CN106048604B - 用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末及熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末及熔覆方法，成分按重量百分比含Cr38～58％、WS2 18～38％、Fe 10～20％、Ti 4.5～6.5％、C 2～4％；其中WS2粒度≤7000目，其他成分的粒度≤400目。熔覆方法为：(1|)对待处理轴颈工作部位打磨；(2)进行熔覆处理；熔覆工艺参数为：聚焦镜300～400mm，聚焦光斑直径2～5mm，扫描速度300～600mm/min，搭接率20～60％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.4～0.8mm。本发明可以在现场对大型轴类部件进行处理，减摩强化处理后的轴颈摩擦系数降低10～20％，使用寿命提高40～50％。
Description
技术领域
本发明属于激光加工及材料学技术领域，特别涉及一种用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末及熔覆方法。
背景技术
在大工业时代，各种高速重载轴类在大型机械设备中被广泛使用，高速重载是机械设计中常用说法，一般来说指线速度40m/s以上，工作压强5Mpa以上，例如蒸汽轮机、燃气轮机、航空发动机、船用主机、轧钢机、采矿机械、盾构机等等，对于上述设备中的主轴具有承载负荷大、转数高等特点，所以绝大部分设备中采用含油滑动轴承承载方式，这样当润滑油供给不足或有杂质进入工作面时，会导致主轴轴颈被迅速磨损、划伤，导致整根主轴报废甚至可能因主轴损坏引发严重事故；目前虽然可以通过激光熔覆、等离子微弧焊接、热喷涂、电刷镀等工艺对主轴轴颈的损伤进行修复，但修复后的轴颈表面仍然存在易被损伤、磨损的性质，故此，如何可以减少轴颈的磨损、提高轴颈表面的抗磨损性能，是一个亟待解决的问题。
目前，国内及国际上有关提高轴颈耐磨损能力的方法主要围绕下述方向进行：
1、选用高等级钢材以提高耐磨损性能，例如34CrMoA、30CrMolA、20CrMnTi、20Mn2B、38CrMoAL等；
2、采用表面淬火、渗氮、渗碳等处理手段进行表面强化处理；
3、授权公告号为CN 102052384 B的中国发明专利采用堆焊工艺在轴颈表面堆焊Cr-Mo合金层；
4.、授权公告号为CN103352221 B的专利采用C0.13％，Cr 13％～17％，Si1.3％，Ni 4％～6％，P0＜x＜0.03％，0.03％，余量为Fe；其中，x为P的重量百分比的粉末进行激光熔覆修复。
以上方法基本都采用Cr-Mo系合金或Cr-Ni-Fe系合金以及通过提高表面硬度的方式来强化轴颈部位的抗磨损能力，但当细小杂质、磨损颗粒等进入摩擦副中，过高的硬度反而会导致磨粒对摩擦副表面产生划伤，继而破坏润滑面，导致形成沟槽的现象，所以如可提高摩擦副对细小杂质、颗粒的破坏抵抗能力是提高轴颈寿命的关键。
综上所述，现有的轴颈材质、表面处理工艺以及表面修复工艺均局限于提高正常工作状态下的磨损量指标，对于实际生产中极为常见的因外界杂质进入摩擦副导致轴颈快速磨损并无有效的抑制作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末及熔覆方法，通过重新设计粉末的成分，进行激光熔覆时在轴颈工作面生成一层含有TiWC2、CrS、Ti4C2S2、WC等复合组织，具备良好自润滑性能的功能层，大幅减少细小杂质进入摩擦副后对工作表面的破坏，提高轴颈的使用寿命。
本发明的用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr38～58％、WS218～38％、Fe 10～20％、Ti 4.5～6.5％、C 2～4％；其中WS2粒度≤7000目，其他成分的粒度≤400目。
本发明的用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的制备方法为：
按上述成分比例准备粒度≤7000目的WS2粉末，以及粒度≤400目的Ti、C、Fe和Cr的粉末，将全部粉末用混料机混合均匀后干燥去除水分；所述的C选用石墨。
本发明高速重载轴颈的熔覆方法是采用上述的用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末，按以下步骤进行：
1、对待处理轴颈工作部位打磨去除氧化层和锈迹，打磨后用布擦净表面；
2、采用激光熔覆装置，通过同步送粉装置将用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末自动送入激光熔池，进行熔覆处理；熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝300～400mm，激光功率P＝3000～5000W，聚焦光斑直径：D＝2～5mm，扫描速度V＝300～600mm/min，搭接率T＝20～60％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.4～0.8mm。
上述的熔覆层的表面硬度为HRC55～HRC60，表面摩擦系数为0.2～0.3。
上述的熔覆层的组织成分为CrS3～9％、Ti4C2S216～21％、WC12～18％、TiWC215～21％，剩余组织表现为Cr-C和Fe-C碳化组织层。
上述的方法中，适用的待处理轴颈的材质为Cr、Ni或Mo系合金钢，其工作圆周线速度30～120m/s，工作压强5～10Mpa。
上述方法中，对熔覆后的轴颈工作面进行无损探伤，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。
本发明的原理及有益效果是：利用了金属硫化物所具备的自润滑性能，利用Ti、Cr与WS2进行的置换反应生成CrS、Ti4C2S2自润滑材料降低表面摩擦系数，同时添加的C成分和被置换出的W生成WC及TiWC2，在熔覆层内形成高硬度质点以提高工作面表面硬度，这样既提高了轴颈工作面的整体硬度又大幅降低了表面摩擦系数，同时所形成的Cr-C和Fe-C碳化组织层可以对细小杂质颗粒起到较好的包容效果，避免其对工作面造成连续划伤，从而极大地提高了轴颈的工作寿命；熔覆层因S系化合物密度较轻，会上浮至熔覆层表面形成一层厚度约15～20μ的、多孔疏松的自润滑层，降低摩擦系数，W系化合物和Cr-C、Fe-C则相互结合生成复杂网状组织，其中w系化合物形成硬质质点，可提供有效的支撑作用；并且本发明可以在现场对大型轴类部件进行处理，可用于采用堆焊、电刷镀、激光熔覆等工艺修复后轴颈表面的减摩强化处理，具备较高的实用价值；实验证明经该方法减摩强化处理后的轴颈，摩擦系数可降低10～20％，使用寿命可提高40～50％，具备重大的经济和社会效益。
具体实施方式
本发明实施例中采用的激光熔覆装置为ZKSX-4000固态激光器(配合安川工业机器人)或LaserLine-5000固态激光器(配合ABB工业机器人)。
本发明实施例中采用的WS2、Ti、C、Fe和Cr的纯度≥99％。
本发明实施例中表面硬度的测试设备为SH-31手持超声硬度仪，组织成分的分析设备为EDX-P2000便携式光谱仪，无损探伤采用的设备为KY-350B超声波探伤仪。
本发明实施例中的高速重载轴颈选用自300MW汽轮机(上海汽轮机厂)，600MW发电机(东方电机厂)或热轧生产线轧辊十字接轴轴头(接轴材质35CrMo)。
本发明实施例中用混料机混合时间至少2h，干燥温度200±10℃，干燥时间至少1h。
本发明实施例中打磨是采用50#砂纸，打磨后表面粗糙度为Ra6.3-Ra12.5。
实施例1
用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr 38％、WS238％、Fe 13.5％、Ti 6.5％、C4％；其中WS2粒度≤7000目，其他成分的粒度≤400目。
制备方法为：
按上述成分比例准备粒度≤7000目的WS2粉末，以及粒度≤400目的Ti、C、Fe和Cr的粉末，将全部粉末用混料机混合均匀后干燥去除水分；所述的C选用石墨。
熔覆方法按以下步骤进行：
对待处理轴颈工作部位打磨去除氧化层和锈迹，打磨后用布擦净表面；
采用激光熔覆装置，通过同步送粉装置将用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末自动送入激光熔池，进行熔覆处理；熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝300mm，激光功率P＝3000W，聚焦光斑直径：D＝2mm，扫描速度V＝300mm/min，搭接率T＝60％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.8mm，表面硬度为HRC55，表面摩擦系数为0.2；熔覆层的组织成分为CrS 3％、Ti4C2S221％、WC 18％、TiWC221％，剩余组织表现为Cr-C和Fe-C碳化组织层；
对熔覆后的轴颈工作面进行无损探伤，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷；
某发电厂在役的两套上海汽轮机厂生产的300MW汽轮机，年检时发现主轴磨损，厂方使用等离子微弧焊工艺修复，其中一台采用本发明技术进行减摩强化处理，另一台作为对照，汽轮机主轴颈直径550mm，工作面长度550mm，主轴材质35CrMoA，额定转速3000r/min；按上述方法处理后，工作带表面无缺陷，经用户使用1年后开机检查，表面无明显划伤，仅有若干不影响使用的点状杂质嵌入；对照轴颈采用等离子微弧焊维修后未做处理的机组有4条深度0.5～1.2mm，长度20～40mm的磨损沟槽，可见本实施例有效的起到了减摩强化效果。
实施例2
用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr 48％、WS228％、Fe 15.5％、Ti 5.5％、C 3％；其他同实施例1；
制备方法同实施例1；
熔覆方法同实施例1，不同点在于：
熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝350mm，激光功率P＝4000W，聚焦光斑直径：D＝3mm，扫描速度V＝400mm/min，搭接率T＝50％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.7mm，表面硬度为HRC56，表面摩擦系数为0.2；熔覆层的组织成分为CrS 6％、Ti4C2S219％、WC15％、TiWC218％；
某发电厂在役的一套东方电机厂生产的600MW发电机，年检时发现主轴汽端磨损，厂方决定使用激光熔覆修复，并采用本发明技术进行减摩强化处理，主轴颈直径534mm，工作面长度800mm，主轴材质18Cr2MnMoB，额定转速3000r/min；按上述方法加工后，工作带表面无缺陷，至今已稳定运行2年有余，整体运行参数稳定，未发现振动、噪音、力矩增大等不良问题。
实施例3
用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr 58％、WS218％、Fe 17.5％、Ti 4.5％、C 2％；其他同实施例1；
制备方法同实施例1；
熔覆方法同实施例1，不同点在于：
熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝400mm，激光功率P＝5000W，聚焦光斑直径：D＝4mm，扫描速度V＝400mm/min，搭接率T＝40％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.6mm，表面硬度为HRC57，表面摩擦系数为0.2；熔覆层的组织成分为CrS 9％、Ti4C2S216％、WC12％、TiWC215％；
某轧钢厂热轧生产线轧辊十字接轴轴头，年检发现接触面磨损量达10～15mm，决定采用氩弧焊堆焊方式恢复尺寸修复，修复后采用本发明技术进行表面减摩强化，接轴材质35CrMo；按上述方法处理后，工作带表面无缺陷，自2014年10月使用至2015年检，检测磨损量仅为4～7mm，相比降低磨损量50％以上，减少修复工作量50％，焊修周期由每年一次变为两年一次，极大减少了维修工时。
实施例4
用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr 51％、WS220％、Fe 20％、Ti5％、C4％；其他同实施例1；
制备方法同实施例1；
熔覆方法同实施例1，不同点在于：
熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝350mm，激光功率P＝3500W，聚焦光斑直径：D＝5mm，扫描速度V＝500mm/min，搭接率T＝30％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.5mm，表面硬度为HRC59，表面摩擦系数为0.3；熔覆层的组织成分为CrS 8％、Ti4C2S217％、WC16％、TiWC220％.
实施例5
用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末的成分按重量百分比含Cr 46％、WS235％、Fe 10％、Ti 6％、C 3％；其他同实施例1；
制备方法同实施例1；
熔覆方法同实施例1，不同点在于：
熔覆工艺参数为：聚焦镜f＝350mm，激光功率P＝4500W，聚焦光斑直径：D＝3mm，扫描速度V＝600mm/min，搭接率T＝20％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.4mm，表面硬度为HRC60，表面摩擦系数为0.3；熔覆层的组织成分为CrS 5％、Ti4C2S218％、WC13％、TiWC216％。
Claims (3)
1.一种高速重载轴颈的熔覆方法，采用用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末，所述粉末成分按重量百分比含Cr38~58%、WS2 18~38%、Fe 10~20%、Ti 4.5~6.5%、C 2~4%；其中WS2粒度≤7000目，其他成分的粒度≤400目；
其特征在于，按以下步骤进行：
（1）对待处理轴颈工作部位打磨去除氧化层和锈迹，打磨后用布擦净表面；
（2）采用激光熔覆装置，通过同步送粉装置将用于高速重载轴颈的自润滑激光熔覆用粉末自动送入激光熔池，进行熔覆处理；熔覆工艺参数为：聚焦镜f=300~400mm，激光功率P＝3000~5000W，聚焦光斑直径：D=2~5mm，扫描速度V＝300~600mm/min，搭接率T=20~60%，熔覆完成后形成的熔覆层厚度0.4~0.8mm。
2.根据权利要求1所述的高速重载轴颈的熔覆方法，其特征在于所述的熔覆层的表面硬度为HRC55~HRC60，表面摩擦系数为0.2~0.3。
3.根据权利要求1所述的高速重载轴颈的熔覆方法，其特征在于所述的熔覆层的组织成分为CrS 3~9%、Ti4C2S2 16~21%、WC12~18%、TiWC2 15~21%，剩余组织表现为Cr-C和Fe-C碳化组织层。
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