CN108265168B

CN108265168B - 一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法

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Publication number: CN108265168B
Application number: CN201810070667.7A
Authority: CN
Inventors: 石岩; 陈奎明; 李云峰; 刘佳
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2038-01-25
Also published as: CN108265168A

Abstract

本发明涉及一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，首先对蠕墨铸铁进行预热处理，再用配制好的激光吸收层均匀的喷在蠕墨铸铁表面进行激光熔凝。本发明首先用激光对试样进行预热处理，经预处理后，能够降低激光熔凝内部的温度梯度，减少热应力的产生，在一定程度上降低了熔凝层萌生裂纹的可能性。本发明采用喷雾的方法，使得激光吸收层能更加均匀的平铺在蠕墨铸铁表面，激光吸收层更好的与激光和基材充分的作用。得到的激光熔凝层硬度较高，在高温的工作环境下，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性以及耐冲击性；本发明使用的激光吸收层作用于蠕墨铸铁表面具有更好的除碳效果使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的控制并增强了力学性能和抗氧化性等优点。

Description

一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法

技术领域

本发明为激光加工技术领域，具体涉及一种蠕墨铸铁表面预热处理后激光熔凝表面涂层方法。

背景技术

蠕墨铸铁其石墨形态处于球状和片状之间，属于过渡形态。由于其兼具两种结构，从而使得蠕墨铸铁既具有球墨铸铁的韧性、耐磨性以及强度、与灰铸铁相当的防振、导热及铸造性能，以及比灰铸铁更好的塑性和耐疲劳性能，已成为钢锭模、玻璃模、排气管、汽缸盖、汽缸体等发动机关键部件的首选材料。

在实际生产及使用过程中，蠕墨铸铁经常受到热循环载荷及循环机械载荷，这导致蠕墨铸铁表面产生高温氧化、热疲劳、起皮、磨损、腐蚀、裂纹等缺陷，大大降低了蠕墨铸铁的使用寿命。

为了提高蠕墨铸铁件的使用寿命对蠕墨铸铁表面强化的工艺有很多，比如激光熔覆技术，激光淬火等，相关应用的文献如申请号为201010554439.0的中国专利公开了一种对球墨铸铁工件的激光强化工艺，此工艺采用高能量的激光束快速扫描工件表面，虽然这种工艺可以使球墨铸铁工件的硬化层组织细密，提高了工件硬度和耐磨性能，减轻了零件的变形和裂纹，但是由于球墨铸铁中含碳量很高，在激光强化的过程中还是很容易使激光强化层产生裂纹与气孔等缺陷。郑子云等在文献《工艺参数对蠕墨铸铁激光熔凝淬火带裂纹率和形貌的影响》中针对蠕墨铸铁开展激光熔凝淬火工艺参数对淬火带裂纹率和形貌的影响分析。在激光熔凝淬火处理以前，工件表面一般要进行黑化处理(黑化剂中主要成分为石墨)。结果显示黑化处理后裂纹率会相应的降低，虽然这种黑化处理以及调整工艺参数的方法可以降低淬火带裂纹率和改善形貌但由于蠕墨铸铁中含有大量的石墨在淬火时硬度增加容易产生气孔和裂纹表面等缺陷。

发明内容

本发明技术解决的技术问题：克服了现有技术的不足，提供一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，采用喷雾的方法，使得激光吸收层能更加均匀的平铺在蠕墨铸铁表面，激光吸收层更好的与激光和基材充分的作用，得到的激光熔凝层硬度较高，在高温的工作环境下，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性；使用的激光吸收层作用于蠕墨铸铁表面具有更好的除碳效果使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的控制并增强了力学性能和抗氧化性等优点。

本发明技术解决方案：一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，此方法涉及了三种不同复合材料对蠕墨铸铁产生不同效果的激光熔凝涂层，所制备的熔凝涂层显著的提高了蠕墨铸铁的表面硬度与磨损性能，增强了熔凝层的韧性并消除了裂纹、气孔、表面质量差等缺陷如图2。

如图1所示，本发明提供三种蠕墨铸铁表面喷有复合吸收材料激光熔凝的方法及过程按顺序进行的下列步骤：

步骤一：选取蠕墨铸铁作为熔凝的基体，将其表面打磨光洁并清洗干净；

步骤二：配制复合吸收材料粉末，将制备好的复合吸收材料粉末浸泡在乙醇中并放在喷壶中；

步骤三：对处理干净的蠕墨铸铁进行预热；

步骤四：采用喷雾的方式将上述浸泡后的复合吸收材料粉末均匀喷在预热好的基体表面，形成激光吸收层；

步骤五：使用CO₂激光器对上述刷有熔凝涂层位置的基材进行激光辐照，形成激光熔凝层；

在步骤一中用线切割将蠕墨铸铁基体进行切割形成试样，用砂纸将其表面打磨光洁，再用丙酮溶液将试样表面清洗干净，并吹干；

在步骤二中所述的激光吸收层粉末配方有以下三种

第一种配方由化合物KAlF4、k2SO4和、Sn、Mo、V、Ti元素组成，含量分别为：

k2SO4含量1％～2％、Sn≤0.2％、Mo含量0.5％～1％、V含量2％～3％、Ti含量2％～3％，余量为KAlF4,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并并放在喷壶中。

第二种配方由化合物K3AlF6、k2SO4和、RE、Mo、B、Ti元素组成，含量分别为：

k2SO4含量1％～2％、Re≤0.1％、Mo含量0.5％～1％、B含量2％～3％、Ti含量2％～3％，余量为K3AlF6,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并并放在喷壶中。

第三种配方由化合物K3AlF6、k2SO4和Cr、Mo、Cu、V元素组成，含量分别为：

k2SO4含量1％～2％、Cr≤1％、Mo含量0.5％～1％、Cu≤1％、V含量2％～3％，余量为K3AlF6,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并放在喷壶中。

在步骤三中使用加热炉对蠕墨铸铁进行预热处理，预热温度350℃，预热时间为10分钟，此参数可以有效的控制熔凝层开裂；在步骤四中采用喷雾的方式将配制好的激光吸收层均匀地铺在基体表面，喷在基体上的厚度在0.4mm-0.6mm之间，并等待吸收层干燥；在步骤五中使用CO2激光器对上述喷雾好的激光吸收层进行激光辐照，激光器的输出功率2500W-2700W，宽光斑宽度为10mm，负离焦量150-250mm，扫描速度为3-7mm/s，上述激光工艺参数可得到无缺陷无裂纹的激光熔凝层，熔凝层厚度为0.9mm-1.5mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明首先用激光对试样进行预热处理，经预处理后，能够降低激光熔凝内部的温度梯度，减少热应力的产生，在一定程度上降低了熔凝层萌生裂纹的可能性。

(2)本发明采用喷雾的方法，使得激光吸收层更加均匀的平铺在蠕墨铸铁表面，使得激光吸收层更好的与激光和基材充分的作用。

(3)激光熔凝得到的激光熔凝层硬度较高，在高温的工作环境下，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性以及耐冲击性。

(4)本发明使用的激光吸收层作用于蠕墨铸铁表面具有更好的除碳效果使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的控制并增强了力学性能和抗氧化性等优点。所选用复合吸收材料的激光吸收层中含有化合物KAlF4、k2SO4和、Sn、Mo、V、Ti元素组成，在激光熔凝的过程中化合物KAlF4、k2SO4使得熔凝层表面具有脱氧的作用，防止了熔凝层表面的氧化，而Sn可以使石墨减少并细化，同时稳定并细化珠光体，加入适量的Sn有助于蠕墨铸铁力学性能的提高，Mo元素对蠕墨铸铁的力学性能影响很大，适量的Mo元素可以促进了珠光体的形成，随着珠光体含量增多，可以提高蠕墨铸铁的抗拉强度和屈服强度，对于V、Ti元素①在激光的作用下与蠕墨铸铁中的碳反映最后以钒钛碳化物及固溶于渗碳体的形式存在，钒钛碳化物的硬度极高Ti+C→TiC、V+C→VC、V+C→V₂C、V+C→V₄C₃②钒钛元素促进珠光体形成并使之细化，还起到细化晶粒作用，还有一部分碳在激光熔凝的过程中和氧气反应成成二氧化碳极大的降低了熔凝层中的碳含量从而降低了熔凝层中的缺陷。

(5)本发明使用的激光吸收层作用于蠕墨铸铁表面具有更好的除碳效果使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的控制并增强了力学性能和抗氧化性等优点。所选用复合材料的激光吸收层中含有化合物K3AlF6、k2SO4和RE、Mo、B、Ti元素组成，在激光熔凝的过程中化合物K3AlF6、k2SO4使得熔凝层表面具有脱氧的作用，防止了熔凝层表面的氧化，利用微量稀土元素RE对蠕墨铸铁具有改性作用和细晶化作用，对铁液有显著的净化作用和强烈脱氧之功效，从而大幅度地提高材质的各项性能指标，Mo元素对蠕墨铸铁的力学性能影响很大，适量的Mo元素可以促进了珠光体的形成，随着珠光体含量增多，可以提高蠕墨铸铁的抗拉强度和屈服强度，由于B元素的加入对蠕墨铸铁具有良好的导热性能,在急冷急热时,试件断面上的温差较小，所产生的热应力也较小，因而试件表面不易产生裂纹，对于Ti元素①在激光的作用下与蠕墨铸铁中的碳反映最后以钛碳化物及固溶于渗碳体的形式存在，钛碳化物的硬度极高Ti+C→TiC，②钛元素促进珠光体形成并使之细化，还起到细化晶粒作用，还有一部分碳在激光熔凝的过程中和氧气反应成成二氧化碳极大的降低了熔凝层中的碳含量从而降低了熔凝层中的缺陷。

(6)本发明使用的激光吸收层作用于蠕墨铸铁表面具有更好的除碳效果使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的控制并增强了力学性能和抗氧化性等优点。所选用复合材料的激光吸收层中含有化合物K3AlF6、k2SO4和Cr、Mo、Cu、V元素组成，在激光熔凝的过程中化合物K3AlF6、k2SO4使得熔凝层表面具有脱氧的作用，防止了熔凝层表面的氧化，Cr是一种碳化物形成元素，作为碳化物相的稳定剂，阻碍石墨化和细化石墨的作用，而Cu元素在基体-石墨之间的界面处富集，使C原子扩散变得困难，阻碍了石墨化进程，从而促进珠光体的形成促进珠光体形成，加入适量的Cr、Cu有助于蠕墨铸铁力学性能的提高，Mo元素对蠕墨铸铁的力学性能影响很大，适量的Mo元素可以促进了珠光体的形成，随着珠光体含量增多，可以提高蠕墨铸铁的抗拉强度和屈服强度，对于V元素①在激光的作用下与蠕墨铸铁中的碳反映最后以钒碳化物及固溶于渗碳体的形式存在，钒碳化物的硬度极高V+C→VC、V+C→V₂C、V+C→V₄C₃，②钒元素促进珠光体形成并使之细化，还起到细化晶粒作用，还有一部分碳在激光熔凝的过程中和氧气反应成成二氧化碳极大的降低了熔凝层中的碳含量从而降低了熔凝层中的缺陷。

附图说明

图1为本发明方法工艺流程图；

图2为实施例1中蠕墨铸铁表面激光熔凝层层金相图片；

图3为实施例1中蠕墨铸铁表面激光熔凝层硬度曲线图片；

图4为实施例1中蠕墨铸铁表面激光熔凝层摩擦磨损率对比图片；

图5为实施例1中蠕墨铸铁表面激光熔凝层摩擦磨损系数对比图片；

图6为实施例1中蠕墨铸铁表面激光熔凝层耐腐蚀性对比图片

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的在一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法进行详细说明。

实施例一：

(1)在步骤一中用线切割将蠕墨铸铁基体进行切割形成试样，用砂纸将其表面打磨光洁，再用丙酮溶液将试样表面清洗干净，并吹干；

(2)在步骤二中所述的激光吸收层粉末由化合物KAlF4、k2SO4和、Sn、Mo、V、Ti元素组成，含量分别为

k2SO4＝1.5％、Sn＝0.06％、Mo＝0.8％、V＝2.8％、Ti＝2.7％，余量为KAlF4,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并放在喷壶中；

(3)使用加热炉对蠕墨铸铁进行预热处理，预热温度350℃，预热时间为10分钟；

(4)采用喷雾的方式将配制好的激光吸收层均匀地铺在基体表面，喷在基体上的厚度为0.4mm，并等待吸收层干燥；

(5)使用CO2激光器对上述激光吸收层进行激光辐照，激光器的输出功率2500W，宽光斑宽度为10mm，负离焦量150mm，扫描速度为5mm/s。保护气体为氩气，以使吸收层与基体表层同时熔化，最后形成的激光熔凝层，熔凝层厚度为0.9mm如图2，此熔凝层中含碳量得以明显的控制，具有更好的除碳效果，并使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的减少并增强了力学性能和抗氧化性等优点，摩擦磨损测试证明：激光熔凝处理后的蠕墨铸铁的平均磨损质量比未处理的蠕墨铸铁显著减少，平均摩擦系数显著减小，其耐磨减磨性能显著提高。

实施例二：

(1)步骤一：在步骤一中用线切割将蠕墨铸铁基体进行切割形成试样，用砂纸将其表面打磨光洁，再用丙酮溶液将试样表面清洗干净，并吹干；

(2)在步骤二中所述的激光吸收层粉末由化合物K3AlF6、k2SO4和、RE、Mo、B、Ti元素组成，含量分别为

k2SO4＝1.5％、Re＝0.05％、Mo＝0.8％、B＝1.5％、Ti＝2.7％，余量为K3AlF6,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并并放在喷壶中；

(4)采用喷雾的方式将配制好的激光吸收层均匀地铺在基体表面，喷在基体上的厚度为0.5mm，并等待吸收层干燥；

(5)使用CO2激光器对上述激光吸收层进行激光辐照，激光器的输出功率2700W，宽光斑宽度为10mm，负离焦量200mm，扫描速度为7mm/s。保护气体为氩气，以使吸收层与基体表层同时熔化，从而在基体表面形成熔凝层。最后形成的激光熔凝层，熔凝层厚度为1.2mm，此熔凝层中含碳量得以明显的控制，具有更好的除碳效果，并使得熔凝层的气孔、表面质量差等缺陷等已明显的减少并增强了力学性能和抗氧化性等优点，摩擦磨损测试结果与实施例1相似，平均摩擦系数显著减小，其耐磨减磨性能显著提高。

实施例三：

(2)在步骤二中所述的激光吸收层粉末由化合物K3AlF6、k2SO4和Cr、Mo、Cu、V元素组成，含量分别为

K3AlF6、k2SO4和Cr、Mo、Cu、V元素组成，含量分别为：

k2SO4＝1.5％、Cr＝0.3％、Mo＝0.8％、Cu＝0.4％、V＝2.8％，余量为K3AlF6,将所有成分混合均匀浸泡在乙醇中并并放在喷壶中；

(4)采用喷雾的方式将配制好的激光吸收层均匀地铺在基体表面，喷在基体上的厚度为0.6mm，并等待吸收层干燥；

(5)使用CO2激光器对上述激光吸收层进行激光辐照，激光器的输出功率2600W，宽光斑宽度为10mm，负离焦量250mm，扫描速度为3mm/s。保护气体为氩气，以使吸收层与基体表层同时熔化，从而在基体表面形成熔凝层。最后形成的激光熔凝层，熔凝层厚度为1.5mm，此熔凝层中含碳量得以明显的控制，具有更好的除碳效果，并使得熔凝层的气孔、裂纹等缺陷等已明显的减少并增强了耐磨减磨性能与耐腐蚀性能等优点，摩擦磨损测试结果与实施例1相似，平均摩擦系数显著减小，其耐磨减磨性能显著提高。

如图2所示，为蠕墨铸铁激光熔凝层，熔凝层无气孔、无裂纹，无单质碳，具有好的除碳效果。

如图3所示，实施例1中为激光熔凝处理条件下，激光熔凝后的熔凝层硬度以阶梯状依次降低，熔凝层硬度要比蠕墨铸铁基体硬度高出大约3倍，说明激光熔凝处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的硬度。

如图4所示，实施例1中为摩擦磨损实验后，激光熔凝处理条件下的平均磨损质量相比于蠕墨铸铁基材表面未处理的平均磨损质量小的多，磨损质量越小耐磨性能越好，说明激光熔凝处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的耐磨性。

如图5所示，实施例1中为摩擦磨损实验后，激光熔凝处理条件下的平均摩擦系数相比于蠕墨铸铁基材表面未处理的平均摩擦系数要小，摩擦系数越小减磨效果越好，说明激光熔凝处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的减磨性。

如图6所示，实施例1中为电化学腐蚀后，激光熔凝处理条件下的自腐蚀电流相比于蠕墨铸铁基材表面未处理条件下的自腐蚀电流小的多，自腐蚀电流越小耐腐蚀性越好，说明激光熔凝处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的耐腐蚀性。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围，实验结果与实施例1接近。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims

1.一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将蠕墨铸铁表面打磨并清洗；

步骤二：配制复合吸收材料粉末并浸泡在有机溶剂中，待步骤四使用；

步骤三：对步骤一处理后的蠕墨铸铁进行预热；

步骤四：采用喷雾方式将步骤二的复合吸收材料粉末喷在步骤三预热后的蠕墨铸铁上，形成激光吸收层；

步骤五：使用CO₂激光器对步骤四处理之后的蠕墨铸铁进行激光辐照，形成激光熔凝层；

所述步骤二中,复合吸收材料粉末的化学成分各元素质量百分比为：K₂SO₄：1％～2％、Sn≤0.2％、Mo：0.5％～1％、V：2％～3％、Ti：2％～3％、KAlF₄：余量；或者，K₂SO₄：1％～2％、Re≤0.1％、Mo：0.5％～1％、B：2％～3％、Ti：2％～3％，K₃AlF₆：余量；或者，K₂SO₄：1％～2％、Cr ≤ 1％、Mo：0.5％～1％、Cu≤1％、V：2％～3％，K₃AlF₆：余量。

2.根据权利要求 1 所述的一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于：所述步骤三中，预热温度为350℃，预热时间为10分钟。

3.根据权利要求 1 所述的一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于：所述步骤五中，激光辐照的工艺参数为：激光器的输出功率为2500W -2700W，宽光斑宽度为10mm，负离焦量为150-250mm，扫描速度为3-7mm/s，保护气体为氩气。

4.根据权利要求 1 所述的一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于：所述步骤五中，激光熔凝层厚度为0.9mm-1.5mm且无缺陷无裂纹。

5.根据权利要求 1 所述的一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于：所述步骤四中，采用喷雾方式将复合吸收粉末均匀地喷雾在蠕墨铸铁表面形成0.4mm-0.6mm的激光吸收层，并等待激光吸收层干燥。

6.根据权利要求 1 所述的一种蠕墨铸铁表面激光熔凝方法，其特征在于：所述步骤一中，用线切割将所述蠕墨铸铁进行切割形成试样，用砂纸将蠕墨铸铁表面打磨光洁，再用丙酮溶液将试样表面清洗干净，并吹干。