CN104498774B - 一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末及其制备方法，所述的合金粉末的化学成分按重量百分比为Cu:12～24％；C:1.5～3.5％；Si:0.2～2.4％；Al:0.01～0.05％；Ba:0.005～0.01％；Ca：0.001～0.01；Co:0.5～1.2％；Y₂O₃:0.0～0.04％；La₂O₃:0.0～0.03％；Ce:0.0～0.04％；Ni:余量。本发明通过添加合金基体强化元素、促石墨化元素、晶粒细化晶界强化元素，并调整各元素的百分比含量，使合金获得优越的综合性能，从而实现了合金在具有适中硬度和强度的同时，又降低了“白口”组织形成倾向，增加了抗冲击、耐疲劳性能，从根本上解决并提高了合金粉末在激光熔覆层中的抗裂性、成形性、工艺稳定性和成份均匀性，为灰铸铁零件的成功修复提供了一种行之有效的便捷方法。

Description

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于合金粉末材料科学技术领域，提供一种减少碳扩散、硬度适中、耐疲劳、抗冲击性优良、具有优越熔覆性能的采用激光熔覆方法修复灰铸铁用合金粉末材料及其制备方法，也适用于作为其他铸铁零部件，具体是涉及一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末及其制备方法。

背景技术

灰铸铁具有良好的铸造性能、优异的减振性、良好的切削加工性能等优点，而广泛应用于装备制造业、冶金、农机、给排水及国防工业各部门。据统计，我国每年仅因灰铸铁铸造缺陷导致的经济损失高达数百亿元另外，灰铸铁件在服役过程中也易产生磨损、开裂等缺陷，如直接报废回炉，将造成巨大的经济损失和资源浪费，因此亟需对失效灰铸铁零件进行维修。

灰铸铁本身含碳量高，硫、磷等杂质较多，组织不均匀，因而焊接性较差，采用传统的焊接技术对灰铸铁进行冷焊时，由于热输入量大，在焊缝、熔合区和热影响区都易出现大量的白口和淬硬组织。选择合适的修复工艺和合金材料是灰铸铁零件修复的关键所在。

激光熔覆是以高能密度的激光为热源，将具有特殊使用性能的材料涂覆在基材表面，获得与基体形成良好冶金结合和使用性能的先进加工技术。其具有能量密度高、热影响区小、热变形小、易于实现选区修复等特点，为灰铸铁零件修复提供了新的技术手段。

目前，国内外市场上激光熔覆专用的合金粉末并不多见，尤其是适用于灰铸铁激光熔覆修复的能够有效控制基体碳扩散、控制白口组织的形成，且具有硬度适中、抗冲击、耐疲劳、易于加工等综合性能优越的合金粉末尚未见报道。基本上是采用喷焊或喷涂用合金粉末，或在此类粉末基础上，按不同比例加以调配，并以机械混合的形式配制所需的各种合金粉末。这些混合粉存在诸如混合不均匀、流动性差、膨胀系数差异大等问题，导致在实际熔覆中无法控制裂绞、气孔、白口、偏析、性能不稳、不易机加等缺陷。亟待开发一种价格适中、性能优良稳定、硬度适中、机加方便的合金粉末，专用于激光熔覆，解决灰铸铁零件修复中优选覆层材料问题。同时，也适用于作为其他铸铁零部件的激光熔覆修复合金粉末，应用前景广阔，具有重大的社会、经济效益。

因此，亟待开发一种价格适中、性能优良稳定、硬度适中、机加方便的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，专用于激光熔覆，解决灰铸铁零件修复中优选覆层材料问题。同时，也适用于作为其他铸铁零部件的激光熔覆修复合金粉末，应用前景广阔，具有重大的社会、经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少碳扩散、硬度适中、耐疲劳、抗冲击性优良、具有优越熔覆性能的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，专用于采用激光熔覆方法，修复灰铸铁零件的操作。

本发明首先提供了一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，是在镍铜合金基础上，添加C、Al、Si、Ca、Ba、Co、Y₂O₃、La₂O₃和Ce等元素进行合金基体的进一步优化。

本发明的技术方案如下：

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成份中主要含有：Ni、Cu、C、Si、Al、Ba、Ca、Co、Y₂O₃、La₂O₃和Ce元素；所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为Cu：12～24％；C：1.5～3.5％；Si：0.2～2.4％；Al：0.01～0.05％；Ba：0.005～0.01％；Ca：0.001～0.01％；Co：0.5～1.2％；Y₂O₃：0.0～0.04％；La₂O₃：0.0～0.03％；Ce：0.0～0.04％；Ni：余量。

在一个优选的技术方案中，所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为：Cu：18％；C：3.2％；Si：1.8％；Al：0.01％；Ba：0.005％；Ca：0.004％；Co：0.92％；Y₂O₃：0.002％；La₂O₃：0.023％；Ce：0.015％；Ni：余量。

在一个优选的技术方案中，所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为：Cu：19％；C：2.3％；Si：1.9％；Al：0.03％；Ba：0.006％；Ca：0.005％；Co：0.5％；Y₂O₃：0.01％；La₂O₃：0.02％；Ni：余量。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料是通过真空熔炼、气雾化、筛选等工序精心制备的，粒度是120～350目。

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、首先将Ni、Cu、C、Al、Si、Ca、Ba、Co、Y₂O₃、La₂O₃和Ce元素，按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内，在氩气气氛下加热到1500-1550℃，使粉末完全融化并混合均匀；

步骤二、将步骤一得到的熔融的金属液流注入水雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴流经水雾化喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末，得到所述的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末。

本发明的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，在实际熔覆操作中可以采用1000～2000W YAG固态激光器，在失效灰铸铁零件熔覆中使用。应用所述粉末材料的熔覆工艺参数是：功率：1000～1800W，焦距：200～300mm，光斑直径：2～4mm，扫描速度：200～600mm/min，送分量：7.3～10.8g/min。

本发明的一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，所述材料激光熔覆修复用合金粉末是在上述合金成份基础上，添加C元素。C元素作为强脱氧剂，可防止熔覆层产生气孔；C元素可缩小高温脆性温度区间，有利于提高熔覆层的抗热裂纹的能力；碳的析出，能够降低熔覆层的收缩应力，有利于降低热影响区熔合线附近产生冷裂纹的倾向；C元素有利于降低半熔化区中的碳向熔覆层的扩散程度，进一步减低白口区域宽度。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修复用合金粉末是在上述合金成份基础上，添加Al、Si等元素，Al、Si等元素作为促进石墨化元素，可显著降低灰铸铁共晶点的含碳量，促进石墨化，减低白口化倾向，且Al、Si等元素的高熔点氧化物能够起到孕育作用，形成异质石墨核心，进一步促进石墨化。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修复用合金粉末是在上述合金成份基础上，添加Ca、Ba等元素，起到较好的脱硫、脱磷效果，减少硫磷等有害元素在晶界处的偏析，降低熔覆层的热裂倾向，且能够形成的并生成形影的硫化物和磷化物降低灰铸铁共晶点的含碳量，促进灰铸铁石墨化，同时Ca元素还可以改善石墨形态。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修复用合金粉末是在上述合金成份基础上，添加Co元素，减少硫、磷、硅等元素在晶界处的偏析，降低熔覆层的热裂倾向。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修复用合金粉末是在上述合金成份基础上，添加稀土微量元素Y₂O₃、La₂O₃、Ce，起到良好的脱硫、脱氧作用，减少熔覆层气孔的形成，同时稀土元素的加入还有助于细化晶粒，强化晶界，提高熔覆层力学性能。

通过添加合金基体强化元素、促石墨化元素、晶粒细化晶界强化元素，并调整各元素的百分比含量，使合金获得优越的综合性能。从而实现了合金在具有适中硬度和强度的同时，又降低了“白口”组织形成倾向，增加了抗冲击、耐疲劳性能。从根本上解决并提高了合金粉末在激光熔覆层中的抗裂性、成形性、工艺稳定性和成份均匀性，满足了修复部件对熔覆层耐温、耐蚀、耐磨、耐疲劳、抗冲击和较高强度等的综合性能要求。

本发明灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末材料，主要应用于具有铸造缺陷或服役过程中发生磨损、腐蚀、开裂等缺陷的灰铸铁零件的激光熔覆修复。

本发明的优点在于：所述材料灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末是在镍铜合金基础上，添加合金基体强化元素、促石墨化元素、晶粒细化晶界强化元素，并调整各元素的百分比含量，使合金获得优越的综合性能。从而实现了合金在具有适中硬度和强度的同时，又降低了“白口”组织形成倾向，增加了抗冲击、耐疲劳性能。从根本上解决并提高了合金粉末在激光熔覆层中的抗裂性、成形性、工艺稳定性和成份均匀性，满足了修复部件对熔覆层耐温、耐蚀、耐磨、耐疲劳、抗冲击和较高强度等的综合性能要求。该粉末材料适用具有铸造缺陷或服役过程中发生磨损、腐蚀、开裂等缺陷的灰铸铁零件的激光熔覆修复，解决了灰铸铁零件焊接性差、难修复的技术难题，为成功修复失效灰铸铁零件提供了一种行之有效的便捷方法。

具体实施方式

实施例一

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，按合金成份中包括有：Ni、Cu、C、Al、Si、Ca、Ba、Co元素，合金成份中还含有适量的稀土元素Y₂O₃、La₂O₃和Ce，其化学成份按重量百分比为：Cu:18％；C:3.2％；Si:1.8％；Al:0.01％；Ba:0.005％；Ca:0.004％；Co:0.92％；Y₂O₃:0.002％；La₂O₃:0.023％；Ce:0.015％；Ni:余量。

上述合金粉末的制备方法，包括以下过程：

1、将Ni、Cu、C、Al、Si、Ca、Ba、Co及稀土元素Y₂O₃、La₂O₃、Ce按上述重量百分比配比，准备好制作金属粉末的原材料。

2、启动中频，按熔炼工艺的要求，放入金属开始熔炼，一般容易氧化的金属在熔化的后期放入；熔化温度大约在1500-1550℃。

3、当本炉的金属全部在炉内熔化后，进行造渣，去除金属液中的杂质。

4、然后进入精炼期进行精炼，浇注前加入脱氧剂进行脱氧。

5、浇注钢锭，脱模冷却后，分析化学成份。合格后转入下道工序。

6、将合金料重新装入制粉设备的熔炼炉中，经过熔炼—除渣—脱氧—精炼后，开始进行金属粉末的雾化，正常的雾化时间在10～30分钟左右。

7、将来自气瓶的高压气体作为气刀，对熔化后经漏嘴约束后成一细流的熔融金属液流进行切割，雾化成极微小的金属液滴，最后凝固成合金粉末。

8、凝固后的金属粉末，在高温时还是相当容易氧化的，所以须在无氧或低氧的环境下让其冷却到室温，才能减少粉末的含氧量。

9、干燥后的金属粉末，先取样进行化学成份的化验，如果合格，再按用户的要求进行筛分，包装入库。

实施例二

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，按合金成份中包括有：Ni、Cu、C、Al、Si、Ca、Ba、Co元素，合金成份中还含有适量的稀土元素Y₂O₃、La₂O₃和Ce，其化学成份按重量百分比为：Cu:19％；C:2.3％；Si:1.9％；Al:0.03％；Ba:0.006％；Ca:0.005％；Co:0.5％；Y₂O₃:0.01％；La₂O₃：0.02％；Ni:余量。

其制备方法与实施例一相同。

实施例三

一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，按合金成份中包括有：Ni、Cu、B、Si、Fe、C、Ba、Ca、Mn元素，合金成份中还含有适量的稀土元素Y₂O₃、La₂O₃和Ce，其化学成份按重量百分比为：Cu:20％；B:1.4％；Si:2.0％；Fe:0.8％；C:0.03％；Ba:0.007％；Ca:0.006％；Mn:0.005％；Y₂O₃:0.02％；La₂O₃：0.023％；Ce：0.02％；Ni:余量。

其制备方法与实施例一相同。

Claims (5)

1.一种灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成份中主要含有：Ni、Cu、C、Si、Al、Ba、Ca、Co、Y₂O₃、La₂O₃和Ce元素；所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为Cu：12～24％；C：1.5～3.5％；Si：0.2～2.4％；Al：0.01～0.05％；Ba：0.005～0.01％；Ca：0.001～0.01％；Co：0.5～1.2％；Y₂O₃：0.0～0.04％；La₂O₃：0.0～0.03％；Ce：0.0～0.04％；Ni：余量。

2.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为：Cu：18％；C：3.2％；Si：1.8％；Al：0.01％；Ba：0.005％；Ca：0.004％；Co：0.92％；Y₂O₃：0.002％；La₂O₃：0.023％；Ce：0.015％；Ni：余量。

3.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成份按重量百分比为：Cu：19％；C：2.3％；Si：1.9％；Al：0.03％；Ba：0.006％；Ca：0.005％；Co：0.5％；Y₂O₃：0.01％；La₂O₃：0.02％；Ni：余量。

4.一种权利要求1～3任一项权利要求所述的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、首先将Ni、Cu、C、Al、Si、Ca、Ba、Co、Y₂O₃、La₂O₃和Ce元素，按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内，在氩气气氛下加热到1500-1550℃，使粉末完全融化并混合均匀；

步骤二、将步骤一得到的熔融的金属液流注入水雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴流经水雾化喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末，得到所述的灰铸铁激光熔覆修复用合金粉末。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的合金粉末的粒度为120～350目。