CN107119272B - 一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法 - Google Patents

一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层方法，包括：对走轮的表面进行前处理；通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30～60分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；对所述走轮进行感应加热，之后进行保温缓冷，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为2800～3200W，扫描线速度3.5～5.0mm/s；所述螺旋多道搭接的搭接率15％～20％，所述送粉罐的送粉量35～50g/min。本发明的方法具有低热输入、低变形、涂层与基体冶金且涂层无缺陷、耐磨性能高、自动化程度高的特点。

Description

一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，特别是涉及一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法。
背景技术
走轮是船舶及港机起吊装备上应用广泛的部件之一，每年报废的走轮部件量很大，这些走轮部件的报废大多是因为走轮绳槽表面磨损或疲劳而引起的尺寸超差或表面性能失效，但受损面经修复强化后可继续服役。目前采用的修复或强化技术主要是堆焊和热喷涂。堆焊法修复时的热输入大，导致部件的热影响区大、变形严重，甚至开裂，基体材料的性能降低明显。热喷涂法，虽然能解决变形和开裂问题，但是涂层与基体是半冶金结合，结合力较弱，涂层容易剥落，导致部件失效。
因此，急需开发新的低热输入、涂层结合力高的涂层制备方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，本发明的方法低热输入、低变形、涂层与基体冶金且涂层无缺陷、耐磨性能高、自动化程度高。
为了实现上述目的，本发明提供了一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，包括：
步骤一，对走轮的表面进行前处理；
步骤二，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30～60分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
步骤三，对所述走轮进行感应加热，之后进行保温缓冷，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
步骤四，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为2800～3200W，扫描线速度3.5～5.0mm/s；所述螺旋多道搭接的搭接率15％～20％，所述送粉罐的送粉量35～50g/min。
进一步地，本发明的方法，还包括：步骤五，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随保温棉自然冷却至室温。
进一步地，在所述步骤四中，激光熔覆保护气和送粉气为氩气，气流量为2L/min～3L/min。
进一步地，所述熔覆用粉末的重量百分比组分如下：
C：0.03～0.08％；
Si：0.8～1.0％；
Ni：8～12％；
Cr：18～20％；
Fe：余量。
进一步地，所述熔覆用粉末的熔点为960℃，HRC硬度为50～55。
进一步地，所述步骤四的所述螺旋多道搭接的激光熔覆中，
在完成一道熔覆之后，对螺旋搭接未熔覆到位的边缘处进行补边熔覆；在进行下一道熔覆之前，去除熔覆层表面的熔渣，并测定所述走轮的温度，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围。
进一步地，所述前处理包括：去除所述走轮的表面受损层，并进行表面清洗。
进一步地，上述的方法中，所述表面受损层包括：氧化锈蚀层和疲劳开裂层。
进一步地，在所述步骤四之前还包括：用压缩空气对所述走轮进行浮尘清理。
本发明实施例具有以下技术效果：
1)热输入低、变形小。与传统电弧堆焊相比，激光熔覆过程中，热源为激光束，由于激光束能量集中，且作用范围精确控制，热输入低，避免了涂层组织粗大，并有效的控制了变形。
2)涂层结合力高，使用寿命长。与传统的热喷涂相比，激光熔覆获得的涂层与走轮基材间实现了良好的冶金结合，涂层与走轮基材结合力高，涂层不易剥落，极大的提高了涂层的使用寿命。
3)涂层稀释率低，耐磨性能好。因激光热输入小，基体热影响区范围较小，涂层稀释率小，同时，涂层组织致密，无裂纹等缺陷存在，涂层耐磨性能好。
4)效率高、软化区小，硬度高。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是本发明方法实施例的步骤流程图；
图2是本发明方法实施例的工艺装置示意图。
具体实施方式
图1是本发明方法实施例的步骤流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，包括：
S101，对走轮的表面进行前处理；
S102，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30～60分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
S103，对所述走轮进行感应加热，之后进行保温缓冷，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
S104，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为2800～3200W，扫描线速度3.5～5.0mm/s；所述螺旋多道搭接的搭接率15％～20％，所述送粉罐的送粉量35～50g/min。
本发明所采用的方法热输入低，变形小，热源为激光束，激光束能量集中，作用范围精确可控，避免涂层组织粗大，有效的控制了变形。FeCrNi不锈钢粉末通过激光熔覆获得涂层，与走轮基材间实现了良好的冶金结合，涂层与走轮基材结合力高，涂层不易剥落，极大的提高了涂层的使用寿命。本发明采用激光熔覆，激光热输入小，基体热影响区范围小，涂层稀释率低，涂层组织致密，无裂纹等缺陷，涂层耐磨性能好，具有效率高、软化区小，硬度高的特点。
在一些说明性实施例中，还包括：S105，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随保温棉自然冷却至室温。
在一些说明性实施例中，在S104中，激光熔覆保护气和送粉气为氩气，气流量为2L/min～3L/min。
在一些说明性实施例中，所述固体光纤激光器输出的光斑为22×1.5mm2。所述固体光纤激光器的离焦量为0。
本发明的方法采用22×1.5mm2的宽矩形光斑螺旋搭接法熔覆，提高了加工效率。有效控制搭接率在15％～20％的范围内，减少搭接软化区尺寸，得到组织均匀、晶粒细小的熔覆组织，进一步提高走轮工作面的硬度和耐磨性能，熔覆层表层最高硬度能达到HRC57～58，使得走轮的耐磨性能提高1倍以上。
在一些说明性实施例中，所述熔覆用粉末的重量百分比组分如下：
C：0.03～0.08％；
Si：0.8～1.0％；
Ni：8～12％；
Cr：18～20％；
Fe：余量。
在一些说明性实施例中，所述熔覆用粉末的熔点为960℃，HRC硬度为50～55。
在一些说明性实施例中，S104的所述螺旋多道搭接的激光熔覆中，
在完成一道熔覆之后，对螺旋搭接未熔覆到位的边缘处进行补边熔覆；在进行下一道熔覆之前，去除熔覆层表面的熔渣，并测定所述走轮的温度，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围。
在一些说明性实施例中，所述前处理包括：去除所述走轮的表面受损层，并进行表面清洗。
在一些说明性实施例中，所述表面受损层包括：氧化锈蚀层和疲劳开裂层。
在一些说明性实施例中，在S104之前还包括：用压缩空气对所述走轮进行浮尘清理。
实施例1
一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，包括：
步骤一，前处理：机械去除走轮表面的氧化锈蚀层、疲劳开裂层，进行磁粉探伤或渗透探伤，确保待修复表面无气孔裂纹等缺陷存在，对走轮进行尺寸及形位公差检测记录，对照走轮设计图纸确定待修复位置及尺寸要求，然后清洗待修复表面及周围相关区域，使走轮表面清洁；
步骤二，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
步骤三，对清理干净的走轮进行感应加热处理，设定加热温度200℃，加热时间60min，保温缓冷30min，用压缩空气清理工件表面浮沉浮尘，获得待激光熔覆的走轮，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
步骤四，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为2800W，输出的光斑为22×1.5mm2，离焦量0，扫描线速度3.5mm/s，所述螺旋多道搭接的搭接率20％，所述送粉罐的送粉量35g/min。激光熔覆保护气和送粉气选用氩气，气流量为2L/min，采用螺旋多道搭接法进行熔覆加工，获得激光熔覆后的走轮；
步骤五，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随包裹其的保温棉自然冷却至室温。
其中，FeCrNi粉末主要成分及其质量分数为，C：0.03％；Si：0.8％；Ni：8％；Cr：18％；Fe：余量。粉末熔点965℃，粉末HRC硬度50～52。
实验表明，采用以上配比的FeCrNi粉末，能达到955-965℃的最佳粉末熔点，在960℃熔点时，既能保障熔覆结合强度，又不损害走轮基体内部深度结构，能得到最佳的熔覆冶金结合，HRC硬度50～60能够保障走轮熔覆后的表面强度，使得熔覆后的走轮具有超过普通走轮的寿命。
图2示出了本发明方法实施例的工艺装置示意图，如图2所示，激光头1从左向右横向移动，走轮基体5随变位机卡盘转动，激光束2辐照走轮基体5表面上的FeCrNi不锈钢粉末3上，激光束2离开，FeCrNi不锈钢粉末3凝固成熔覆层4。
表1为实施例1的走轮力学性能测试和表面渗透探伤结果。
表1力学性能测试和表面渗透探伤结果
采用实施例1的方法及参数，探伤结果均为无裂纹。
实施例2
一种走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，包括以下步骤：
步骤一，前处理：机械去除走轮表面的氧化锈蚀层、疲劳开裂层，进行磁粉探伤或渗透探伤，确保待修复表面无气孔裂纹等缺陷存在，对走轮进行尺寸及形位公差检测记录，对照走轮设计图纸确定待修复位置及尺寸要求，然后清洗待修复表面及周围相关区域，使走轮表面清洁；
步骤二，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在200℃下加热60min，保温缓冷30分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
步骤三，对清理干净的走轮进行感应加热处理，设定加热温度200℃，加热时间60min，保温缓冷30min，用压缩空气清理工件表面浮沉浮尘，获得待激光熔覆的走轮，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
步骤四，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为3000W，输出的光斑为22×1.5mm2，离焦量0，扫描线速度3.5mm/s，所述螺旋多道搭接的搭接率15％，所述送粉罐的送粉量35g/min。激光熔覆保护气和送粉气选用氩气，气流量为2L/min，采用螺旋多道搭接法进行熔覆加工，获得激光熔覆后的走轮；
步骤五，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随包裹其的保温棉自然冷却至室温。
其中，FeCrNi不锈钢粉末主要成分及其质量分数为，C：0.08％；Si：1.0％；Ni：12％；Cr：20％；Fe：余量；粉末熔点960，粉末HRC硬度52～55。
表2为实施例2的走轮力学性能测试和表面渗透探伤结果。
表2力学性能测试和表面渗透探伤结果
采用实施例2的方法及参数，探伤结果均为无裂纹。
实施例3
一种走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，包括以下步骤：
步骤一，前处理：机械去除走轮表面的氧化锈蚀层、疲劳开裂层，进行磁粉探伤或渗透探伤，确保待修复表面无气孔裂纹等缺陷存在，对走轮进行尺寸及形位公差检测记录，对照走轮设计图纸确定待修复位置及尺寸要求，然后清洗待修复表面及周围相关区域，使走轮表面清洁；
步骤二，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
步骤三，对清理干净的走轮进行感应加热处理，设定加热温度200℃，加热时间60min，保温缓冷30min，用压缩空气清理工件表面浮沉浮尘，获得待激光熔覆的走轮，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
步骤四，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器输出的光斑为22×1.5mm2，激光功率2800～3200W，离焦量0，扫描线速度3.0～4.0mm/s，所述螺旋多道搭接的搭接率15～20％，所述送粉罐的送粉量35～50g/min，激光熔覆保护气和送粉气选用氩气，气流量为2～3L/min，选用同轴熔覆激光头(光斑Φ＝1.5mm)对绳槽边缘尺寸不足处进行补边处理，同轴熔覆激光头的激光功率1100～1500W，离焦量0，扫描线速度4.0～6.0mm/s，螺旋多道搭接的搭接率55％，送粉量3～6g/min，激光熔覆保护气和送粉气选用氩气，气流量为5L/min，采用螺旋多道搭接法进行熔覆加工，获得激光熔覆后的走轮；
步骤五，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随包裹其的保温棉自然冷却至室温。
其中，FeCrNi不锈钢粉末为预制粉末，主要成分及其质量分数为，C：0.03～0.08％；Si：0.8～1.0％；Ni：8～12％；Cr：18～20％；Fe：余量，合金粉末熔点960℃，合金粉末HRC硬度50～55。
走轮冷至室温后检查发现熔覆3层FeCrNi不锈钢合金(熔覆层厚度约2.5mm)后，熔覆层搭接处及隆起部位开裂，裂纹未拉裂基材。改进熔覆工艺方案，其他熔覆参数不变的情况下，先进行一层铁基软合金粉末(HRC硬度≤20)作为过渡层再熔覆FeCrNi不锈钢粉末。机加工去除熔覆合金层后，进行二次熔覆加工，熔覆后热处理温度调整为200℃，保温200min后冷却至室温。表3为实施例3的走轮力学性能测试和表面渗透探伤结果。
表3力学性能测试和表面渗透探伤结果
采用实施例3的方法及参数，探伤结果均为无裂纹。
由上可知，本发明具有以下优势：热输入低、变形小。激光熔覆过程中，热源为激光束，由于激光束能量集中，且作用范围精确控制，热输入低，避免了涂层组织粗大，并有效的控制了变形。涂层结合力高，使用寿命长。激光熔覆获得的涂层与基材间实现了良好的冶金结合，涂层与基体结合力高，涂层不易剥落，极大的提高了涂层的使用寿命。涂层稀释率低，耐磨性能好，因激光热输入小，基体热影响区范围较小，涂层稀释率小，同时，熔覆层组织致密，无裂纹等缺陷存在，涂层耐磨性能好。并且效率高。激光熔覆采用宽矩形光斑(15-22mm宽光斑)螺旋搭接法熔覆，作用面积大，提高了加工效率。软化区小，硬度高，通过有效控制搭接率可以减少搭接软化区尺寸，得到组织均匀、晶粒细小的熔覆组织，能进一步提高走轮工作面的硬度和耐磨性能，熔覆层表层最高硬度能达到HRC57～58，使得走轮的耐磨性能提高1倍以上。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种港机走轮激光熔覆不锈钢涂层的方法，其特征在于，包括：
步骤一，对走轮的表面进行前处理；
步骤二，通过150目筛处理FeCrNi不锈钢粉末，将处理后的所述不锈钢粉末放入烘干箱内，在100℃下保温30～60分钟，冷至室温后得到熔覆用粉末并放入送粉罐中；
步骤三，对所述走轮进行感应加热，之后进行保温缓冷，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围；
步骤四，采用固定固体光纤激光器和所述熔覆用粉末对所述走轮的表面进行螺旋多道搭接的激光熔覆；所述固体光纤激光器的激光功率为2800～3200W，扫描线速度3.5～5.0mm/s；所述螺旋多道搭接的搭接率15％～20％，所述送粉罐的送粉量35～50g/min；
所述熔覆用粉末的重量百分比组分如下：C：0.03～0.08％；Si：0.8～1.0％；Ni：8～12％；Cr：18～20％；Fe：余量；
所述熔覆用粉末的熔点为960℃，HRC硬度为50～55；
所述步骤四的所述螺旋多道搭接的激光熔覆中，在完成一道熔覆之后，对螺旋搭接未熔覆到位的边缘处进行补边熔覆；在进行下一道熔覆之前，去除熔覆层表面的熔渣，并测定所述走轮的温度，使得所述走轮达到90～110℃的温度范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤五，对激光熔覆后的走轮进行保温处理，保温温度150℃，保温时间180min，后随保温棉自然冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤四中，激光熔覆保护气和送粉气为氩气，气流量为2L/min～3L/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前处理包括：去除所述走轮的表面受损层，并进行表面清洗。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述表面受损层包括：氧化锈蚀层和疲劳开裂层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤四之前还包括：用压缩空气对所述走轮进行浮尘清理。
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