CN105839100B - 一种激光熔覆方法及采用该方法修复的弹簧钢零部件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆材料，激光熔覆方法及采用该方法修复的弹簧钢零部件，所述激光熔覆材料包括粘接层材料和功能层材料；粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 40％～48％、B 0.5％～0.7％、Si 0.5％～1.0％、C 0.3％～0.4％，余量为Fe；功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 9％～15％、WC 1.0％～1.5％、B 0.5％～0.7％、Si0.5％～1.0％、C 0.3％～0.4％，余量为Fe。该激光熔覆材料采用梯度熔覆设计，提高了熔覆层与基体之间的结合力及材料的抗摩擦磨损性能，适用于弹簧钢材质制备耐磨涂层的激光处理工艺，及弹簧钢尺寸失效耐磨零部件的修复。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆材料，同时还涉及一种采用该激光熔覆材料的激光熔覆方法及采用该激光熔覆方法修复的弹簧钢零部件。
背景技术
弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)，抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。
弹簧钢种类较多，如70钢、55Si2Mn、65Mn与50CrVA等，因其具有良好的耐摩擦磨损性能，在工程应用中多用于耐摩擦部位，且多用于一些关键的服役环境。目前，弹簧钢零部件使用过程中，磨损比较严重时，一般都作报废处理；由于其自身价格比较高，制造成本比较大，在使用中摩擦磨损失效后，直接报废给企业造成了极大的经济损失。
近年来，工程中开始应用激光改性技术对磨损比较严重的零部件进行修复，激光改性发挥了激光加热温度高，可以对材质进行局部加热，且加热速度与冷却速度比较快的优点，可以在零部件表面制备具有预期功能的涂层，从而使零部件具有更好的服役特性。
如现有技术中，CN101054667B公开了一种激光修复高硬度发动机制件报废模具的材料和方法，其合金粉末材料按照重量组分计算，由C 0.2-0.5份、Cr 10-20份、Si 1.8-3.4份、 B 1.5-2.8份、Fe 66-78份、Ni 2.5-3.4份、Mo 0-2份和V 0-2份组成的；其制备方法是按重量组分称取粒度为-140～280目的C、Cr、Si、B、Fe、Ni、Mo和V八种粉末，然后在研钵中研磨使之充分混合，即得；将制得的合金粉末材料置于需要修复的报废的高硬度发动机制件模具或者报废的高硬度低、中碳钢或低、中碳合金钢制件缺陷位置，在激光输出功率P＝2～4KW，扫描速度V＝2～8mm/s，光斑尺寸d＝2.5～3.5mm的条件下，进行激光修复。所形成的涂层中无裂纹孔洞产生，从而大大降低了熔覆层的开裂敏感性。
但是，在弹簧钢材质零部件修复过程中，现有的激光熔覆材料及修复方法效果不是很好，主要原因可以分为两类：(1)由于基材含碳量较高，熔覆层与基体不易结合；(2)由于零部件在激光处理过程中温升速度过快，激光处理后冷却过程降温速度过快，零部件内部多种因素作用会有应力集聚，产生开裂现象，零部件报废，造成更大的经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光熔覆材料，采用梯度熔覆设计，提高基体与熔覆层的结合力，及熔覆层的抗摩擦磨损性能，实现对弹簧钢尺寸失效耐磨零部件的修复。
本发明的第二个目的是提供一种采用该激光熔覆材料的激光熔覆方法。
本发明的第三个目的是提供一种采用上述激光熔覆方法修复的弹簧钢零部件。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 40％～48％、B 0.5％～0.7％、Si 0.5％～1.0％、C 0.3％～0.4％，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 9％～15％、WC 1.0％～1.5％、B 0.5％～0.7％、Si 0.5％～1.0％、C 0.3％～0.4％，余量为Fe。
本发明的激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料，用于激光熔覆时，分别用于形成粘接层和功能层，粘结层和功能层共同构成熔覆层。
本发明的激光熔覆材料中，粘接层材料的作用是形成粘接层，位于基体和功能层之间，保证熔覆层与基体具有良好的结合性能。粘接层材料中，镍的含量比较高，润湿性较好，从而保证熔覆层与基体实现化学冶金结合；硼、硅元素提高了合金粉末熔化熔覆过程中的造渣功能，使得合金在熔化过程中产生的各类杂质，最大程度以废渣形式排出；碳元素保证合金熔覆层具备足够的硬度，在合金熔化过程中，碳元素容易与铁元素形成合金化合物，从而提高熔覆层的硬度。
功能层材料的作用是在粘接层表面形成功能层，保证熔覆层的使用性能。为了保证熔覆层具有较高的硬度，继而保证其耐摩擦磨损性能，相对于粘接层材料，功能层材料降低了镍元素的含量，添加适量的碳化钨，形成的激光熔覆涂层具有硬质点，提高了熔覆层的硬度，保证了其抗摩擦磨损性能。在功能层材料中，硼、硅、碳元素的作用与粘接层材料相同。
所述激光熔覆材料为粉体，所述粉体的粒度为50～150目。一般的，激光熔覆材料为合金粉末材料。为了保证粉末具有很好的使用性能，且满足自动化加工的要求，粉末粒度设计为50～150目，保证粉末颗粒具有足够的质量，采用同步送粉设备容易送粉。优选的，所述粉体的粒度为100目。
本发明的激光熔覆材料，包括不同合金元素组成的粘接层材料和功能层材料，针对弹簧钢基材含碳量较高的特征，配制合适的激光熔覆改性材料；采用梯度熔覆设计，将激光熔覆材料分为两部分，粘结层材料提高了熔覆层与基体之间的结合力；功能层材料保证了熔覆层的使用性能，两者相互配合、协调作用，整体上提高了材料的抗摩擦磨损性能，适用于弹簧钢材质制备耐磨涂层的激光处理工艺，及弹簧钢尺寸失效耐磨零部件的修复。
一种采用上述的激光熔覆材料的激光熔覆方法，包括下列步骤：
1)基体预处理：将基体升温至480～500℃并保温，得预处理基体；
2)激光熔覆：
采用粘接层材料对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成粘接层，得粘接基体；
采用功能层材料对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成功能层，得功能材料；
3)后热处理：待步骤2)所得功能材料冷却至480～500℃，保温，即得激光熔覆改性材料。
优选的，所述基体为弹簧钢零部件。所述的激光熔覆方法，既可用于新的弹簧钢材质基体制备耐磨涂层，也可用于弹簧钢尺寸失效耐磨零部件的修复。
步骤1)所述保温的时间为40min～2h。基体零部件首先进行预热处理，保持零部件整体温度较高，在激光加工时降低零部件受热不均匀开裂的倾向。
步骤2)中，在形成粘接层时，将粘结层材料粉体送入同步送粉器进行激光熔覆，激光输出功率P＝2.5～3.5KW，扫描速度V＝2～2.5mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s。聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％。
所述粘接层的厚度为0.5～1.5mm。
步骤2)中，在形成功能层时，将功能层材料粉体送入同步送粉器进行激光熔覆，所述激光熔覆的激光输出功率P＝2.5～3.5KW，扫描速度V＝2～2.5mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s。聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％。
所述功能层的厚度为0.5～1.5mm。
步骤3)所述保温的时间为40min。零部件激光熔覆加工完成后，自行降温至480～500℃，然后在此温度下进行保温，使零部件整体处于温度较高的状态，降低零部件因受热不均匀开裂的倾向。后热处理结束后，再根据需要对零部件进行后续加工。
本发明的激光熔覆方法，采用激光表面改性技术，对基体零部件进行熔覆前预热处理后，采用激光熔覆材料进行激光熔覆依次形成粘接层和功能层，再进行后热处理；该方法基于粘接层材料和功能层材料，将熔覆过程分为两步进行，先形成粘接层实现涂层与基体的良好结合，再形成功能层实现熔覆层的使用功能；针对熔覆过程中温度升高与温度降低过快的问题，对基体零部件首先进行预热处理，激光熔覆之后再进行保温处理，使熔覆过程中产生的应力缓慢释放，保证零部件不会出现开裂。该激光熔覆方法，通过合理设计熔覆工艺，开发出适用于弹簧钢材质制备耐磨涂层的激光处理工艺技术。
一种采用上述的激光熔覆方法修复的弹簧钢零部件，所述基体为弹簧钢尺寸失效耐磨零部件。
采用上述的激光熔覆方法，对失效弹簧钢零部件进行激光熔覆修复改性，恢复其有效尺寸，保证了熔覆层的硬度，提高了材料的抗摩擦磨损性能，实现了对弹簧钢尺寸失效耐磨零部件的修复，使失效弹簧钢零部件能够重新投入使用，节约了大量成本，具有良好的经济效益，适合推广使用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 40％、B 0.5％、Si 0.5％、C0.4％，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 9％、WC 1.5％、B 0.5％、Si1.0％、 C 0.3％，余量为Fe。
采用上述激光熔覆材料修复弹簧钢零部件，以弹簧钢尺寸失效耐磨零部件为基体，弹簧钢的牌号为70钢。所用的激光熔覆方法，具体包括下列步骤：
1)基体预处理：将基体从室温升温至500℃并保温40min，得预处理基体；
2)激光熔覆：
将粘接层材料粉体放入同步送粉器，对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成厚度为1mm的粘接层，得粘接基体；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝2.5KW，扫描速度V＝2mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
将功能层材料粉体放入同步送粉器，对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成厚度为1mm的功能层，得功能材料；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝2.5KW，扫描速度V＝2mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为 40％；
3)后热处理：待步骤2)所得功能材料冷却至500℃，保温40min，即得修复好的弹簧钢零部件。
所得的修复好的弹簧钢零部件，熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合，无开裂现象。
实施例2
本实施例的激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 48％、B 0.6％、Si 1.0％、C0.3％，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 10％、WC 1.2％、B 0.6％、Si0.5％、C 0.4％，余量为Fe。
采用上述激光熔覆材料修复弹簧钢零部件，以弹簧钢尺寸失效耐磨零部件为基体，弹簧钢的牌号为55Si2Mn。所用的激光熔覆方法，具体包括下列步骤：
1)基体预处理：将基体从室温升温至480℃并保温2h，得预处理基体；
2)激光熔覆：
将粘接层材料粉体放入同步送粉器，对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成厚度为1mm的粘接层，得粘接基体；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.0KW，扫描速度V＝2.5mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
将功能层材料粉体放入同步送粉器，对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成厚度为1mm的功能层，得功能材料；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.0KW，扫描速度V＝2.5mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
3)后热处理：待步骤2)所得功能材料冷却至480℃，保温40min，即得修复好的弹簧钢零部件。
所得的修复好的弹簧钢零部件，熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合，无开裂现象。
实施例3
本实施例的激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 44％、B 0.7％、Si 0.8％、C0.3％，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 12％、WC 1.3％、B 0.7％、Si0.8％、 C 0.3％，余量为Fe。
采用上述激光熔覆材料修复弹簧钢零部件，以弹簧钢尺寸失效耐磨零部件为基体，弹簧钢的牌号为65Mn。所用的激光熔覆方法，具体包括下列步骤：
1)基体预处理：将基体从室温升温至490℃并保温1h，得预处理基体；
2)激光熔覆：
将粘接层材料粉体放入同步送粉器，对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成厚度为1mm的粘接层，得粘接基体；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.0KW，扫描速度V＝2.2mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
将功能层材料粉体放入同步送粉器，对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成厚度为1mm的功能层，得功能材料；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.0KW，扫描速度V＝2.2mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
3)后热处理：待步骤2)所得功能材料冷却至490℃，保温40min，即得修复好的弹簧钢零部件。
所得的修复好的弹簧钢零部件，熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合，无开裂现象。
实施例4
本实施例的激光熔覆材料，包括粘接层材料和功能层材料；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 46％、B 0.6％、Si 0.7％、C0.4％，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 15％、WC 1.0％、B 0.6％、Si0.7％、 C 0.4％，余量为Fe。
采用上述激光熔覆材料修复弹簧钢零部件，以弹簧钢尺寸失效耐磨零部件为基体，弹簧钢的牌号为50CrVA。所用的激光熔覆方法，具体包括下列步骤：
1)基体预处理：将基体从室温升温至500℃并保温40min，得预处理基体；
2)激光熔覆：
将粘接层材料粉体放入同步送粉器，对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成厚度为1mm的粘接层，得粘接基体；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.5KW，扫描速度V＝2.3mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
将功能层材料粉体放入同步送粉器，对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成厚度为1mm的功能层，得功能材料；所述激光熔覆的参数为：激光输出功率P＝3.5KW，扫描速度V＝2.3mm/s，光斑直径d＝3mm，送粉速度为1.5g/s，聚焦镜焦距f＝3mm，搭接率为40％；
3)后热处理：待步骤2)所得功能材料冷却至490℃，保温40min，即得修复好的弹簧钢零部件。
所得的修复好的弹簧钢零部件，熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合，无开裂现象。
实验例
本实验例对实施例1-4所得的修复好的弹簧钢零部件进行检测。
采用华银HVS-1000型号硬度计进行硬度测试，功能层的硬度高于Hv390，高于弹簧钢基体材料的硬度，具体如表1所示。
表1实施例1-4修复后的弹簧钢零部件熔覆层硬度测试结果
| 实施例 | 弹簧钢牌号 | 熔覆层硬度(Hv) | 弹簧钢基体原始硬度(Hv) |
| 1 | 70钢 | 420 | 357 |
| 2 | 55Si2Mn | 415 | 354 |
| 3 | 65Mn | 402 | 350 |
| 4 | 50CrVA | 390 | 342 |
摩擦磨损性能：采用MMS-2A屏显示摩擦磨损试验机进行检测，试样与配对摩擦副规格参考GB12444.1-90，配对摩擦副硬度为Hv430，润滑油采用HF-246型号摩擦油，转速为200转/min，试验时间为2h，载荷分别为500N，试验前样品在120℃环境烘干2h，质量确定为G1，摩擦磨损试验后清洗干净在120℃环境烘干2h，质量确定为G2，质量损失确定为△G＝G1-G2。结果如表2所示。
表2实施例1-4修复后的弹簧钢零部件熔覆层摩擦磨损失重统计
| 实施例 | 弹簧钢牌号 | 基材△G(mg) | 熔覆层△G(mg) |
| 1 | 70钢 | 3.3 | 2.5 |
| 2 | 55Si2Mn | 3.2 | 2.3 |
| 3 | 65Mn | 3.4 | 2.2 |
| 4 | 50CrVA | 3.5 | 2.1 |
从表2可以看出各类弹簧钢熔覆层摩擦磨损失重均小于其基材材料，说明熔覆层具有更优的摩擦磨损性能。
Claims (7)
1.一种激光熔覆方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）基体预处理：将基体升温至480～500℃并保温，得预处理基体；
2）激光熔覆：
采用粘接层材料对预处理基体进行激光熔覆，在预处理基体表面形成粘接层，得粘接基体；
采用功能层材料对粘接基体进行激光熔覆，在粘结层表面形成功能层，得功能材料；
3）后热处理：待步骤2）所得功能材料冷却至480～500℃，保温，即得激光熔覆改性材料；
所述基体为弹簧钢零部件；
所述粘接层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 40%～48%、B 0.5%～0.7%、Si 0.5%～1.0%、C 0.3%～0.4%，余量为Fe；
所述功能层材料由以下质量百分比的组分组成：Ni 9%～15%、WC 1.0%～1.5%、B 0.5%～0.7%、Si 0.5%～1.0%、C 0.3%～0.4%，余量为Fe；
所述粘接层材料和功能层材料为粉体，所述粉体的粒度为50～150目；
步骤1）所述保温的时间为40min～2h。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于：步骤2）中，在形成粘接层时，将粘结层材料粉体送入同步送粉器进行激光熔覆，激光输出功率P=2.5～3.5KW，扫描速度V=2～2.5mm/s，光斑直径d=3mm，送粉速度为1.5g/s。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述粘接层的厚度为0.5～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于：步骤2）中，在形成功能层时，将功能层材料粉体送入同步送粉器进行激光熔覆，所述激光熔覆的激光输出功率P=2.5～3.5KW，扫描速度V=2～2.5mm/s，光斑直径d=3mm，送粉速度为1.5g/s。
5.根据权利要求1或4所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述功能层的厚度为0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于：步骤3）所述保温的时间为40min。
7.一种采用如权利要求1所述的激光熔覆方法修复的弹簧钢零部件，其特征在于：所述基体为弹簧钢尺寸失效耐磨零部件。
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