CN105369245A

CN105369245A - 剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法

Info

Publication number: CN105369245A
Application number: CN201410428113.1A
Authority: CN
Inventors: 任旭东; 徐士东; 戴文杰; 殷文元; 任乃飞; 谢善忠; 张晓荣; 尹小琴; 张西良; 王匀; 王存堂; 崔卫东; 谢方伟
Original assignee: WANLI MECHANICAL CO Ltd JIANGSU; Jiangsu University
Current assignee: WANLI MECHANICAL CO Ltd JIANGSU; Jiangsu University
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-02

Abstract

剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，它涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域；它的复合处理方法为：首先对剪切装备刀具进行表面无损检测；然后对损伤刀具缺陷部位进行激光熔凝修复，同时通氦气以保护激光熔凝部位；激光熔凝修复后对刀具激光熔凝部位进行抛光净化处理，刀具表面预置Ni60合金粉末，利用高能激光束加热并熔化刀具基体表层，使之混合后迅速凝固，从而在刀具熔凝部位形成新的表面合金层；本发明可快速修复损伤刀具表面缺陷，提升硬度等机械性能，可实现连续化作业，延长刀具的使用寿命。

Description

剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法

技术领域：

本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域；具体涉及一种剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法。

背景技术：

激光熔凝(LaserRemelting)又称激光上釉。它是利用高能激光束在金属表面连续扫描，使表面薄层快速熔化，并在很高的温度梯度作用下，以10⁵～10⁷℃/s的速度快速冷却、凝固，从而使材料表面产生特殊的微观组织结构。激光熔凝所需的激光能量高，冷却快；表面的裂纹和缺陷可以通过熔化过程焊合，表层成分偏析减少，形成高度过饱和固溶体等亚稳定乃至非晶相，熔凝层组织非常细小，从而提高了材料的综合机械性能。避免了常用方法焊接变形，热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题。

激光合金化(LaserSurfaceAlloying，LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法。激光合金化技术属于材料表面改性处理的范畴，在高能激光束的照射下，使基体材料的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为10～1000um的表面熔化层。由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅仅在很短时间内(50us～2ms)形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层，快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不容易获得的化合物、介稳相和新相。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能，从而达到表面改性处理的目的。本专利介绍表面采用Ni60合金粉进行激光合金化处理后，显微组织和相结构发生了显著变化，因此表面硬度和耐磨性都得到了提高。

专利号为88109746.2的中国专利公开了激光修复金属铸件表面缺陷工艺的方法，通过激光作用在金属铸件的表面缺陷处的基体材料和其修复材料上，实现表面缺陷的快速修复。但利用表面修复材料在强激光下进行修复一方面修复材料与基材的结合强度低，在随后的使用中可能发生脱落，甚至造成二次损伤，另一方面此方法对其修复后的材料硬度影响小，基本维持原材料硬度。本发明采用的激光熔凝技术利用自身表面薄层快速熔化修复裂纹及缺陷，不存在后期脱落的问题，而且由于熔凝层组织非常细小，熔凝层中马氏体转变产生的压应力大，表面的裂纹和缺陷可以通过熔化过程焊合，可显著提高刀具表面强度，耐磨性，疲劳寿命等机械性能。在随后进行的激光合金化过程中形成的Ni-Cr-Si-B合金层可增强硬度达到1100HV以上，耐磨性提升至少2.5倍，工艺简单，性价比高，不仅可以应用于剪切装备损伤刀具的复合处理，还可以用于要求高耐磨、抗高温、易疲劳、微变形的各种钢、铁及铁基粉末冶金零件，而且对承受高应力集中的关键零部件都适用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，它可快速修复损伤刀具表面缺陷，提升硬度等机械性能，可实现连续化作业，延长刀具的使用寿命。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用如下技术方案：它的复合处理方法为：

步骤一、对剪切装备损伤刀具进行表面预处理和无损检测；

步骤二：对检测出的剪切装备损伤刀具的缺陷部位进行激光熔凝修复；

步骤三：对激光熔凝修复部位进行激光合金化。

所述的步骤一具体的处理方法如下：室温下对剪切装备损伤刀具表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净；之后对剪切装备损伤刀具进行表面无损检测，精确定位损伤部位。

所述的步骤二具体的处理方法如下：在刀具损伤部位刷增强吸收材料，并放置于恒温(200℃)箱中保温2h；采用HGL-6000型CO₂多功能数控激光器对损伤刀具缺陷部分进行激光熔凝修复，激光功率为2500W，扫描速度为10mm/s，同时通氦气以保护激光熔凝部位；激光熔凝结束后对损伤刀具表面进行抛光，清洗，干燥。

所述的步骤三的具体处理方法如下：将Ni60合金粉末经真空吸入均匀沉降于损伤刀具激光熔凝部位，多层复合直至总厚度达0.3mm；利用ML108型7kW的CO₂横流连续激光器加热并熔化基体表层进行激光合金化处理，激光功率为3000W，扫描速度为6mm/s，宽带光束，尺寸为20mm；通氦气作为保护气体。

本发明其方法在于先对微细裂纹进行激光熔凝修复处理，达到修复目的，再对其进行激光合金化处理，综合改善材料的机械性能，大幅度提高材料的疲劳寿命。具体修复及强化工艺过程如下：

第1步：室温下对剪切装备损伤刀具表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，防止进入熔凝过程中夹杂物和缺陷，影响熔凝的质量和修复效果；

第2步：对剪切装备损伤刀具进行表面无损检测，精确定位损伤部位，主要采用无损探伤的方法，以检测刀具表面细微裂纹的具体位置、形状、大小等；

第3步：刀具表面刷增强吸收材料，并放置于恒温(200℃)箱中保温2h；

第4步：应用HGL-6000型CO₂多功能数控激光器对损伤刀具缺陷部分进行激光熔凝修复，激光功率2500W，扫描速度10mm/s，同时通氦气以保护激光熔凝部位；

第5步：对激光熔凝修复后剪切刀具表面进行抛光，丙酮清洗，干燥；

第6步：Ni60合金粉末经真空吸入均匀沉降于刀具表面，多层复合直至总厚度达0.3mm。Ni60合金粉末的成分为(重量百分比)：Ni60，Cr14～18，Si3.5～4.5，B3.5～4.5，Fe≤14，C0.8～1.0；

第7步：应用ML108型7kW横流CO₂激光器，设置激光器功率为3000W，扫描速度为6mm/s，宽带光束尺寸为20mm；高能激光束熔化Ni60合金粉末和基体表层，进行激光合金化；刀具表面被氦气保护；

第8步：对强化后的剪切装备刀具进行表面修整，使其达到表面质量要求；

第9步：恢复剪切装备刀具表面原来的保护系统；

第10步：对修复件进行无损检测。

本发明技术的创新，在于充分结合了激光熔凝和激光合金化处理的特点，避免了常用方法焊接变形，热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题。先对其进行激光熔凝修复裂纹，使表面薄层基材快速熔化，并在很高的温度梯度作用下，以10⁵～10⁷℃/s的速度快速冷却、凝固，从而使材料表面产生特殊的微观组织结构。熔凝层组织非常细小，从而提高了材料的综合机械性能；熔凝层中马氏体转变产生的压应力更大，提高了工件的抗疲劳，耐磨等性能。再对其进行Ni60合金粉末激光合金化处理，在材料表面预置合金层，在高能激光束的作用下，使基体材料的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为10～1000um的表面熔化层。有效提高刀具的硬度，耐磨性以及疲劳寿命等机械性能。

本发明的优点如下：

一、可形成普通合金化方法难以获得的特殊性能的表面合金层，在合金化元素消耗量很低的情况下大幅度提高剪切装备刀具的硬度和耐磨性等综合性能；

二、可满足工件的多种性能要求：这种复合处理方法不仅能对剪切装备刀具表面强化改性处理，而且适用于其它结构件，提高工件硬度、耐磨性、耐蚀性、疲劳强度；

三、该复合处理后刀具表面的变形很小；复合处理后工件基本不变形、外观均匀，可作为产品最终处理；

四、该复合处理技术环保性优异，没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式：

参看图1，本具体实施方式采用如下技术方案：它的方法主要由四个流程图组成，第一步：室温下对损伤刀具表面进行除油，除锈，并用丙酮清洗干净；对其进行无损检测，对表面损伤(或裂纹)和缺陷处精确定位；第二步：在刀具表面刷增强吸收材料，并进行恒温处理；有针对的对损伤(或裂纹)和缺陷处进行激光熔凝修复处理(氦气侧吹保护激光熔凝部位)；第三步：对激光熔凝后的刀具进行表面处理；预置Ni60合金粉末层；进行激光合金化处理(氦气保护)；第四步：恢复剪切装备刀具表面原来的保护系统并进行无损检测。

实施例：

T8钢剪切装备刀具(化学成分：C0.75～0.84；Si≤0.35；Mn≤0.4；S≤0.030；P≤0.035)，硬度：退火≤187HB；压痕直径≥4.40mm；淬火≥62HRC。

室温下对T8钢剪切装备损伤刀具表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净；对刀具进行表面无损检测，精确定位损伤部位；刀具表面刷增强吸收材料，并放置于恒温(200℃)箱中保温2h；应用HGL-6000型CO₂多功能数控激光加工成套设备有针对的对表面缺陷及裂纹部分进行激光熔凝修复，激光功率2500W，扫描速度10mm/s，同时氦气侧吹保护激光熔凝部位。

对激光熔凝修复后的T8钢剪切刀具表面进行抛光，丙酮清洗，干燥；Ni60合金粉末经真空吸入均匀沉降于刀具表面，多层复合直至总厚度达0.3mm；利用ML108型7kW横流CO₂激光器，激光功率为3000W，扫描速度为6mm/s，宽带光束，尺寸为20mm，加热并熔化基体表层进行激光合金化处理，随着刀具移动，熔化层迅速凝固成完整的合金化层，刀具表面被氦气保护。

经过激光熔凝和Ni60激光合金化处理之后，T8钢表面显微结构和相结构发生了根本变化，形成了多种物相的合金层。在200g载荷下，合金层硬度达到1100HV以上，耐磨性提升约2.5倍；进行对比腐蚀试验，发现耐腐蚀性明显提高；检测其表面力学性能，并与处理前对比，发现裂纹萌生时的循环次数明显增加，从而极大地提高了疲劳寿命。

研究结果表明，这种修复强化后剪切刀具硬度和强度显著提高，疲劳寿命和耐磨性等性能明显改善，这对提升剪切装备刀具的综合性能具有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，其特征在于它的复合处理方法为：

步骤一、对剪切装备损伤刀具进行表面预处理和无损检测；

步骤三：对激光熔凝修复部位进行激光合金化。

2.根据权利要求1所述的剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，其特征在于所述的步骤一具体的处理方法如下：室温下对剪切装备损伤刀具表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净；之后对剪切装备损伤刀具进行表面无损检测，精确定位损伤部位。

3.根据权利要求1所述的剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，其特征在于所述的步骤二具体的处理方法如下：在刀具损伤部位刷增强吸收材料，并放置于恒温(200℃)箱中保温2h；采用HGL-6000型CO₂多功能数控激光器对损伤刀具缺陷部分进行激光熔凝修复，激光功率为2500W，扫描速度为10mm/s，同时通氦气以保护激光熔凝部位；激光熔凝结束后对损伤刀具表面进行抛光，清洗，干燥。

4.根据权利要求1所述的剪切装备损伤刀具激光修复及强化的复合处理方法，其特征在于所述的步骤三的具体处理方法如下：将Ni60合金粉末经真空吸入均匀沉降于损伤刀具激光熔凝部位，多层复合直至总厚度达0.3mm；利用ML108型7kW的CO₂横流连续激光器加热并熔化基体表层进行激光合金化处理，激光功率为3000W，扫描速度为6mm/s，宽带光束，尺寸为20mm；通氦气作为保护气体。