CN104525945A - 一种沉没辊轴套轴瓦的激光3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

一种沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法。其特征是由以下步骤组成：将金属基板加工平整，并用丙酮擦拭除油；激光器功率1000～5000W，送粉量为5～50g/min，将粉末送入激光同轴熔覆头中；将轴套轴瓦图纸分割成多层同心圆环，将每层同心圆环分成宽度1～6mm的多个圆环；经过同轴熔覆头聚焦后的激光束宽度为1～10mm，设置熔覆头相对于工件的移动速度为100～1000mm/min；控制搭接率为20～60%；从基板开始，进行多个和多层圆环的熔覆，直至完成整个轴套轴瓦的熔覆；去掉基板，即得到所述沉没辊轴套轴瓦。本发明解决了高合金材料熔炼难度大、容易偏析、需要模具的问题，方便实用，可靠性高。该发明实现了耐熔融Zn、Al腐蚀和磨损的沉没辊轴套轴瓦的工业化生产。

Description

一种沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及沉没辊轴套、轴瓦的激光熔覆3D打印制造方法，具体说是采用激光熔覆金属粉末，直接生产出耐Zn、ZnAL、Al熔液腐蚀和磨损的沉没辊轴套、轴瓦的方法。

背景技术

3D打印是一种先进的增材制造技术，其原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。激光3D打印技术突破了传统的材料去除原理，摒弃了模具的限制，采用激光微区冶金原理，逐点、逐线、逐面地制造个性化的关键部件，能够大量节约材料、人力和时间，是一种革命性的先进加工手段。

热镀Zn是用于防止钢铁制品腐蚀的传统技术，时至至今，它仍是广泛应用的最具性价比的表面防护方法；目前，随着防腐要求的提高，已经发展到了热镀Al技术。热镀Zn/Al的关键技术是沉没辊技术，在使用过程中沉没辊装置（沉没辊、轴套、轴瓦）完全浸泡在熔融的液体金属中，受到强烈的腐蚀，尤其是轴套、轴瓦还要支撑沉没辊并实现其转动，也受到剧烈的磨损作用，这种高温下腐蚀-磨损的交替作用，急剧加速了轴套轴瓦的磨损，常常引起沉没辊转动异常，这是造成沉没辊装置失效的最主要原因之一。

传统的轴套、轴瓦是采用316L不锈钢、CrNi合金钢、奥氏体耐热钢和Co基铸造合金等材料，通过机械加工的方法制成，使用寿命差异很大，短的3~5天、有的7~10天，一般来讲W、Mo等合金元素越高寿命越长，但随着合金元素的增加，合金的铸造成型和加工技术难度大幅度增加，尤其针对耐腐蚀耐磨损的高合金轴套、轴瓦这样的空心、薄壁的部件，制造过程更为困难，往往只能牺牲使用效果而采用容易加工的材料和制造工艺。

中国专利CN102851597B“一种抗磨蚀沉没辊轴套及其制造方法”，将0.15～0.28C，3.0～3.5B，2.0～2.5Cr，9.5～10.0W，2.5～3.0Mo，0.65～0.80Al，1.2～1.5Si，0.25～0.50Mn，0.04～0.08Y，0.06～0.10Ti，0.06～0.10Nb，0.03～0.06Ca，0.05～0.08Mg，0.08-0.12K的成分混合熔炼，并采用离心铸造的方法或消失模铸造方法浇铸沉没辊轴套，并进行粗加工和精加工制成轴套。该专利采用高W、Mo（含量达到12～13%）合金元素含量的方法提高耐Zn溶液腐蚀性能，由于总量含量不高，耐腐蚀性能提高有限，而且熔炼和成型难度很大，熔炼成品率不高，加工周期长，加工柔性很低，因此适用性不强。

中国专利CN1028208A公开了一种高结合强度沉没辊轴套的制备方法。它通过陶瓷表面金属化及钎焊技术，连接不锈钢和陶瓷基体，主要工序有：1.陶瓷表面金属化；2.采用Co基钎料钎焊连接陶瓷和不锈钢基体。其优点在于陶瓷与金属的结合强度高、耐熔锌腐蚀层厚，大大延长了耐高温锌液腐蚀寿命；该专利采用钎焊的方法在一定程度上提高了陶瓷与不锈钢基体的结合力，但没有解决陶瓷易碎的特质，由于与不锈钢基体热膨胀系数差异，在使用过程中导致分离，并在拆装的时候容易损坏。

中国专利CN101205598公开了一种沉没辊轴套的制造方法，轴套由不锈钢基体和Co基激光熔覆层组成，这种制造方法的特征在于在不锈钢基体上采用激光熔覆Co基合金，材料利用率高，耐腐蚀层厚，可达2mm，操作规范，适应性强。这种方法的熔覆层由两层组成，第一层为打底层，第二层为Co基工作层，这种复合结构的轴套随着使用其耐腐蚀磨损性能会发生剧烈的变化，在实际使用过程中，轴套磨损量将会超过5~6mm，因此，这种方法的实际使用效果并没有体现出优势来。

中国专利CN101596634公开了一种热浸镀用沉没辊和稳定辊两端的轴瓦和轴套的复合堆焊方法，其基体采用不锈钢铁基材料，在其基体上堆焊有Co合金材料工作面，最后对复合堆焊的轴瓦和轴套进行粗加工和精加工，该发明的沉没辊和稳定辊用轴套轴瓦在热镀铝、铝锌、锌、锌铝、纯铝液等条件下工作，具有足够的结合强度，不易脱落；在实际的沉没辊轴套和轴瓦使用中，轴套和轴瓦组成一对摩擦副，轴套对沉没辊轴位进行保护，轴套的外表面与轴瓦的内表面配对摩擦，摩擦时轴套和轴瓦必须同步提高耐磨损性能，单独提高轴套耐腐蚀磨损性能意义并不大，轴瓦往往需要提高内表面的耐腐蚀磨损性能，现有的堆焊手段很难解决轴瓦这种小直径、内表面、大厚度的强化处理，该技术仍然不能解决轴套轴瓦摩擦副的耐腐蚀磨损问题。

虽然以上技术方案不能解决沉没辊轴套轴瓦的腐蚀磨损问题，但已经基本指出了一条解决问题的思路，那就是采用高合金元素含量（尤其W、Mo等）高温磨损的Co基材料体系，采用具有冶金结合的堆焊方法，杜绝冶金缺陷，直接生产出轴套轴瓦部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要模具，能够快速制造沉没辊轴瓦和轴套的方法，制造的轴套轴瓦能够抵抗Zn、Zn-Al和Al熔液腐蚀，同时具有优良的耐磨性能，同时产品的尺寸不受限制，方法工序简单，生产效率高。

本发明的技术方案如下：①将金属基板加工平整，厚度≥20mm，尺寸为轴套轴瓦直径的2倍以上，并用丙酮擦拭除油；②将粉末加入送粉器中，激光器功率1000～5000W；③送粉量为5～50g/min，采用Ar气或N2气送粉，将粉末送入激光同轴熔覆头中；④将轴套轴瓦图纸分割成多层同心圆环，层厚为0.2～5mm；⑤经过同轴熔覆头聚焦后的激光束宽度为1～10mm，设置熔覆头相对于工件的移动速度为100～1000mm/min；⑥将同心圆环分成多道形式，采用搭接熔覆，控制搭接率为20～60%，熔覆完成后，将熔覆头向上移动圆环厚度的距离；⑦在基板上进行首层的熔覆，完成后重复⑥的工作，直至完成整个轴套轴瓦的熔覆；⑧去掉基板，即得到所述沉没辊轴套轴瓦。

本发明所述粉末为Fe基、Ni基或Co基中的一种或多种金属粉末与耐熔融Zn、Al腐蚀的W、Mo、碳化物或氮化物的混合物；金属粉末含量40~70%wt，W、Mo、碳化物或氮化物含量30~60%wt，其粒度分布为20~150μm，可以是规则或不规则形状，流动性好，适合于气载送粉。

本发明的特点是利用激光熔覆3D打印技术，将高含量的耐熔融Zn、Al腐蚀成分直接熔覆成薄壁的轴套轴瓦工件，解决了高合金材料熔炼难度大、容易偏析、需要模具的问题，方便实用，可靠性高。

经过实施例的制造，该发明实现了耐熔融Zn、Al腐蚀和磨损的沉没辊轴套轴瓦的工业化生产。

附图说明

图1为本发明的轴套轴瓦多层圆环结构示意图。

图2为本发明的轴套轴瓦圆环多道结构示意图。

图3为316L材料的磨损试样磨损形貌。

图4为实施例1的磨损试样磨损形貌。

1.WC颗粒；2.金属磨屑

图5为实施例2的磨损试样磨损形貌。

图6为316L材料的Zn腐蚀截面组织结构图。

3.锌；4.316基体

图7为实施例1 Zn腐蚀截面组织结构图。

3.锌；5.WC；6.基体

图8为316L材料的Al腐蚀组织结构截面图。

7.铝；8.渗透铝；6.基体

图9为实施例2的Al腐蚀组织结构截面图。

7.铝；8.渗透铝；9.熔覆层。

具体实施方式

将20~120μm的316L不锈钢粉末与碳化钨粉末，按照重量比70:30混合均匀，将钢板（300×300×20mm）打磨除锈，丙酮擦拭除油，将Φ120×160×10的轴套分割成80层圆环，层厚为2mm，每层分割成4道搭接，搭接率50%；调整激光器参数为3000W，光斑尺寸5mm，送粉量为10g/min，进行多道和多层激光熔覆；最后用数控车床将轴套加工成光滑表面。

实施例1

分别称取1400克316L不锈钢粉末，600克WC粉，在研磨钵中充分混合均匀，加入到送粉器中，调整送粉量为15g/min；将Φ120×160×10的轴套分割成160层圆环，层厚为1mm，每层分割成5道搭接，搭接率50%；激光器参数为3000W，光斑尺寸4mm，熔覆速度为600mm/min。

实施例2

将20~120μm的Co40粉末与Cr3C2-NiCr粉末，按照重量比50︰50混合均匀，将钢板（300×300×20mm）打磨除锈，丙酮擦拭除油，将Φ146×90×10的轴瓦分割成45层圆环，层厚为2mm，每层分割成4道搭接，搭接率50%；调整激光器参数为3000W，光斑尺寸5mm，送粉量为10g/min，进行多道和多层激光熔覆；最后用数控车床将轴瓦加工成光滑表面。

实施例3

分别称取1000克Co40粉末，1000克Cr3C2-NiCr粉末，在研磨钵中充分混合均匀，加入送粉器中，调整送粉量为15g/min；将Φ146×90×10的轴套分割成45层圆环，层厚为2mm，每层分割成4道搭接，搭接率40%；激光器参数为4000W，光斑尺寸6.2mm，熔覆速度为400mm/min。

316L是常用的轴套轴瓦材料，因此与其比较了耐磨性能和耐Zn、Al腐蚀性能，316L试样磨损失重量为0.3764g，激光熔覆316L-WC失重量为0.0126g，激光熔覆Co40-Cr3C2失重量为0.0251g，激光熔覆层耐磨性是316L材料耐磨性的15~30倍，从图3、4、5的比较可以看出，316L发生了强烈的切削磨损和疲劳磨损，而激光熔覆Co40-Cr3C2熔覆层仅发生了细微的磨损，激光熔覆316L-WC由于WC耐磨颗粒的存在，减少了磨损；激光熔覆316L-WC熔覆层与316L材料耐熔融Zn液腐蚀性能比较见图6、7，可以看出316L材料发生了溶解腐蚀，而激光熔覆316L-WC熔覆层由于WC颗粒与Zn不浸润而降低了腐蚀，从而起到保护作用；激光熔覆Co40-Cr3C2熔覆层与316L材料耐熔融Al液腐蚀性能比较见图8、9，可以看出，Al在316L材料表面黏附区域大于激光熔覆层，浸入并形成了约200μm的渗Al层，而在激光熔覆Co40-Cr3C2熔覆层表面黏附区域小，仅渗入100μm左右的深度，因此耐Al腐蚀性能至少提高一倍；综合来讲，激光熔覆层具有较好的耐Zn、Al腐蚀和耐磨性能。制作了沉没辊的轴套部件，使用效果比316L不锈钢材料的部件寿命提高一倍以上。

Claims (3)

1.一种沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法，其特征是由以下步骤组成：①将金属基板加工平整，厚度≥20mm，尺寸为轴套轴瓦直径的2倍以上，并用丙酮擦拭除油；②将粉末加入送粉器中，激光器功率1000～5000W；③送粉量为5～50g/min，采用Ar气或N2气送粉，将粉末送入激光同轴熔覆头中；④将轴套轴瓦图纸分割成多层同心圆环，层厚为0.2～5mm，将每层同心圆环分成多个圆环，宽度为1～6mm；⑤经过同轴熔覆头聚焦后的激光束宽度为1～10mm，设置熔覆头相对于工件的移动速度为100～1000mm/min；⑥采用搭接熔覆，控制搭接率为20～60%，熔覆多个同心圆环，完成后，将熔覆头向上移动多层圆环厚度的距离；⑦从基板上开始熔覆，然后重复⑥的工作，直至完成整个轴套轴瓦的熔覆；⑧去掉基板，即得到所述沉没辊轴套轴瓦。

2.根据权利要求1所述的沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法，其特征是所述粉末为Fe基、Ni基或Co基中的一种或多种金属粉末与耐熔融Zn、Al腐蚀的W、Mo、碳化物或氮化物的混合物，粒度分布为20～150μm。

3.根据权利要求1或2所述的沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法，其特征是所述金属粉末含量为40～70%wt，W、Mo、碳化物或氮化物含量为30～60%wt。