CN103924238A

CN103924238A - 在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B4C增强相的方法

Info

Publication number: CN103924238A
Application number: CN201410171730.8A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 马群双; 王娟
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103924238B

Abstract

本发明公开了一种在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B₄C增强相的方法，包括以下步骤对Q550钢表面进行打磨，去除油污和锈迹；利用光纤激光器对Q550钢表面熔覆增强层，工艺参数如下：功率2.0～4.0kW，熔覆速度10～50cm/min，激光热源模式为圆光斑直径5mm或矩形光斑1.5mm×17mm，采用圆光斑和矩形光斑进行激光熔覆时，送粉速率分别为20～100g/min和30～150g/min；去除熔覆层表面的熔渣，冷却到室温后进行机械加工，本发明实现了Q550钢与增强相合金粉末的牢固冶金结合，生产效率高，操作方便灵活，获得组织细致，无裂纹、气孔、夹渣，性能优异的熔覆层组织。

Description

在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B4C增强相的方法

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，涉及一种高强钢表面的激光强化方法，具体涉及一种在Q550高强钢上激光熔覆Ni基合金粉末+碳化硼(B₄C)增强相的方法。

背景技术

近年来随着大功率激光器在工业应用中的迅速发展，激光熔覆技术得到广泛应用，金属材料的表面改性越来越受到人们的关注。利用激光熔覆技术在型材表面进行耐磨、耐腐蚀、耐高温等强化加工，既提高了零部件的使用寿命，又节约了能源和材料损耗，应用于现代工业设备的生产制造和修复，可以获得巨大的经济效益。例如在钢材表面利用激光熔覆技术制备Ni基熔覆层，使工件表面得到优异的耐腐蚀或耐磨性能。Q550高强钢广泛应用于煤矿机械液压支架制造中，由于液压支架在井下工作条件恶劣，局部损坏就会导致装备失效。采用激光熔覆技术修复Q550钢液压支架损坏部位或强化液压支架关键部位，可以大大延长液压支架使用寿命，获得良好的经济效益。

Q550高强钢作为很有发展潜力的钢种，对其破损部位进行激光熔覆有很好的应用前景。对于Q550高强钢的表面改性，目前可以采用的技术有堆焊、等离子弧喷涂和激光熔覆等。堆焊和等离子弧喷涂热输入量较大，对基体组织和性能有较大影响，存在基体软化或失强的问题。激光熔覆技术具有较大的灵活性，可以根据工件的服役条件选择合适的合金粉末，并且具有稀释率低，熔覆层组织细密，冶金结合牢固等优点。利用B₄C作为Ni基熔覆层的增强相已有部分研究，中国专利201310704996.X公开了一种钛合金激光熔覆表面强化方法，提到在Co42合金粉末中添加一定比例的B₄C强化相，生成TiC和TiB₂等增强相，增加熔覆层的耐磨性。

近年来，随着大功率激光器的工业化运用日益增多，激光熔覆技术出现熔覆层的稀释率增加，基材受热影响严重，熔覆层裂纹和气孔缺陷率上升等问题。现有的激光熔覆添加增强相的工艺只能针对一类工件，例如只针对轴类零件、小尺寸工件或者是大尺寸工件，还没有一种适用性较广的工艺；增强相与基体合金结合不够牢固，组织存在裂纹、气孔、夹渣等问题；现有的激光熔覆过程中都需要外加气体保护，成本较高、生产效率低。用控轧控冷技术(TMCP)制造的Q550高强钢在加工过程中，母材组织对热输入敏感，在大热输入条件下容易产生回火软化区造成母材失强。因此，在现有激光技术的条件下，如何选择熔覆合金粉末、如何优化激光熔覆参数，获得性能稳定的熔覆层、如何简化生产流程，控制成本，成为一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B₄C增强相的方法，这种方法具有很好的灵活性和实用性，可以获得熔覆组织致密、无裂纹和无气孔缺陷、界面冶金结合良好、耐磨性和耐腐蚀性提高明显的熔覆层。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B₄C增强相的方法，包括步骤如下：

1)对Q550钢表面进行打磨，去除油污和锈迹；

2)对Q550钢表面激光熔覆Ni基合金+B₄C增强层，激光熔覆的工艺参数如下：功率2.0～4.0kW，熔覆速度10～50cm/min，激光热源模式为圆光斑，直径5mm，送粉速率20～100g/min，采用同轴送粉方式，所述Ni基合金粉末，粒度为200～300目，Ni基合金粉末各成分的质量百分含量如下：C0.6％～1.0％，Cr14％～17％，Fe≤15％，Si3％～4.5％，B2.5％～4.5％，Mn0.5％～1.5％，其余为Ni，所述B₄C粒度为200～300目，在Ni基合金+B₄C混合粉末中的添加比例按质量分数计为3％～8％；

3)去除熔覆层表面的熔渣，待Q550钢冷却到室温后进行机械加工。

1)对Q550钢表面进行打磨，去除油污和锈迹；

2)对Q550钢表面激光熔覆Ni基合金+B₄C增强层，激光熔覆的工艺参数如下：功率2.0～4.0kW，熔覆速度10～50cm/min，激光热源模式为矩形光斑1.5mm×17mm，送粉速率30～150g/min，采用旁轴送粉方式，所述Ni基合金粉末，粒度为200～300目，Ni基合金粉末的各成分的质量百分含量如下：C0.6％～1.0％，Cr14％～17％，Fe≤15％，Si3％～4.5％，B2.5％～4.5％，Mn0.5％～1.5％，其余为Ni，所述B₄C粒度为200～300目，在Ni基合金+B₄C混合粉末中的添加比例按质量分数为3％～8％；

所述Ni基合金粉末使用前在250℃下烘干30min。

上述方法熔覆单层熔覆层的厚度为0.5～1.0mm。

上述方法熔覆多道熔覆层时搭接率为20％～30％，熔覆层最大堆积厚度小于10mm，层间温度为250-350℃；多层熔覆层时，熔覆层和基底组织受到激光热源的反复影响，多次热循环的作用导致Q550母材组织热影响区宽度增加。熔覆层在反复热循环的作用下，热应力累积不断上升，熔覆层堆积厚度达到10mm以上时，在现有层间温度下，易导致熔覆层开裂。所以多层激光熔覆厚度上限应控制在10mm以内。

本发明所产生的有益效果：

采用本发明的激光熔覆方法，能够实现Q550钢与Ni基合金加B₄C增强相合金粉末的牢固冶金结合，生产效率高，操作方便灵活，可以获得组织细致，无裂纹、气孔、夹渣等缺陷，性能优异的熔覆层组织。

本发明中在Ni60系合金粉末中添加B₄C增强相，在激光热源作用下可以在熔覆层中生成Ni₃B，Cr₅B₃和M₂₃C₆等增强相，应用于Q550高强钢的激光熔覆中可以显著增加熔覆层的耐磨性。

与其他表面强化技术相比，本发明所采用的激光熔覆工艺可以根据工件使用中的耐磨、耐腐蚀性要求，选用相应的Ni基合金粉末化学成分和不同比例的B₄C增强相，熔覆层的显微硬度可以达到600～900HV，工件服役时间可提高3～6倍，耐腐蚀也显著提高，能够满足工业生产中对Q550钢构件表面强化要求。

本发明所采用的LDF4000-100激光器，采用矩形光斑工作模式可以大大提高生产效率，并且不需要氩气保护，减少了粉末损耗和生产升本，适用于Q550钢构件表面大面积激光熔覆和强化。

适用于轴类零件、小尺寸精密工件以及大尺寸工件的表面修复和强化，采用的Ni自熔性合金粉末的造渣和自保护作用效果明显，无需再对熔覆层进行气体保护，而且适用于板材、型材或轴类工件。

附图说明

图1为实施例1激光熔覆完成之后的实物形貌图；

图2为实施例2激光熔覆完成之后的实物形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

在尺寸为10mm×10mm×25mm的Q550高强钢试样上，激光熔覆Ni基合金粉末加B₄C增强相。

具体工艺步骤如下：

1)对Q550钢试样表面进行打磨，去除油污和铁锈；

2)熔覆的Ni基粉末为Ni60系列自熔性合金，粒度为250目，Ni60合金粉末各成分的质量百分比：C0.85％，Si0.45％，B3.6％，Cr16％，Fe14％，其余为Ni。B₄C增强相纯度99％，粒度200目。B₄C增强层粉末按质量分数添加5％，混合粉末总量为100g，取质量为95g的Ni60合金粉末与5g的B₄C粉末在混粉机中均匀混合2h，然后在250℃下烘干30min，放入送粉器中待用。

3)将试样固定在工作台上，在试样10mm×25mm的面积上进行激光熔覆，利用智能机械手定位熔覆轨迹，直线轨迹长度25mm，熔覆速度28cm/min，采用同轴送粉，送粉速率30g/min，熔覆层无需气体保护。

4)采用LDF4000-100型光纤激光器圆形激光工作模式，光斑直径5mm，激光功率2.8kW，焦距47cm，离焦量为0。

5)激光熔覆过程中，先通15℃的冷却水，通压缩空气保护激光镜头，通送粉器，然后开启激光，智能机械手将自动按照设定的工艺参数和轨迹进行激光熔覆；

6)激光熔覆结束后，收光，切断镜头保护气，送粉器，冷却水，用钢丝刷去除熔覆层表面的熔渣，然后待工件自然冷却到室温，再进行后续的机械加工。

本实施例激光熔覆完成之后的形貌如图1所示，利用圆光斑激光熔覆Ni60+B₄C复合粉末，熔覆层表面成形良好，单道熔覆层厚度可以达到2～5mm，显著提高了激光熔覆效率。熔覆层脱渣性良好，在熔覆完成后利用钢刷去除表面熔渣，检查成型质量可以发现，熔覆层致密无气孔和裂纹。利用合金粉末的造渣保护作用，无需外加保护气体，降低生产成本。

本发明提出的激光熔覆技术适用于轴类零件及小尺寸精密工件的表面修复和强化，采用的Ni自熔性合金粉末的造渣和自保护作用效果明显，无需再对熔覆层进行气体保护，节约生产成本，提高生产效率。熔覆层表面显微硬度可以达到600HV以上，表面强化效果明显。

实施例2

在尺寸为10mm×20mm×30mm的Q550高强钢试样上，激光熔覆Ni基合金粉末+B₄C强化相。

具体工艺步骤如下：

1)激光熔覆前对Q550钢试样20×30mm的表面进行打磨，去除油污和铁锈；

2)熔覆的Ni基粉末为Ni60系列自熔性合金，粒度为250目，Ni60合金粉末各成分的质量百分比：C0.85％，Si0.45％，B3.6％，Cr16％，Fe14％，其余为Ni。B₄C增强相纯度99％，粒度200目。B₄C增强相粉末按质量分数添加8％，混合粉末总量200g。取184g Ni60合金粉末与16g B₄C粉末在混粉机中均匀混合2h，然后在250℃下烘干30min，放入送粉器中待用。

3)将试样固定在工作台上，在试样20mm×30mm的面积上进行激光熔覆，利用智能机械手定位熔覆轨迹，直线轨迹长度30mm，熔覆速度30cm/min，采用旁轴送粉，送粉速率80g/min，熔覆层无需气体保护。

4)采用LDF4000-100型光纤激光器矩形激光工作模式，光斑尺寸1.5mm×17mm，激光功率4.0kW，焦距15cm，离焦量为0。

5)激光熔覆过程中，先通15℃的冷却水，通压缩空气保护激光镜头，通送粉器，然后开启激光，智能机械手将自动按照设定的工艺参数和轨迹进行激光熔覆；多层激光熔覆时，搭接率控制为30％，第一层熔覆完成后，收光，利用钢刷去除表面熔渣，熔覆层冷却到400℃左右时，进行第二层的激光熔覆，依次进行熔覆直到熔覆层累计厚度达到要求。

本实施例激光熔覆完成之后的形貌如图2所示。利用1.5×17mm矩形光斑单层激光熔覆，熔覆层厚度可以达到1.0～2.5mm，宽度达到16～20mm，熔覆效率较高。熔覆层表面成型良好，去除熔渣后检查发现熔覆层无裂纹和夹渣等缺陷，熔覆层边缘有少量球状飞溅颗粒，较易去除，对激光熔覆成型质量影响不大。利用复合合金粉末的造渣保护作用，无需外加保护气体，简化了生产工艺，控制生产成本。

采用该激光熔覆工艺适用于大尺寸工件的表面强化，矩形光斑的热源模式可以大大提高生产效率，并且不需要氩气保护，减少了粉末损耗，控制了生产成本。Ni基合金粉末造渣和自保护作用效果较好，可以获得组织致密，无缺陷的熔覆层。适用于Q550高强钢煤机液压支架产品的顶板，支护板，底板等工件的表面大面积耐磨，耐腐蚀强化。

上述虽然结合附图与实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B₄C增强相的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)对Q550钢表面进行打磨，去除油污和锈迹；

2)对Q550钢表面激光熔覆Ni基合金+B₄C增强层，激光熔覆的工艺参数如下：功率2.0～4.0kW，熔覆速度10～50cm/min，送粉速率20～100g/min,激光热源模式为圆光斑，直径5mm，所述Ni基合金粉末，粒度为200～300目，Ni基合金粉末各成分的质量百分含量如下：C0.6％～1.0％，Cr14％～17％，Fe≤15％，Si3％～4.5％，B2.5％～4.5％，Mn0.5％～1.5％，其余为Ni,所述B₄C粒度为200～300目，在Ni基合金+B₄C混合粉末中的添加比例按质量分数计为3％～8％；

2.一种在Q550钢上激光熔覆Ni基合金+B₄C增强相的方法，其特征在于，包括步骤如下：1)对Q550钢表面进行打磨，去除油污和锈迹；

2)对Q550钢表面激光熔覆Ni基合金+B₄C增强层，激光熔覆的工艺参数如下：功率2.0～4.0kW，熔覆速度10～50cm/min，送粉速率30～150g/min，激光热源模式为矩形光斑1.5mm×17mm，所述Ni基合金粉末，粒度为200～300目，Ni基合金粉末的各成分的质量百分含量如下：C0.6％～1.0％，Cr14％～17％，Fe≤15％，Si3％～4.5％，B2.5％～4.5％，Mn0.5％～1.5％，其余为Ni，所述B₄C粒度为200～300目，在Ni基合金+B₄C混合粉末中的添加比例按质量分数为3％～8％；

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述Ni基合金粉末使用前在250℃下烘干30min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中熔覆采用同轴送粉方式。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中熔覆采用旁轴送粉方式。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中熔覆单层熔覆层的厚度为0.5～1.0mm。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中熔覆多道熔覆层时搭接率为20％～30％，熔覆层最大堆积厚度小于10mm，层间温度为250-350℃。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)熔覆室温低于5℃时，预热Q550钢，预热温度为100～150℃。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中Q550钢为板材、型材或轴类工件。