CN105177569A - 一种球磨铸铁表面激光修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球磨铸铁表面激光修复方法，包括如下步骤：1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料；2)对待熔覆区进行预处理；3)对基材进行预热处理；4)在球磨铸铁表面损伤部位进行多层堆积熔覆，熔覆层单层厚度为1.2～1.3mm，每熔覆一层后激光器沿堆积层厚度方向抬高，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止；5)熔覆结束后球磨铸铁冷却至室温，喷涂着色剂，检查是否有裂纹缺陷；6)对球磨铸铁熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。采用该方法所形成的熔覆区无裂纹缺陷，对基材的热影响小，熔覆层与球磨铸铁基材界面呈现不连续熔化趋势，界面呈典型的锯齿状，结合强度高，避免了界面由于连续变态莱氏体的生成而产生裂纹。

Description

一种球磨铸铁表面激光修复方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种激光熔覆方法，具体涉及一种球磨铸铁表面激光修复方法。

背景技术

球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，具有较好的耐磨、减震，对缺口不敏感以及优异的铸造性能，其强度和塑韧性远高于灰铸铁，在工业中常用来制作大型模具件。然而在实际使用过程中，由于模具表面长期受到复杂的载荷，使得球墨铸铁模具表面容易受到损伤，致使模具失效。

工业上常用手工焊补的方法对模具表面的缺陷进行修复，但这种传统的方法热输入量过大，对基材的热影响极大，导致修补层残余应力过大，修补层与基材的界面处极易出现白口组织，导致界面出现裂纹，修补层极易开裂。

而激光熔覆技术修复模具缺陷的方法具有极大的社会经济价值。它可以使失效的模具经过修复而重新得以利用，避免资源的浪费，为企业节约大量的资金和资源。相对于传统模具修复技术，激光熔覆修复技术加热冷却速度快，畸变小，涂层稀释率低，热影响较小，效率高，无污染，且自动化程度较高。采用激光熔覆的方法可以严格控制基材的熔化程度，避免由于对基材热影响输入过大而导致的界面裂纹。

发明内容

本发明的目的是克服常规球墨铸铁模具表面修复过程中极易出现的开裂情况，特别是熔覆层与基材界面处容易出现的裂纹缺陷。

为此，本发明提供了一种球磨铸铁表面激光修复方法，解决球墨铸铁表面熔覆时熔覆层与基材界面处容易出现的开裂问题，其技术方案具体包括如下步骤：

1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料；所用激光修复粉末材料具有以下特性：强度、硬度远高于基体，抗开裂性能优异，熔覆层成型较好，与球磨铸铁基体具有良好的润湿性。

2)对球磨铸铁的待熔覆区进行预处理，除去待熔覆区表面的油污和锈层。

3)对步骤2)中处理好的球磨铸铁基材进行预热处理。

4)在预热处理后的球磨铸铁表面损伤部位采用激光器进行多层堆积熔覆，熔覆层单层厚度为1.2～1.3mm，每熔覆一层后激光器沿堆积层厚度方向抬高，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止。

5)熔覆结束后使熔覆处理后的球磨铸铁冷却至室温，检查是否有裂纹缺陷。

6)检查球磨铸铁熔覆无裂纹缺陷后，对球磨铸铁熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。

优选地，所述步骤1)中的激光修复粉末材料为铁基粉末或镍基粉末。

进一步地，上述铁基粉末包括质量分数为14.92%的Cr元素，4.4%的Ni元素，1.96%的Mo元素，0.73%的Mn元素，0.34%的Co元素，余量为Fe元素。

进一步地，上述镍基粉末包括质量分数为4.65%的Cr元素，0.21%的Co元素，0.17%的Fe元素，余量为Ni元素。

优选地，所述步骤2)中待熔覆区预处理方法为用手持砂轮机清理球磨铸铁损伤部位的凹坑，去掉凹坑壁上的尖角，使凹坑壁周围平滑，底部为圆弧形；用丙酮清洗损伤部位及其周围表面。

优选地，所述步骤3)中球磨铸铁基材的预热温度为200℃。

优选地，所述步骤4)熔覆过程中将球磨铸铁放在带电热毯的可控温度电阻炉上进行持续加热，降低球磨铸铁基材冷却速度，防止熔覆层热应力而导致的裂纹产生。

优选地，所述电热毯及球磨铸铁周围用石棉围住，以降低球磨铸铁熔覆过程中的冷却速度，防止由于冷却快而导致的裂纹。

优选地，所述步骤4)中每熔覆一层后激光器抬高高度为1mm。

优选地，所述步骤4)在做每层的熔覆时，采用侧向同步送粉方式，激光功率为1300～1500W，扫描速度为5mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为40%～50%，送粉量为11g/min，送粉载气流量为8L/min。

本发明中的激光器采用DILAS半导体激光器，该激光器波长短，能量利用率高，铸铁基材对激光的吸收率高，基材热影响小。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)采用本发明提供的这种球磨铸铁表面激光修复方法所形成的熔覆区无裂纹缺陷，对基材的热影响小，熔覆层与球磨铸铁基材的界面呈现不连续熔化趋势，界面呈典型的锯齿状，结合强度高，避免了界面由于连续变态莱氏体的生成而产生裂纹。

(2)本发明提供的这种球磨铸铁表面激光修复方法抑制了熔覆层与球磨铸铁基材界面连续白口化趋势，很好地控制了界面处裂纹的萌生。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1中球墨铸铁表面修复后熔覆层表面的探伤图。

图2是本发明实施例1中熔覆层与球墨铸铁基材界面宏观形貌图。

图3是本发明实施例1中熔覆层与球墨铸铁基材界面在光学显微镜下的低倍形貌图。

图4是本发明实施例1中熔覆层与球墨铸铁基材界面凹槽处的显微组织图。

图5是本发明实施例1中热影响区中的显微组织图。

图6是本发明实施例1中熔覆层与球墨铸铁基材界面处合金元素的分布曲线图。

图7是本发明实施例1中熔覆层的硬度分布曲线图。

具体实施方式

实施例1：

本实例在180mm×80mm×40mm的QT500合金表面采用DILAS半导体激光器进行表面仿形修复，其具体修复过程如下：

1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料,修复粉末材料采用Fe-15Cr-4Ni合金粉末，该合金粉末包括质量分数为14.92%的Cr元素，4.4%的Ni元素，1.96%的Mo元素，0.73%的Mn元素，0.34%的Co元素，余量为Fe元素。

2)对QT500合金模具损伤部位进行清理；具体为，用手持砂轮机去掉其表面的氧化物，去掉凹坑壁上的尖角，使凹坑壁周围比较平滑，底部为圆弧形，用丙酮清洗损伤部位及其周围表面。

3)将处理好的待修复QT500合金模具预热到200℃；具体为，将待修复QT500合金模具放在可控温度电阻炉的电热毯上，电热毯及合金周围用石棉围住，电热毯持续加热，以保证合金表面温度控制在200℃左右。

4)对QT500合金模具损伤部位进行激光仿形修复；具体为，采用侧向同步送粉方式，激光功率为1500W，扫描速度5mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为50%，送粉量11g/min，送粉载气流量为8L/min，所形成的熔覆层单层厚度为1.3mm，每熔覆一层后激光器沿熔覆层厚度方向抬高1mm，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止。

5)熔覆结束后用石棉包住修复后的QT500合金模具，让其缓慢冷却至室温，喷涂着色剂，检查是否有裂纹缺陷。

6)检查无裂纹缺陷后，对熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。

经本实施例激光修复方法修复后的球墨铸铁表面修复后熔覆层表面的探伤情况如图1所示。从图1可以看出，修复层没有明显裂纹产生，且表面较平整，成形性良好。

图2展示了经本实施例激光修复方法修复后的熔覆层与基材界面宏观形貌。从图2可以看出，熔覆层与球墨铸铁基材界面处结合良好，界面处没有观察到任何裂纹、气孔等缺陷。

图3展示了经本实施例激光修复方法修复后的熔覆层与基材界面在光学显微镜下的低倍形貌。从图3上可以明显看出，熔覆层与基材界面呈现典型的锯齿状，这种锯齿界面有利于提高界面结合强度。

图4展示了熔覆层与基材界面凹槽处的显微组织。从图4可以看到该凹槽处典型的鱼骨状变态莱氏体组织，变态莱氏体组织脆性较大，在热应力作用下容易开裂，是铸铁激光熔覆开裂的主要裂纹源。

图5展示了热影响区中的显微组织。石墨周围碳含量较高，导致该处熔点低，在激光作用下该处熔化，在随后的冷却中形成了绕着未熔石墨球的一圈变态莱氏体，变态莱氏体周围被马氏体所包围，类似于牛眼状，这种组织中，脆性大的变态莱氏体由韧性较高的马氏体分割后间断分布于界面，具有比连续变态莱氏体组织更高的韧性，在热应力作用下不容易开裂。

图6展示了熔覆层与基材界面处合金元素的分布曲线，其中横坐标为距离界面凹槽底端的距离，纵坐标为合金元素含量。从图6中可以看出，基体中含有Cr、Ni元素，且从熔覆层到基材，Cr、Ni含量逐渐降低，说明熔覆层中的Cr、Ni等合金元素向基体发生了明显的扩散。

图7展示了熔覆层的硬度分布曲线，其中横坐标为距离熔覆层表面的距离，纵坐标为显微硬度值。从图7可以看出，熔覆层显微硬度在410HV左右；热影响区中由于有变态莱氏体、马氏体等高硬度组织的出现，导致该处硬度出现明显的突变；与基材相比，熔覆层硬度有显著的提高。

实施例2：

本实例在180mm×80mm×40mm的QT500合金表面采用DILAS半导体激光器进行表面仿形修复，其具体修复过程如下：

1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料,修复粉末材料采用Ni-5Cr合金粉末，该合金粉末包括质量分数为4.65%的Cr元素，0.21%的Co元素，0.17%的Fe元素，余量为Ni元素。

2)对QT500合金模具损伤部位进行清理；具体为，用手持砂轮机去掉其表面的氧化物，去掉凹坑壁上的尖角，使凹坑壁周围比较平滑，底部为圆弧形，用丙酮清洗损伤部位及其周围表面。

3)将处理好的待修复QT500合金模具预热到200℃；具体为，将待修复QT500合金模具放在可控温度电阻炉的电热毯上，电热毯及合金周围用石棉围住，电热毯持续加热，以保证合金表面温度控制在200℃左右。

4)对QT500合金模具损伤部位进行激光仿形修复；具体为，采用侧向同步送粉方式，激光功率为1300W，扫描速度5mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为40%，送粉量13g/min，送粉载气流量为8L/min，所形成的熔覆层单层厚度为1.2mm，每熔覆一层后激光器沿熔覆层厚度方向抬高1mm，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止。

5)熔覆结束后用石棉包住修复后的QT500合金模具，让其缓慢冷却至室温，喷涂着色剂，检查是否有裂纹缺陷。

6)检查无裂纹缺陷后，对熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。

实施例3：

本实例在180mm×80mm×40mm的QT500合金表面采用DILAS半导体激光器进行表面仿形修复，其具体修复过程如下：

1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料,修复粉末材料采用Fe-15Cr-4Ni合金粉末，该合金粉末包括质量分数为14.92%的Cr元素，4.4%的Ni元素，1.96%的Mo元素，0.73%的Mn元素，0.34%的Co元素，余量为Fe元素。

2)对QT500合金模具损伤部位进行清理；具体为，用手持砂轮机去掉其表面的氧化物，去掉凹坑壁上的尖角，使凹坑壁周围比较平滑，底部为圆弧形，用丙酮清洗损伤部位及其周围表面。

3)将处理好的待修复QT500合金模具预热到200℃；具体为，将待修复QT500合金模具放在可控温度电阻炉的电热毯上，电热毯及合金周围用石棉围住，电热毯持续加热，以保证合金表面温度控制在200℃左右。

4)对QT500合金模具损伤部位进行激光仿形修复；具体为，采用侧向同步送粉方式，激光功率为1400W，扫描速度5mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为50%，送粉量13g/min，送粉载气流量为8L/min，所形成的熔覆层单层厚度为1.2mm，每熔覆一层后激光器沿熔覆层厚度方向抬高1mm，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止。

5)熔覆结束后用石棉包住修复后的QT500合金模具，让其缓慢冷却至室温，喷涂着色剂，检查是否有裂纹缺陷。

6)检查无裂纹缺陷后，对熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。

经检测，上述实施例最后得到的修复层表面，其修复层与基材界面处没有任何裂纹缺陷。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)配制球磨铸铁激光修复粉末材料；

2)对球磨铸铁的待熔覆区进行预处理，除去待熔覆区表面的油污和锈层；

3)对步骤2)中处理好的球磨铸铁基材进行预热处理；

4)在预热处理后的球磨铸铁表面损伤部位采用激光器进行多层堆积熔覆，熔覆层单层厚度为1.2～1.3mm，每熔覆一层后激光器沿堆积层厚度方向抬高，直至堆积的厚度超过凹坑外平面1～2mm为止；

5)熔覆结束后使熔覆处理后的球磨铸铁冷却至室温，检查是否有裂纹缺陷；

6)检查球磨铸铁熔覆无裂纹缺陷后，对球磨铸铁熔覆修复层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸出的涂层。

2.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤1)中的激光修复粉末材料为铁基粉末或镍基粉末。

3.如权利要求2所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述铁基粉末包括质量分数为14.92%的Cr元素，4.4%的Ni元素，1.96%的Mo元素，0.73%的Mn元素，0.34%的Co元素，余量为Fe元素。

4.如权利要求2所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述镍基粉末包括质量分数为4.65%的Cr元素，0.21%的Co元素，0.17%的Fe元素，余量为Ni元素。

5.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤2)中待熔覆区预处理方法为用手持砂轮机清理球磨铸铁损伤部位的凹坑，去掉凹坑壁上的尖角，使凹坑壁周围平滑，底部为圆弧形；用丙酮清洗损伤部位及其周围表面。

6.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤3)中球磨铸铁基材的预热温度为200℃。

7.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤4)熔覆过程中将球磨铸铁放在带电热毯的可控温度电阻炉上进行持续加热。

8.如权利要求7所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述电热毯及球磨铸铁周围用石棉围住。

9.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤4)中每熔覆一层后激光器抬高高度为1mm。

10.如权利要求1所述的球磨铸铁表面激光修复方法，其特征在于：所述步骤4)在做每层的熔覆时，采用侧向同步送粉方式，激光功率为1300～1500W，扫描速度为5mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为40%～50%，送粉量为11g/min，送粉载气流量为8L/min。