CN107130238B - 一种激光熔覆修复精锻机锤头的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆修复精锻机锤头的方法，是先在精锻机锤头表面激光熔覆由17.5～19% Cr、10～12.8% Co、6.3～7.5% Mo、1～2.6% W、1.6～2.5% Al、0.23～0.29% C、2.1～2.9% Ti、0.23～0.38% B，以及余量Ni组成的过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆包括13～16.8% Mo、14～18% Cr、4～5.62% W、4.3～5.8% Si、8.2～9% Fe，以及最高0.15%的C、最高1.2%的Mn、最高0.028%的S、最高0.019%的P、最高2.7%的Co，以及余量Ni组成的表面合金层。本发明修复方法能减小精锻机锤头在锻造高温强烈磨损下的磨损量，延缓熔覆层裂纹扩展速率，提高精锻机锤头的使用寿命。

Description

一种激光熔覆修复精锻机锤头的方法

技术领域

本发明属于模具钢工件损伤修复技术领域，涉及精锻机锤头表面损伤的修复，特别是涉及一种基于激光熔覆的精锻机锤头表面损伤修复方法。

背景技术

精锻机锤头是精锻机的重要部件之一，两对锤头通过基板连接在互成90°的四根锤杆上。锤杆连接曲柄连杆机构，在曲轴的带动下同步运动，实现两对锤头的径向打击。

精锻机锤头由模具钢56CrNiMoV7制成，每分钟打击次数410次。由于锤头工作表面长时间与高温状态下的炽热金属接触，并承受着巨大的冲击载荷以及打击过程中金属变形流动时产生的巨大摩擦，极易产生塌陷变形、裂纹、掉块，以至报废不能继续使用。

目前一般是采用堆焊的方式对精锻机锤头进行修复，堆焊成的精锻机锤头高温合金工作表面具有较好的红硬性和耐热疲劳性。但是，在堆焊之前必须将锤头预热到350℃，并且在整个焊接过程中保持这个温度，堆焊后还需要将锤头保温缓冷后，再通过机械加工使工作表面成形，整个堆焊工艺复杂，工人需要在较高温度环境中操作。

激光熔覆技术是一种通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而在金属工件表面获得具有硬度大、耐磨、耐腐蚀、耐高温等优异性能涂层的技术，适合于对材料的表面改性和修复。

与传统表面修复技术相比，激光熔覆修复涂层稀释率低，加热冷却速度快，热影响较小，畸变小，效率高。采用激光熔覆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导致的界面裂纹。此外，激光熔覆过程中的急冷可以使熔覆层组织更加致密，晶粒更加细化，从而使力学性能得到显著提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光熔覆修复精锻机锤头的方法，通过在精锻机锤头表面激光熔覆上复合熔覆涂层，显著提高锤头材料的服役性能和使用寿命，抑制熔覆层开裂并延缓裂纹扩展速率。

本发明所述的激光熔覆修复精锻机锤头的方法是先在精锻机锤头的表面激光熔覆一层过渡合金层，再在所述过渡合金层上激光熔覆一层表面合金层，以在锤头表面形成复合熔覆涂层。

其中，用于激光熔覆以形成所述过渡合金层的合金粉末按质量百分含量计，由17.5～19% Cr、10～12.8% Co、6.3～7.5% Mo、1～2.6% W、1.6～2.5% Al、 0.23～0.29% C、2.1～2.9% Ti、0.23～0.38% B，以及余量的Ni混合组成。

优选地，所述过渡合金层用合金粉末的质量百分含量组成为：Ni 56%、Cr 18%、Co12%、Mo 7%、W 2%、Al 2%、C 0.25%、Ti 2.4%、B 0.35%。

进而，形成所述表面合金层所使用的合金粉末按质量百分含量计，其组成中包括有13～16.8% Mo、14～18% Cr、4～5.62% W、4.3～5.8% Si、8.2～9% Fe，以及最高0.15%的C、最高1.2%的Mn、最高0.028%的S、最高0.019%的P、最高2.7%的Co，剩余部分为Ni。

优选地，本发明用于形成所述过渡合金层和所述表面合金层的合金粉末的粒度均不小于100目。

进而，为了防止精锻机锤头表面复合熔覆涂层中的过渡合金层过厚，影响到锤头表面的硬度，本发明优选限定所述表面合金层的熔覆厚度大于过渡合金层的熔覆厚度。

更优选地，本发明所述复合熔覆涂层中，所述表面合金层的熔覆厚度是过渡合金层熔覆厚度的1.2～2倍。

进一步地，本发明还提供了所述激光熔覆修复精锻机锤头的一种具体方法。

1) 将所述过渡合金层用合金粉末和表面合金层用合金粉末分别在球磨机中充分混合不少于2小时，并在100～150℃条件下真空干燥1～1.5小时，自然冷却后得到激光熔覆用过渡合金层熔覆材料和表面合金层熔覆材料。

2) 对精锻机锤头的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污。

3) 以半导体激光器的激光头对准精锻机锤头的待熔覆区表面，利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的表面均匀送入所述过渡合金层熔覆材料，利用激光器射出的激光束辐照于所述过渡合金层熔覆材料，使之熔化形成熔滴；所述半导体激光器按照设定的轨迹连续扫描所述待熔覆区表面，在待熔覆区表面上熔覆过渡合金层。

4) 待过渡合金层冷却至室温后，利用同轴载气送粉装置向过渡合金层表面均匀送入所述表面合金层熔覆材料并辐照使之熔化形成熔滴，半导体激光器按照设定的轨迹连续扫描所述过渡合金层表面，在过渡合金层表面上熔覆表面合金层。

本发明所述的激光熔覆修复方法中，优选设定所述半导体激光器的激光功率为2000～2300W，扫描速度6～8mm/s，光斑直径4mm，搭接率30～50%。

进一步地，所述激光熔覆修复方法中，设置所述同轴载气送粉装置的载粉气流量为10L/min，送粉量200～300mg/s。

本发明所述的激光熔覆修复方法还包括对精锻机锤头表面形成的复合熔覆涂层进行渗透探伤校验，确认精锻机锤头熔覆表面已经不存在裂纹，再对熔覆表面进行机械加工处理，以去除熔覆表面外边突出的涂层。

本发明的激光熔覆修复精锻机锤头方法首先提供了适合于精锻机锤头表面激光熔覆复合涂层的合金粉末材料，将其用于精锻机锤头表面激光熔覆，并配合合适的激光熔覆工艺条件，能够得到与基体成良好冶金结合的复合熔覆涂层。

本发明修复方法得到的复合熔覆涂层不易脱落，不易产生裂纹，耐磨性能优良，具有较高的硬度，能够减小精锻机锤头在锻造高温强烈磨损条件下的磨损量，并延缓熔覆层裂纹的扩展速率。

本发明的激光熔覆修复方法可以在不改变模具钢基体组织性能的前提下，修复覆盖精锻机锤头工作面裂纹，增强精锻机锤头的表面硬度和磨损性能，提高精锻机锤头的使用寿命。

本发明的激光熔覆修复方法操作简单，工作温度较低，节约能源，对环境污染极小。

附图说明

图1是实施例1修复后的复合熔覆涂层与精锻机锤头基材界面横截面晶相图。

图2是实施例1修复后精锻机锤头的表面探伤图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和效果能够更充分体现和更容易理解，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。所述实施例并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。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。

实施例1。

过渡合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：Ni 56%、Cr 18%、Co 12%、Mo7%、W 2%、Al 2%、C 0.25%、Ti 2.4%、B 0.35%。

表面合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：C 0.1%、Si 5%、Mn 1.2%、S0.025%、P 0.015%、Fe 7%、Mo 15%、Cr 15%、Co 2.5%、W 4.5%，其余为Ni。

将上述过渡合金层用合金粉末和表面合金层用合金粉末分别在球磨机中充分混合各2小时，100℃下真空干燥1.5小时，自然冷却后，分别得到激光熔覆用过渡合金层熔覆材料和表面合金层熔覆材料。

清除精锻机锤头上的灰尘、油污、锈蚀，检测精锻机锤头各部位尺寸，确定失效部位及其磨损量。通过打磨去除精锻机锤头失效部位的疲劳层0.5mm，并进行清洗。

采用同轴送粉的方式，以德国LDF-4000-100半导体激光器为光源，使用全自动行走装置ABB机械手，按RobotStudio软件离线编程路径，对精锻机锤头进行连续搭接扫描。

将激光器的激光头对准待熔覆的表面，利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的表面均匀送入相应的激光熔覆用熔覆材料，激光器射出的激光束辐照于熔覆材料使之熔化形成熔滴。激光器按照预定轨迹完成预设范围表面的连续扫描熔覆，形成熔覆涂层。

设定熔覆过渡合金层时的半导体激光器激光功率为2300W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50%，送粉量200mg/s，载粉气流量10L/min。熔覆表面合金层时的半导体激光器激光功率为2100W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50%，送粉量300mg/s，载粉气流量10L/min。

采用上述方法，先在精锻机锤头表面激光熔覆一层厚度为0.8mm的过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆一层厚度为1.6mm的表面合金层。

上述激光熔覆采用多层搭接连续施焊，每道每层不在同一起点，分散焊层应力，避免应力集中。

图1给出了以上述方法修复后精锻机锤头的复合熔覆涂层横截面晶相图。图1中上半部分是表面合金层，中间部分是过渡合金层，两者之间过渡平缓，结合效果好。下半部分是基材，两者组织略有不同，复合熔覆涂层与基材之间结合效果较好。

在修复后精锻机锤头的复合熔覆涂层表面喷YR-T清洗剂进行彻底清洗，并干燥。施加YP-T渗透剂并保留10～15分钟，用喷有YR-T清洗剂的擦拭布将复合熔覆涂层表面多余的渗透剂擦试干净。将YD-T显像剂距涂层表面20～30cm处薄薄、均匀地喷洒在锤头表面，观察显色情况。如果复合熔覆涂层表面存在缺陷，缺陷部分将会以鲜亮的红色显示在白色的显像剂背景上。显色结果如图2，在图中未能看到鲜亮的红色，说明复合熔覆涂层无裂纹。

检测修复后精锻机锤头的过渡合金层硬度为20～31HRC，表面合金层硬度为23～33HRC，过渡合金层至表面合金层的硬度递增，且均略高于基材硬度。

将修复好的四块精锻机锤头安装到SX-40型800吨精锻机上，锻造火车车轴并记录锻造数量。经过计算，在相同条件下，激光熔覆修复的精锻机锤头比用电焊修复的锤头多锻造164根火车车轴，且工作表面裂纹较少。

实施例2。

过渡合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：Ni 56%、Cr 18%、Co 12%、Mo7%、W 2%、Al 2%、C 0.25%、Ti 2.4%、B 0.35%。

表面合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：C 0.8%、Si 5%、Mn 1.0%、S0.023%、P 0.013%、Fe 5%、Mo 16%、Cr 15%、Co 2.2%、W 5.0%，其余为Ni。

将上述过渡合金层用合金粉末和表面合金层用合金粉末分别在球磨机中充分混合各2小时，100℃下真空干燥1.5小时，自然冷却后，分别得到激光熔覆用过渡合金层熔覆材料和表面合金层熔覆材料。

清除精锻机锤头上的灰尘、油污、锈蚀，检测精锻机锤头各部位尺寸，确定失效部位及其磨损量。通过打磨去除精锻机锤头失效部位的疲劳层0.5mm，并进行清洗。

采用同轴送粉的方式，以德国LDF-4000-100半导体激光器为光源，使用全自动行走装置ABB机械手，按RobotStudio软件离线编程路径，对精锻机锤头进行连续搭接扫描。

将激光器的激光头对准待熔覆的表面，利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的表面均匀送入相应的激光熔覆用熔覆材料，激光器射出的激光束辐照于熔覆材料使之熔化形成熔滴。激光器按照预定轨迹完成预设范围表面的连续扫描熔覆，形成熔覆涂层。

设定熔覆过渡合金层时的半导体激光器激光功率为2300W，光斑直径4mm，扫描速度7mm/s，搭接率40%，送粉量200mg/s，载粉气流量10L/min。熔覆表面合金层时的半导体激光器激光功率为2100W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率40%，送粉量300mg/s，载粉气流量10L/min。

采用上述方法，先在精锻机锤头表面激光熔覆一层厚度为0.7mm的过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆一层厚度为1.6mm的表面合金层。

使用着色渗透探伤剂对修复后的精锻机锤头进行渗透探伤，检测是否有气孔、裂痕等缺陷。最后按照图纸要求对精锻机锤头熔覆表面进行机械加工处理。

实施例3。

过渡合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：Ni 56%、Cr 18%、Co 12%、Mo7%、W 2%、Al 2%、C 0.25%、Ti 2.4%、B 0.35%。

表面合金层采用合金粉末的组分及质量百分比含量：C 0.15%、Si 4.5%、Mn 1.0%、S 0.023%、P 0.013%、Fe 7%、Mo 15.8%、Cr 16%、Co 2.3%、W 5.3%，其余为Ni。

将上述过渡合金层用合金粉末和表面合金层用合金粉末分别在球磨机中充分混合各2.5小时，120℃下真空干燥1小时，自然冷却后，分别得到激光熔覆用过渡合金层熔覆材料和表面合金层熔覆材料。

清除精锻机锤头上的灰尘、油污、锈蚀，检测精锻机锤头各部位尺寸，确定失效部位及其磨损量。通过打磨去除精锻机锤头失效部位的疲劳层0.5mm，并进行清洗。

采用同轴送粉的方式，以德国LDF-4000-100半导体激光器为光源，使用全自动行走装置ABB机械手，按RobotStudio软件离线编程路径，对精锻机锤头进行连续搭接扫描。

将激光器的激光头对准待熔覆的表面，利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的表面均匀送入相应的激光熔覆用熔覆材料，激光器射出的激光束辐照于熔覆材料使之熔化形成熔滴。激光器按照预定轨迹完成预设范围表面的连续扫描熔覆，形成熔覆涂层。

设定熔覆过渡合金层时的半导体激光器激光功率为2200W，光斑直径4mm，扫描速度7mm/s，搭接率50%，送粉量200mg/s，载粉气流量10L/min。熔覆表面合金层时的半导体激光器激光功率为2100W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50%，送粉量300mg/s，载粉气流量10L/min。

采用上述方法，先在精锻机锤头表面激光熔覆一层厚度为0.8mm的过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆一层厚度为1.8mm的表面合金层。

使用着色渗透探伤剂对修复后的精锻机锤头进行渗透探伤，检测是否有气孔、裂痕等缺陷。最后按照图纸要求对精锻机锤头熔覆表面进行机械加工处理。

Claims (9)

1.一种激光熔覆修复精锻机锤头的方法，是先在精锻机锤头的表面激光熔覆一层过渡合金层，再在所述过渡合金层上激光熔覆一层表面合金层，以在锤头表面形成复合熔覆涂层，其中：

用于激光熔覆以形成所述过渡合金层的合金粉末按质量百分含量计，由17.5～19%Cr、10～12.8% Co、6.3～7.5% Mo、1～2.6% W、1.6～2.5% Al、 0.23～0.29% C、2.1～2.9%Ti、0.23～0.38% B，以及余量的Ni混合组成；

形成所述表面合金层所使用的合金粉末按质量百分含量计，包括13～16.8% Mo、14～18% Cr、4～5.62% W、4.3～5.8% Si、8.2～9% Fe，以及最高0.15%的C、最高1.2%的Mn、最高0.028%的S、最高0.019%的P、最高2.7%的Co，剩余部分为Ni。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述过渡合金层用合金粉末的质量百分含量组成为：Ni 56%、Cr 18%、Co 12%、Mo 7%、W 2%、Al 2%、C 0.25%、Ti 2.4%、B 0.35%。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是用于形成所述过渡合金层的合金粉末的粒度不小于100目。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是用于形成所述表面合金层的合金粉末的粒度不小于100目。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述表面合金层的熔覆厚度大于过渡合金层的熔覆厚度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述表面合金层的熔覆厚度是过渡合金层熔覆厚度的1.2～2倍。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述方法包括：

1) 将所述过渡合金层用合金粉末和表面合金层用合金粉末分别在球磨机中充分混合不少于2小时，并在100～150℃条件下真空干燥1～1.5小时，自然冷却后得到激光熔覆用过渡合金层熔覆材料和表面合金层熔覆材料；

2) 对精锻机锤头的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；

3) 以半导体激光器的激光头对准精锻机锤头的待熔覆区表面，利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的表面均匀送入所述过渡合金层熔覆材料，利用激光器射出的激光束辐照于所述过渡合金层熔覆材料，使之熔化形成熔滴；所述半导体激光器按照设定的轨迹连续扫描所述待熔覆区表面，在待熔覆区表面上熔覆过渡合金层；

4) 待过渡合金层冷却至室温后，利用同轴载气送粉装置向过渡合金层表面均匀送入所述表面合金层熔覆材料并辐照使之熔化形成熔滴，半导体激光器按照设定的轨迹连续扫描所述过渡合金层表面，在过渡合金层表面上熔覆表面合金层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是设定所述半导体激光器的激光功率为2000～2300W、扫描速度6～8mm/s、光斑直径4mm、搭接率30～50%。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是设置所述同轴载气送粉装置的载粉气流量为10L/min，送粉量200～300mg/s。