CN103290409A - 一种混料机叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混料机叶片的制造方法，包括混料机叶片基体的制造，激光熔覆粉末材料的选择，表面清理，激光熔覆加工，后续热处理。激光熔覆粉末材料化学成分：碳0.8-1.2%、硅0.2-0.35%、钼4.5-6.0%、铬3.0-6.0%、锰0.2-0.4%、钒1.5-2.5%、钨5.5-6.5%，其余为铁，粉末粒度为53-150μm。制造的混料机叶片熔覆层硬度可达HRC60以上，且经热处理后内部组织均匀，晶粒度为10级到11级，性能优异，既耐磨又耐冲刷，可以满足混料机叶片的使用条件。熔覆层内部组织致密、孔隙率小于0.5%，几何稀释率在10%左右，热影响区深度小于1mm。熔覆层为金属材质解决了原有陶瓷材质易破碎的缺陷，与基体呈冶金结合解决了原硬质合金片镶嵌后结合力差、容易剥落的缺陷。

Description

一种混料机叶片的制造方法

技术领域

本发明属于混料机叶片的制造及激光熔覆技术领域，特别涉及一种混料机叶片的制造方法。

背景技术

混料机的叶片是混料机的主要消耗部件，特别是在混合、搅拌一些超硬的颗粒粉末时，对叶片的消耗极为严重。

目前应用的混料机的叶片有以下几种：

1.纯陶瓷材质的或在普通钢基材外面镶套陶瓷材料的。这种混料机叶片在实际使用效果上并不理想，主要是由于陶瓷的内部结合力较差，再加上陶瓷材料本身的抗冲击能力较差，在使用过程中极易发生破碎现象；

2.在普通钢基材外表面镶嵌硬质合金片。这种混料机叶片虽然上边镶嵌的硬质合金片的硬度在HRC60左右且耐磨损能力也较好，但是由于其与钢基体的结合能力不好，在使用过程中极易发生剥落现象。因此在实际使用效果上同样不理想。

因此，一种能在混料机叶片表面制备耐磨硬质合金涂层的方法，使耐磨硬质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，主要有以下优点：(1)激光能量密度高，作用时间短，基体材料的热影响区和由于加工应力而产生的变形小；(2)熔覆层结构细密，微观缺陷小，结合性高，性能优异；(3)熔覆层与基体界面为冶金结合，组织细小，熔覆层成分及稀释率可控，易实现选区熔覆，易实现自动化制备。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金熔覆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熔覆层工艺》，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、活塞杆耐磨抗蚀熔覆层的激光熔覆工艺》，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，铁基合金粉末的成分中主要含有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，使合金粉末熔覆层的厚度达到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熔覆层激光熔覆工艺》，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，以满足熔覆后熔覆层厚度的要求；最后是激光熔覆强化滑床板，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CN101519778A的中国发明专利采用激光在穿孔顶头表面制备WC陶瓷颗粒增强Co基复合涂层，涂层与基体呈冶金结合，提高了涂层与基体的结合力；涂层厚度最大可达到几个毫米；WC颗粒表面包覆Ni，可以减少WC对激光能量的吸收，降低其在激光熔池的烧损率。WC颗粒在涂层中分布均匀，具有高的涂层硬度，提高顶头的使用性能，延长使用寿命。

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熔覆层处理，取得一定的技术效果。但其针对的磨损形式多为单纯的接触性磨损且与之接触的材料多为金属材料其硬度也并不是特别高，对于像这样的部件，在其表面制备硬度在HRC40-55的合金层或是利用WC这样的超硬碳化物复合涂层强化即可。而对像混料机叶片这样的设备部件，其混合的物料多为一些像刚玉、金刚砂之类的超硬陶瓷材料其硬度均在HRC60以上，在这种条件下硬度在HRC40-55的合金层很难再满足；而且这些混合的材料多为颗粒状，对混料机叶片并不是简单的接触性磨损，还存在冲刷。WC复合涂层抵挡不了物料对其粘接相长时间的冲刷，粘结相被冲刷掉了，WC也就起不到任何作用了。因此对于混料机叶片这样的特殊部件，必须选用一种特殊的激光熔覆粉末材料并优化出一种适合的该特殊的熔覆材料的激光熔覆工艺。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺制造混料机叶片，国内、外既无先例，也没有见到相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有混料机叶片陶瓷易破碎、合金片易剥落的缺陷和现有激光熔覆技术不适合在混料机叶片表面制备耐磨硬质合金熔覆层的问题，给出了一种新的混料机叶片的制造方法。本发明采用普通钢制作混料机叶片基体，选用特殊的激光熔覆粉末材料并采用优异的激光熔覆工艺，在基体表面形成1.0-2.0mm的耐磨硬质合金熔覆层。并通过后续的热处理来均匀熔覆层的组织，进一步强化性能，从而制造出一种混料机叶片。

本发明给出的技术方案是：一种混料机叶片的制造方法，其特点是工艺过程如下：

(1) 混料机叶片基体的制造

采用普通钢材通过机械加工方式制作混料机叶片基体，预留出激光熔覆所需的工作层厚度为1.0-2.0mm；

(2)激光熔覆粉末材料的选择

化学成分重量百分比：碳0.8-1.2%、硅0.2-0.35%、钼4.5-6.0%、铬3.0-6.0%、锰0.2-0.4%、钒1.5-2.5%、钨5.5-6.5%，其余为铁及不可避免的杂质，粉末粒度为53-150μm；

(3)激光熔覆加工

先对基材表面进行清理去除油脂和铁锈，再选用多功能数控激光加工系统，采用同步送粉装置按调节好的送粉速率将合金粉末自动送入激光熔池，在高功率聚焦激光束作用下在混料机叶片基材表面形成均匀致密的激光熔覆层；

激光熔覆工艺参数如下：

聚焦镜f= 300～400mm，

熔覆功率P=3000～4000W，

光斑直径D=3～5mm，

熔覆扫描速度V=1000～l500mm/min，扫描方向可平行或垂直于叶片长边方向，

搭接率45～55%，

熔覆层厚度1.0-2.0mm，对应的送粉速率35-55g/min；

(4)后续热处理

对激光熔覆后的混料机叶片进行150-350℃×1.5-4小时的退火热处理，使激光熔覆后的耐磨硬质合金熔覆层内的强化相均匀析出，并消除网状碳化物，从而进一步提高其使用性能。

本发明制造的混料机叶片熔覆层硬度可达HRC60以上，且经热处理后内部组织均匀，晶粒度为10级到11级，性能优异，既耐磨又耐冲刷，可以满足混料机叶片的使用条件。从对激光的吸收率和激光对熔覆粉末有效成分的烧蚀方面，53-150μm的粒度更适合于激光熔覆。同时本发明优化的激光熔覆工艺适合于该种激光熔覆粉末材料，熔覆层内部组织致密、孔隙率小于0.5%，几何稀释率在10%左右，热影响区深度小于1mm。熔覆层为金属材质解决了原有陶瓷材质易破碎的缺陷，与基体呈冶金结合解决了原硬质合金片镶嵌后结合力差、容易剥落的缺陷，该方法是一种较好的混料机叶片的制造方法。

具体实施方式

实施例一：

激光熔覆制造混料机叶片工艺，包括以下过程：

(1) 混料机叶片基体的制造

采用45号钢通过机械加工方式制作混料机叶片基体，预留出激光熔覆所需的工作层厚度1.5mm；

    (2)激光熔覆粉末材料的选择

    化学成分重量百分比：碳0.8%、硅0.22%、钼4.8%、铬3.6%、锰0.38%、钒1.7%、钨5.8%，其余为铁及不可避免的杂质，粉末粒度为53-150μm；

(3)激光熔覆加工

先对基材表面进行清理去除油脂和铁锈，再选用HGL-5000型多功能数控激光加工系统，采用同步送粉装置按调节好的送粉速率将合金粉末自动送入激光熔池，在高功率聚焦激光束作用下在混料机叶片基材表面形成均匀致密的激光熔覆层；

激光熔覆工艺参数如下：

    聚焦镜f= 300mm，

    熔覆功率P=3800W，

    光斑直径D=3mm，

    熔覆扫描速度V=1000mm/min，扫描方向平行于叶片长边方向，

搭接率50%，

熔覆厚度1.5mm，对应送粉速率为45g/min；

(4)后续热处理

对激光熔覆后的混料机叶片进行200℃×2小时的退火热处理。

该实施例制造的混料机叶片熔覆层超声波硬度仪测试硬度为HRC62-63，显微硬度测试硬度为HV_0.2840-860，且经热处理后内部组织均匀，晶粒度为10级，样件金相检测区域内未发现气孔等缺陷，几何稀释率为9%，热影响区深度约为0.80mm。

实施例二：

激光熔覆制造混料机叶片工艺，包括以下过程：

(1) 混料机叶片基体的制造

采用65Mn钢通过机械加工方式制作混料机叶片基体。预留出激光熔覆所需的工作层厚度1.2mm；

    (2)激光熔覆粉末材料的选择

    化学成分重量百分比：碳1.1%、硅0.28%、钼5.2%、铬4.4%、锰0.32%、钒1.9%、钨6.2%，其余为铁及不可避免的杂质，粉末粒度为53-150μm；

(3)激光熔覆加工

先对基材表面进行清理去除油脂和铁锈，再选用HGL-5000型多功能数控激光加工系统，采用同步送粉装置按调节好的送粉速率将合金粉末自动送入激光熔池，在高功率聚焦激光束作用下在混料机叶片基材表面形成均匀致密的激光熔覆层；

激光熔覆工艺参数如下：

    聚焦镜f= 400mm，

    熔覆功率P=4000W，

    光斑直径D=3.2mm，

    熔覆扫描速度V=1200mm/min，扫描方向垂直于叶片长边方向，

搭接率50%，

熔覆层厚度1.2mm，对应的送粉速率为40g/min；

(4)后续热处理

对激光熔覆后的混料机叶片进行220℃×2.5小时的退火热处理。

该实施例制造的混料机叶片熔覆层超声波硬度仪测试硬度为HRC62-63，显微硬度测试硬度为HV_0.2860-890，且经热处理后内部组织均匀，晶粒度为11级，样件金相检测区域内未发现气孔等缺陷，几何稀释率为8.6%，热影响区深度约为0.78mm。

实施例三：

激光熔覆制造混料机叶片工艺，包括以下过程：

(1) 混料机叶片基体的制造

采用40Cr钢通过机械加工方式制作混料机叶片基体，预留出激光熔覆所需的工作层厚度1.5mm；

    (2)激光熔覆粉末材料的选择

    化学成分重量百分比：碳1.1%、硅0.32%、钼5.1%、铬3.9%、锰0.32%、钒2.1%、钨6.2%，其余为铁及不可避免的杂质，粉末粒度为53-150μm；

    (3)激光熔覆加工

   先对基材表面进行清理去除油脂和铁锈，再选用HGL-5000型多功能数控激光加工系统，采用同步送粉装置按调节好的送粉速率将合金粉末自动送入激光熔池，在高功率聚焦激光束作用下在混料机叶片基材表面形成均匀致密的激光熔覆层；

激光熔覆工艺参数如下：

    聚焦镜f=400mm，

    熔覆功率P=3500W，

    光斑直径D=4mm，

    熔覆扫描速度V=1000mm/min，扫描方向平行于叶片长边方向，

搭接率45%，

熔覆层厚度1.5mm，对应的送粉速率为50g/min；

(4)后续热处理

对激光熔覆后的混料机叶片进行250℃×3小时的退火热处理。

该实施例制造的混料机叶片熔覆层超声波硬度仪测试硬度为HRC63-65，显微硬度测试硬度为HV_0.2850-890，且经热处理后内部组织均匀，晶粒度为11级，样件金相检测区域内气孔率为0.2%，该缺陷满足合格要求不影响使用性能，几何稀释率为7.8%，热影响区深度约为0.75mm。

Claims (7)

1.一种混料机叶片的制造方法，其特征在于包括工艺步骤如下：

(1) 混料机叶片基体的制造

采用普通钢材通过机械加工方式制作混料机叶片基体，预留出激光熔覆所需的工作层厚度；

(2)激光熔覆粉末材料的选择

化学成分重量百分比：碳0.8-1.2%、硅0.2-0.35%、钼4.5-6.0%、铬3.0-6.0%、锰0.2-0.4%、钒1.5-2.5%、钨5.5-6.5%，其余为铁及不可避免的杂质，粉末粒度为53-150μm；

(3)激光熔覆加工

选用多功能数控激光加工系统，采用同步送粉装置按调节好的送粉速率将合金粉末自动送入激光熔池，在高功率聚焦激光束作用下在混料机叶片基材表面形成均匀致密的激光熔覆层；

激光熔覆工艺参数如下：

聚焦镜f= 300～400mm，

熔覆功率P=3000～4000W，

光斑直径D=3～5mm，

熔覆扫描速度V=1000～l500mm/min，扫描方向可平行或垂直于叶片长边方向，

搭接率45～55%；

(4)后续热处理

对激光熔覆后的混料机叶片进行150-350℃×1.5-4小时的退火热处理。

2.根据权利要求1所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于熔覆前对基材表面进行清理去除油脂和铁锈。

3.根据权利要求1所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于基体预留出激光熔覆所需的工作层厚度为1.0-2.0mm，对应的送粉速率为35～55g/min，熔覆层厚度1.0-2.0mm。

4.根据权利要求1所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于对激光熔覆后的混料机叶片进行190-260℃×2-3.5小时的退火热处理。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于制作混料机叶片基体的普通钢材为45号钢。

6.根据权利要求1～4任一项所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于制作混料机叶片基体的普通钢材为65Mn钢。

7.根据权利要求1～4任一项所述的一种混料机叶片的制造方法，其特征在于制作混料机叶片基体的普通钢材为40Cr钢。