CN103920872B

CN103920872B - 激光合金化粉末及其在钢瓶环模激光表面合金化中的应用

Info

Publication number: CN103920872B
Application number: CN201410172080.9A
Authority: CN
Inventors: 田为军; 王绥义
Original assignee: Wuhan Gass Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Gass Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2014-04-26
Filing date: 2014-04-26
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2034-04-26
Also published as: CN103920872A

Abstract

本发明属于激光合金化加工材料及其应用技术领域，具体公开了一种激光合金化粉末及其在钢瓶环模激光表面合金化中的应用，适用于冲拔式钢瓶生产线所用的钢瓶环模。本发明的激光合金化粉末由碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉组成，其在钢瓶环模激光表面合金化中的应用的步骤如下：A、将欲处理的钢瓶环模工作面车削平整，清洗干净；B、用无水酒精将合金粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀刷涂在工作面上，并晾干或吹干；C、用激光束连续搭接扫描整个工作面，完成激光表面合金化处理。处理完的钢瓶环模无需后续机加工，可直接安装上冲拔式钢瓶生产线使用。该方法简单易行，通过激光合金化处理之后的钢瓶环模，其使用寿命提高2倍以上。

Description

激光合金化粉末及其在钢瓶环模激光表面合金化中的应用

技术领域

本发明涉及激光合金化加工材料及其应用技术领域，具体涉及一种激光合金化粉末及其在钢瓶环模激光表面合金化中的应用，适用于冲拔式钢瓶生产线所用的钢瓶环模。

背景技术

对于冲拔式钢制气瓶生产线来说，其生产效率主要取决于生产气瓶所用的模具——钢瓶环模的性能。如何提高钢瓶环模的红硬性能，延长钢瓶环模的服役时间，从而提高过瓶量，是提高钢瓶产量的关键因素。

钢瓶环模的过瓶量是指一个新的钢瓶环模从上线使用到失效(出现软化、粘钢、凹坑等影响钢瓶产品质量的缺陷即为失效)，所能生产的钢瓶数量。当钢瓶环模失效时，生产线必须停止生产，更换钢瓶环模，才能继续生产，因此过瓶量是衡量冲拔式钢瓶生产线生产效率的最重要指标。

钢瓶环模是一种热作模具，由于钢瓶环模在高温状态下工作，烧红的钢坯在顶杆的强力作用下挤压穿过钢瓶环模，因此对钢瓶环模的耐热性能有较高要求，目前市场上主要采用耐高温性能良好的H13钢制作。

H13钢是热作模具钢，其牌号为4Cr5MoSiV1，该钢具有高的淬透性和抗热裂能力，含有较高含量的碳和钒，耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性和韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。

即使H13钢具有良好的耐热性能，但由于这种钢材价格昂贵，而且更换钢瓶环模会严重影响生产效率，因此，提高过瓶量仍然是非常有价值的研究课题。

常规方法有淬火、渗碳、渗氮等方式，但这些方法的效果非常有限，因为钢瓶环模的工作环境是高温环境，传统的淬火在高温环境下又进入了退火状态。另外，对于渗碳这种工艺来说，渗入过多的碳会使钢瓶环模的韧性降低。

近年来出现了表面合金化的技术，在钢瓶环模工作面表面形成一层耐高温的合金层，合金层成分的不同，得到的效果也不一样。本发明经过反复试验验证之后，得到了一种效果优异的激光合金化合金粉末，用这种粉末在激光的作用下，在钢瓶环模工作面表面形成一层特种合金成分，使用寿命能显著提高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供了一种激光合金化粉末。

第二个目的在于提供了一种上述激光合金化粉末在钢瓶环模激光表面合金化中的应用，填补了钢瓶环模表面合金化处理的技术空白。

本发明通过添加合金元素和优化工艺，使钢瓶环模的工作面表面形成一层耐高温性能很好的合金层，有效阻止了钢瓶环模出现软化、粘钢、凹坑、开裂等失效形式，相同工况条件下过瓶量提高2倍以上。

为了实现上述发明目的，本发明采取了以下技术措施。

一种激光合金化粉末，由碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉混合而成，各组分的重量配比为碳化钨粉：碳化硼粉：钼粉：铬粉：镍粉＝40：35：4：15：6，其中各粉末尺寸均为纳米级别的，所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的粒径范围均为50nm-100nm(即50-100纳米)；

所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的纯度均为97-99wt％；

上述激光合金化粉末在钢瓶环模激光表面合金化中的应用，其步骤如下：

A、将欲处理的钢瓶环模工作面用普通车床车削平整，然后将车削好的钢瓶环模装于机床上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动，用酒精或丙酮对钢瓶环模工作面进行清洗，直至工作面光洁，无油污；

B、用无水酒精将激光合金化粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，用软毛刷蘸取该涂料，均匀地刷涂在工作面上，涂层厚0.1-0.15mm，并晾干或吹干；

所述激光合金化粉末和酚醛树脂的重量比为(94-98)：(2-6)；

C、用激光束连续扫描整个工作面，激光输出功率4.0-4.5KW，光斑直径Ф3.0-3.5mm，扫描速度4.0-4.5m/min，熔道间的搭接率20-30％，同时吹保护气，保护气为氩气，氦气和氮气中的一种(考虑到成本因素，一般选择普通氮气)，保护气输出压力0.1-0.2Mpa；

用以上技术方法处理过的钢瓶环模表面高温硬度高、光洁度好、磨擦系数低，不需要后续机加工，可直接上生产线使用。

WC(碳化钨)是种高硬度，抗高温软化的粒子，抗磨性极好。它的配入起弥散强化的作用，大大提高了合金化层的抗磨性。本发明激光合金化粉末中WC含量为40wt％。

B₄C(碳化硼)俗称人造金刚石，是一种有很高硬度的碳化物，与大多数陶瓷相比，易碎性较低，这种粉末的配入在提高合金层硬度的同时能有效阻止合金层被压力挤碎的风险。本发明激光合金化粉末中B₄C含量为35wt％。

Mo(钼)形成细小、分散的Mo₂C、MoC细化晶粒。本发明激光合金化粉末中Mo粉含量为4wt％。

Cr(铬)对钢的耐磨损性，高温强度、热态硬度、韧度何淬透性都有有利的影响，并形成一定量的碳化物。本发明激光合金化粉末中Cr粉含量为15wt％。

Ni(镍)进一步提升钢的淬透性。本发明激光合金化粉末中Ni粉含量为6wt％。

选用合金粉末的尺寸为纳米级的，其粒径范围为50nm-100nm(即50-100纳米)，这是通过试验反复验证之后得到的结果，这种尺寸的粉末比用普通尺寸所形成的合金的耐高温性能要好得多，同时纳米材料的不相溶性能显著降低金属表面的磨擦系数，从而大幅提升表面性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1、目前，钢瓶环模工作面在高温环境连续使用一段时间后常会出现粘钢问题，使用本发明的技术在钢瓶环模工作面表面形成新的合金层之后，粘钢的问题得到明显的改善；

2、使用激光表面合金化的工艺方案，其表面粗糙度能够满足使用要求。除了激光表面合金化这种工艺方案，也有人通过熔覆耐磨耐高温粉末来提高钢瓶环模的使用寿命，但是，使用激光熔覆的方案有一个最大的弊端，那就是熔覆层是粗糙的，必须经过车、磨等机加工之后才能上线使用，而硬度很高的熔覆层，使机加工变得十分困难，工艺方案变得没有可操作性。另外，激光熔覆方案的效率、成本都比激光表面合金化工艺方案高得多；

3、本发明的工艺方法在上海高压容器有限公司和浙江金盾压力容器有限公司考核两年多，证明此工艺处理后的钢瓶环模红硬性能非常好，粗糙度接近精车的级别。使用效果显示，过瓶量至少提高2倍以上；

4、本发明可扩展至H13钢在其他模具以及其他热作模具的应用，前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明的工艺实施流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明，以利于理解本发明，但不限制本发明内容。本案例为本发明人对浙江金盾压力容器有限公司的钢瓶环模进行激光表面合金化的实施过程记录。

实施例1：

本发明方法用于强化H13钢瓶环模的方法步骤如下：

(1)将欲处理的钢瓶环模工作面用普通车床车削平整，然后将车削好的钢瓶环模装于机床上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动；

(2)用酒精或丙酮清洁钢瓶环模工作面，直至工作面无油污，光洁；

(3)用无水酒精将激光化合金粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，用软毛刷蘸取该涂料，均匀地刷涂在工作面上，涂层厚0.12mm，并晾干或吹干，所述的激光化合金粉末由碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉组成，重量配比为碳化钨粉：碳化硼粉：钼粉：铬粉：镍粉＝40：35：4：15：6，所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的粒径范围均为50nm-100nm；所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的的纯度分别为碳化钨粉99％、碳化硼粉99％、钼粉99％、铬粉99％和镍粉99％；

所述激光合金化粉末和酚醛树脂的重量比为96：4；

(4)开启CO₂横流激光器，用激光束连续扫描整个工作面，激光输出功率为4.5KW，将光斑调到Ф3.5mm，对准扫描起始点，扫描速度4.5m/min，同时吹氮气保护，保护气输出压力为0.15Mpa；

(5)激光束扫描轨迹为螺旋连续搭接方式，本例搭接率为25％，工作面扫描完成后，本工艺处理即完成。

处理完的钢瓶环模直接上机使用，过瓶量由原来(未进行表面合金化处理)的450个左右提高到1500个，大大提高了钢瓶环模的服役寿命。

本实施例处理完后的合金化表面在900℃下硬度为HRC35-40，较未进行表面合金化处理的有了明显提升，未进行表面合金化处理的工作面在900℃下硬度为HRC15-20。

对比实施例(本例为对上海高压容器有限公司实施的记录)：

将激光合金化粉末换为纯的铬粉、镍粉、钼粉和碳化钨粉按重量比配制的混合物，具体为Cr：Ni：Mo：WC＝45：8：12：35，其中各纯金属粉的粒径均为2-5微米，碳化钨粉的粒径为35-45微米。

其余操作均同实施例1，处理完的钢瓶环模直接上机使用，过瓶量由原来(未进行表面合金化处理)的450个左右提高到850个。

Claims

1.一种激光合金化粉末在钢瓶环模激光表面合金化中的应用，其步骤如下：

A、将欲处理的钢瓶环模工作面车削平整，然后将车削好的钢瓶环模装于机床上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动，用酒精或丙酮对钢瓶环模工作面进行清洗，直至工作面光洁，无油污；

B、用无水酒精将激光合金化粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，将该涂料均匀地刷涂在工作面上，涂层厚0.1-0.15mm，晾干或吹干；

所述激光合金化粉末和酚醛树脂的重量比为（94-98）：（2-6）；

C、用激光束连续扫描整个工作面，激光输出功率4.0-4.5KW，光斑直径Ф3.0-3.5mm，扫描速度4.0-4.5m/min，熔道间的搭接率20-30%，同时吹保护气，保护气为氩气、氦气和氮气中的一种，保护气输出压力0.1-0.2MPa；

所述激光合金化粉末由碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉组成，各组分的重量配比为碳化钨粉：碳化硼粉：钼粉：铬粉：镍粉=40：35：4：15：6，所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的粒径范围均为50nm-100nm；

所述碳化钨粉、碳化硼粉、钼粉、铬粉和镍粉的纯度均为97-99wt%。