，生产率高、低能耗、熔覆层加工余量小，成品率高以及综合成本低等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的高速钢涂层以及基体的截面宏观激光共聚焦显微镜形貌图，图中（a）为高速钢涂层，（b）为高速钢涂层和球墨铸铁基体之间的热影响区，（c）为球墨铸铁基体。
图2为本发明实施例1中制备的高速钢涂层的截面有涂层到基体的显微硬度分布曲线图。
图3为本发明实施例1中制备的高速钢涂层截面的微观形貌扫描电子显微镜照片图，图中圆圈部分的球形颗粒为VC的富集相。
图4为本发明实施例1中制备的高速钢涂层与球墨铸铁基体进行高温磨损实验的磨损损失量对比图。
图5为本发明实施例1中制备的高速钢涂层，在高温磨损实验20min后的扫描电子显微镜形貌图。
图6为本发明实施例4中制备的高速钢涂层截面的扫描电子显微镜宏观形貌照片图。
图7为本发明实施例4中制备的高速钢涂层截面的扫描电子显微镜微观形貌照片图。
图8为本发明实施例7中制备的高速钢涂层截面的扫描电子显微镜宏观形貌照片图。
图9为本发明实施例7中制备的高速钢涂层截面的激光共聚焦显微镜微观形貌照片图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的CO2气体激光器的型号为HGL-HJ500。
本发明实施例中采用的半导体激光器的型号FL-Dlight02-4000-976。
本发明实施例中采用的高速钢粉末为气雾化方式生产的粉末。
本发明实施例中选用的球墨铸铁为高强度球墨铸铁，其化学成分按重量百分比为：C 3.2~3.6%，Si 1.8~2.2%，Mn 0.4~0.6%，P ≤0.10%，S ≤0.03%，Ni 0.3~1.0%，Cr 0.2~0.5%，Mo 0.2~0.4%，Mg 0.04~0.06%，余量为Fe；硬度为320HV。
本发明实例中高温磨损实验所用试验机为MG-2000 型高速高温摩擦磨损试验机，摩擦副为Cr12MoV。
本发明实施例中去除球墨铸铁表面油污和锈层，清洗至球墨铸铁表面清洁的方法为：选用丙酮将球墨铸铁表面的油污去除，选用400号砂纸打磨球墨铸铁表面去除锈层，再选用无水乙醇清洗球墨铸铁表面。
实施例1
选用丙酮将球墨铸铁表面的油污去除，选用400号砂纸打磨球墨铸铁表面去除锈层，再选用无水乙醇清洗球墨铸铁表面；
准备V10高速钢粉末，其成分按重量百分比含C2.4%，Cr5.5%，Mo1.3%，V10.5%，余量为Fe，粒径≤44μm；
采用半导体体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为2300W，扫描速度为10mm/s，激光聚焦，光斑为矩形光斑，长度为11.5mm，宽度为2.5mm；预置的高速钢粉末的厚度为1mm，搭接率40%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1mm；
制备的高速钢涂层以及基体的截面宏观形貌扫描电子显微镜照片图如图1所示，高速钢涂层的截面由涂层到基体的显微硬度分布曲线如图2所示，高速钢涂层平均硬度为700HV，球墨铸铁基体硬度为320HV，涂层硬度为基体硬度的2倍以上；涂层中硬质颗粒相主要为VC，呈球形均匀分布在涂层中，高速钢涂层截面的微观形貌扫描电子显微镜照片图如图3所示；
在载荷100N、转速300r/min和500℃条件下进行高温磨损实验，高速钢涂层与球墨铸铁基体的对比实验结果如图4所示，图中从左至右每组方框分别为磨损10min、20min和30min的实验数据，每组方框中左边的方框是高速钢涂层的磨损量，右边的方框是球墨铸铁基体的磨损量，其中高速钢涂层主要的磨损方式为磨粒磨损；由图可见，磨损30min后涂层的磨损损失量约为基体的30%；高速钢涂层磨损20min后的形貌如图5所示。
实施例2
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备V10高速钢粉末，其成分按重量百分比含C2.5%，Cr5.3%，Mo1.0%，V10%，余量为Fe，粒径≤44μm；
采用半导体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为1800W，扫描速度为6mm/s，激光聚焦，光斑为矩形光斑，长度为8mm，宽度为1mm；预置的高速钢粉末的厚度为0.5mm，搭接率50%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为0.5mm；高速钢涂层平均硬度为680HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC，呈球形均匀分布在高速钢涂层中。
实施例3
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备V10高速钢粉末，其成分按重量百分比含C2.4%，Cr5%，Mo0.5%，V9.5%，余量为Fe，粒径≤44μm；
采用半导体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为3000W，扫描速度为8mm/s，激光聚焦，光斑为矩形光斑，长度为10mm，宽度为2mm；高速钢粉末的厚度为1.5mm，搭接率60%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1.5mm；高速钢涂层平均硬度为650HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC，呈球形均匀分布在高速钢涂层中。
实施例4
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M4高速钢粉末，其成分按重量百分比含C1.3%，Si0.30%，Mn0.18%，Cr4.0%，Mo4.5%，W5.5%，V4.3%，Co0.5%，余量为Fe；粒径≤74μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为2100W，扫描速度为7mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为3mm，高速钢粉末的厚度为1mm，搭接率50%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1mm；高速钢涂层平均硬度为730HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，均匀分布在高速钢涂层中；在载荷100N、转速300r/min和500℃条件下进行高温磨损实验，高速钢涂层主要的磨损方式为磨粒磨损，磨损30min后涂层的磨损损失量约为基体的40%。
实施例5
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M4高速钢粉末，其成分按重量百分比含C1.4%，Si0.20%，Mn0.30%，Cr4.2%，Mo4.8%，W6.4%，V4.1%，Co0.3%，余量为Fe，粒径≤74μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为5000W，扫描速度为10mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为4mm，高速钢粉末的厚度为1.5mm，搭接率40%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1.5mm；高速钢涂层平均硬度为700HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，呈球形均匀分布在高速钢涂层中。
实施例6
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M4高速钢粉末，其成分按重量百分比含C1.3%，Si0.40%，Mn0.34%，Cr4.5%，Mo5.0%，W5.2%，V3.9%，余量为Fe；粒径≤74μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为1900W，扫描速度为8mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为2mm，高速钢粉末的厚度为0.5mm，搭接率60%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为0.5mm；高速钢涂层平均硬度为750HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，呈球形均匀分布在高速钢涂层中。
实施例7
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M2高速钢粉末，其成分按重量百分比含C0.85%，Si0.30%，Mn0.30%，Cr4.0%，Mo5.0%，W6.0%，V2.0%，余量为Fe；粒径≤150μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为2600W，扫描速度为8mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为4mm，高速钢粉末的送粉速率为15g/min；搭接率50%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1.5mm；高速钢涂层平均硬度为650HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，其均匀分布在高速钢涂层中；在载荷100N、转速300r/min和500℃条件下进行高温磨损实验，高速钢涂层主要的磨损方式为磨粒磨损，磨损30min后涂层的磨损损失量约为基体的40%。
实施例8
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M2高速钢粉末，其成分按重量百分比含C0.9%，Si0.23%，Mn0.34%，Cr4.1%，Mo5.5%，W6.1%，V1.75%，余量为Fe，粒径≤150μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为3500W，扫描速度为10mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为2mm，高速钢粉末的送粉速率为10g/min；搭接率40%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为1mm；高速钢涂层平均硬度为650HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，其均匀分布在高速钢涂层中。
实施例9
去除球墨铸铁表面油污和锈层以及清洗球墨铸铁表面的方法同实施例1；
准备M2高速钢粉末，其成分按重量百分比含C0.8%，Si0.32%，Mn0.40%，Cr3.8%，Mo5.0%，W5.5%，V2.20%，余量为Fe，粒径≤150μm；
采用CO2气体激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为1300W，扫描速度为5mm/s，激光聚焦，光斑为圆形光斑，直径为1mm，高速钢粉末的送粉速率为5g/min；搭接率50%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层，厚度为0.5mm；高速钢涂层平均硬度为660HV，高速钢涂层中硬质颗粒相主要为VC和WC，均匀分布在高速钢涂层中。
Claims (5)
1.一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）去除球墨铸铁表面油污和锈层，清洗至球墨铸铁表面清洁；
（2）准备V10高速钢粉末、M4高速钢粉末或M2高速钢粉末，高速钢粉末的粒径≤150μm；
（3）采用激光器对球墨铸铁表面进行激光熔覆处理，将高速钢粉末预置在球墨铸铁表面或通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面，同时对球墨铸铁表面进行激光辐照，使高速钢粉末及球墨铸铁表面熔化，控制激光熔覆的功率为1000~5000W，扫描速度为5~10mm/s，光斑为圆形光斑或矩形光斑，圆形光斑直径为1~4mm，矩形光斑长度为8~12mm，宽度为1~3mm；当高速钢粉末预置在球墨铸铁表面时，高速钢粉末的厚度为0.5~1.5mm，当通过激光器的送粉装置将高速钢粉末输送到球墨铸铁表面时，高速钢粉末的送粉速率为5~15g/min；搭接率40~60%；激光熔覆完成后在球墨铸铁表面获得高速钢涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，其特征在于所述的V10高速钢粉末的成分按重量百分比含C2.4~2.5%，Cr5~5.5%，Mo0.5~1.3%， V9.5~10.5%，余量为Fe；所述的M4高速钢粉末的成分按重量百分比含C1.25~1.40%，Si0.20~0.45%，Mn0.15~0.40%，Cr3.75~4.50%，Mo4.50~5.50%，W5.2~6.50%，V3.75~4.50%，Co0~0.50%，余量为Fe；所述的M2高速钢粉末的成分按重量百分比含C0.80~0.90%，Si0.20~0.45%，Mn0.15~0.40%，Cr3.80~4.40%，Mo4.50~5.50%，W5.50~6.75%，V1.75~2.20%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，其特征在于所述的高速钢涂层的厚度为0.5~1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，其特征在于所述的高速钢涂层中具有VC硬质颗粒相，或具有VC和WC硬质颗粒相，并且均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法，其特征在于所述的高速钢涂层的硬度为600~750 HV。
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