CN109055932A - 一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末及其修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮的修复用合金粉末及其修复方法，具体公开了一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末以及利用激光熔覆修复的方法。所述合金粉末的化学成分及其质量百分比为：25~40%WC、1.5~2.5%Ni、3.0~5.0%Mo、7.0~8.0%Cr、1.5~2.5%C、余量Fe和不可避免的杂质元素。其中，WC来自钢结硬质合金的机械破碎粉末，合金元素添加选用低成本铁合金粉末。所述修复方法为：利用连续激光器对待修复齿面进行预置式激光熔覆，多层熔覆后得到3~5mm的熔覆层；齿形加工并进行最终热处理。本发明所述的修复用合金粉末具有低成本、无污染等优点，同时利用其修复后的重载齿轮表面硬度较高、耐磨性良好，性能优于传统方法制造的齿轮。

Description

一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末及其修复 方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮的修复用合金粉末及其修复方法，尤其涉及一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末以及利用激光熔覆修复的方法。

背景技术

重载齿轮作为传动系统中相当重要的一环，其的工作环境也是十分严酷。如汽车变速箱中的低速挡齿轮就是典型的重载齿轮，在使用过程中受周期应力、冲击载荷、热变形等的作用，失效方式有磨粒磨损、黏着磨损、疲劳点蚀、过量塑性变形，长期使用可造成齿轮齿廓出现尺寸超差、磨损沟槽、局部断裂，导致齿轮失效。

目前主流的的齿轮修复技术有堆焊、感应重熔、激光熔覆等。堆焊技术应用最为广泛，其形成的表面组织与基体结合强度高，但其组织粗大且不均匀，热影响区大，堆焊层易开裂是其主要缺点。感应重熔技术形成的组织性能较好，但因工艺原理的限制而在生产应用中不够灵活，这种技术在棒状或筒状零件上应用较多，在不规则形状的零件上应用起来比较困难，且可加工零件的大小受到感应器尺寸的限制。激光熔覆作为近年来兴起的表面工程技术因其优异的综合性能而被给予足够的重视，并且因为产业的规模化而使其成本逐渐降低，得以被广泛应用在生产实际中。与以上两种传统的修复技术相比，激光熔覆技术主要有以下优点：熔覆层与基体为冶金结合；热影响区极小；组织极细；通过结合编程可以精确控制熔覆区域的形状和大小，在各种尺寸和形状的零件上均可灵活运用。

激光熔覆合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钻基合金及复合合金粉末等。近年来也出现了在合金粉末体系中加入一定量的高熔点碳化物、氮化物和氧化物陶瓷颗粒等，以制得金属陶瓷复合涂层甚至纯陶瓷涂层来提高熔覆层的耐磨性。但大量添加合金元素和硬质颗粒使得制造涂层的成本变得十分昂贵，在生产实际中的运用受到限制。

针对上述问题本发明充分利用钢结硬质合金废料中的碳化物硬质相与合金元素，在钢结硬质合金破碎后的粉末中补充适量低成本铁合金后用作重载齿轮修复的材料，同时选择性能优异且适应性良好的激光熔覆作为修复手段，在修复成本得到大幅降低的基础上，使得修复后的重载齿轮拥有优秀的耐磨性和疲劳强度，能够在苛刻的条件下稳定服役。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种方便、无污染且经济性良好的重载齿轮修复材料及其修复方法，以降低重载齿轮的修复成本，提高齿轮的耐磨损和抗疲劳性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用硬质合金废料的重载齿轮的修复用合金粉末，其特征在于合金粉末总体的化学成分及其质量百分比为： 25～40％WC、1.5～2.5％Ni、3.0～5.0％Mo、7.0～8.0％Cr、1.5～2.5％C、余量Fe和不可避免的杂质元素。其中，WC为主要成分是WC、Cr、Mo、C和Fe的GW50或GJW50 钢结硬质合金的60-80目的机械破碎粉末，合金元素的添加具体为：Ni选用 60-100目的回收还原镍粉，Cr、Mo和Fe分别采用60-100目的高碳铬铁、60-100 目的钼铁和60-100目还原铁粉补充，C以活性炭粉补充。

本发明还提供了基于上述修复用合金粉末的修复方法，具体包括以下步骤：

步骤1)对待修复齿轮表面进行清洗脱脂以及表面除锈处理；

步骤2)按权利要求1所述比例称量修复合金粉末，将其放入球磨机中球磨 10～20小时，球磨介质为无水乙醇，磨球为直径3-8mm的硬质合金球，将球磨后的粉末放入干燥箱中烘干；

步骤3)将烘干后的粉末与水玻璃或有机粘结剂充分混合成糊状，涂覆于齿轮待修复齿面，使其自然风干，所述合金粉末的涂覆厚度为0.5～1mm；

步骤4)用连续激光器对所述齿轮上的糊状粉末进行熔覆，所述的连续激光器功率为2～4kW，扫描速度为10～15mm/s,光斑直径为4mm，搭接率40％；

步骤5)重复步骤3)和步骤4)得到厚度为3～5mm的熔覆层；

步骤6)对齿轮进行齿形加工；

步骤7)进行最终热处理。

所述步骤1)中对齿轮的清洗和除锈具体操作为：使用丙酮清洗齿轮表面洗去残留的油脂，再用粗砂纸对锈蚀部分进行打磨然后进行酸洗去除齿轮上的锈，最后用水清洗去除酸洗时残留的酸。

所述步骤6)中齿形加工的具体操作为：根据齿轮的分度圆直径，齿根高系数和齿顶高系数结合变位系数计算得齿轮的齿形数据，用齿形数据进行CNC编程获得齿形加工程序，将程序输入数控铣齿机床完成对齿轮的齿形加工。

所述步骤7)中最终热处理的及具体操作为：对齿轮进行低温退火。

本发明具有以下优点：

1.本发明所述合金粉末中合金元素的有利作用有：Cr起到了固溶强化和钝化作用，提高了熔覆层的疲劳强度和耐腐蚀性；Ni改善了熔覆层的成形性，提高了金属元素与硬质相的润湿性，使硬质相与基体金属能更好结合，减少熔覆过程中的开裂风险；Mo进一步提高了熔覆层的抗磨损性能。

2.本发明利用硬质合金废料中的碳化物硬质相以及低成本铁合金代替碳化物颗粒和纯金属粉末，在保证熔覆层性能的前提下大幅降低原料成本。

3.本发明采用激光熔覆作为修复手段，得到与齿轮基体形成冶金结合的熔覆层，在恶劣的服役条件下不易发生剥离，同时有着比基体材料更优良的耐磨性能，使修复后的齿轮使用寿命优于原齿轮。

4.本发明中对熔覆层做低温退火热处理可以使组织均匀化，减少表面残余拉应力，避免服役过程中的开裂，同时也不会过度降低熔覆层表面的硬度。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的其他优点及作用。

1.修复用合金粉末的成分设计

本实施方式中一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末按质量百分比由25～40％WC、1.5～2.5％Ni、3.0～5.0％Mo、7.0～8.0％Cr、1.5～2.5％C、余量为 Fe和不可避免的杂质元素组成，具体使用的粉末为：GW50和GJW50钢结硬质合金中的一种，也可以是两者混合的60-80目的机械破碎粉末、60-100目的回收还原镍粉、60-100目的高碳铬铁粉、60-100目的钼铁粉、还原铁粉和活性炭粉。

2.基于上述修复用合金粉末的修复方法

以上述配比的修复用合金粉末作为修复材料，以激光熔覆作为修复方法对齿轮进行修复，具体步骤为：

步骤1)使用丙酮清洗齿轮表面洗去残留的油脂，再用粗砂纸对锈蚀部分进行打磨然后进行酸洗去除齿轮上的锈，最后用水清洗去除酸洗时残留的酸；

步骤2)按照元素的质量百分比精确的称重配比，将称量好的粉末材料与硬质合金磨球一同放入球磨机的球磨罐中球磨16小时，球磨介质为无水乙醇，球料比为3:1，将球磨好的粉末放入干燥箱中烘干，根据需要球磨时间也可以在 10～20小时间调整；

步骤3)将烘干后的粉末与适量水玻璃充分混合成糊状，涂覆于齿轮各个需要修复的齿面，并用铁片等工具压平，使其自然风干，控制涂覆层厚度为在 0.5～1mm之间；

步骤4)用连续激光器对所述齿轮上的糊状粉末进行熔覆，调节连续激光器功率为4kW，扫描速度为15mm/s,光斑直径为4mm，搭接率40％，视熔覆层形成质量和现实条件激光器功率和扫描速度可以在2～4kW和10～15mm/s间调整；

步骤5)重复步骤3)和步骤5)得到厚度为3～5mm的熔覆层，熔覆层厚度可根据被修复齿轮的磨损程度和齿形数据适当调整；

步骤6)对齿轮进行齿形加工，根据齿轮的分度圆直径，齿根高系数和齿顶高系数结合变位系数计算得齿轮的齿形数据，用齿形数据进行CNC编程获得齿形加工程序，将程序输入数控铣齿机床完成对齿轮的齿形加工；

步骤7)进行最终热处理，对齿轮进行低温退火。

3.修复后齿轮的表面硬度及耐磨性

1)表面硬度试验

用HR-150A型洛氏硬度计进行硬度试验，利用线切割从轮齿上切割得若干方形试样以便于试验，对多个试样的激光熔覆层表面进行测试并计算平均值，其硬度为HRC65.4。

2)磨损试验

齿轮用MFZG-1W型齿轮磨损试验机进行齿轮磨损试验，试验齿轮的参数为：

其余试验条件为：载荷固定为9级，油温为室温15～25℃，润滑方式为浸入式润滑，取三对相同参数的齿轮分别测试大齿轮在转速为225r/min、300r/min、 450r/min时运转80000转时的磨损量，试验前后用丙酮清洗齿轮并干燥称重。试验结果见表1

从表1可看出试验前后齿轮的质量变化很小，且齿面磨损后几乎无大尺度划痕与裂纹，表明修复后的齿轮具有优良的耐磨损性能。

表1

Claims (5)

1.一种利用硬质合金废料的重载齿轮修复用合金粉末，其特征在于合金粉末总体的化学成分及其质量百分比为：25~40%WC、1.5~2.5%Ni、3.0~5.0%Mo、7.0~8.0%Cr、1.5~2.5%C、余量Fe和不可避免的杂质元素；其中，WC为主要成分是WC、Cr、Mo、C和Fe的GW50和GJW50钢结硬质合金的机械破碎粉末，合金元素的添加具体为：Ni选用60-100目的回收还原镍粉，Cr、 Mo和Fe分别采用60-100目的高碳铬铁、60-100目的钼铁和60-100目还原铁粉补充，C以活性炭粉补充。

2.一种基于权利要求1所述修复用合金粉末的重载齿轮修复方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1）对待修复齿轮表面进行清洗脱脂以及表面除锈处理；

步骤2）按权利要求1所述比例称量修复合金粉末，将其放入球磨机中球磨10~20小时，球磨介质为无水乙醇，磨球为直径3-8mm的硬质合金球，将球磨后的粉末放入干燥箱中烘干；

步骤3）将烘干后的粉末与水玻璃或有机粘结剂充分混合成糊状，涂覆于齿轮待修复齿面，使其自然风干，所述合金粉末的涂覆厚度为0.5~1mm；

步骤4）用连续激光器对所述齿轮上的糊状粉末进行熔覆，所述的连续激光器功率为2~4kW，扫描速度为10~15mm/s,光斑直径为4mm，搭接率40%；

步骤5）重复步骤3）和步骤4）得到厚度为3~5mm的熔覆层；

步骤6）对齿轮进行齿形加工；

步骤7）进行最终热处理。

3.根据权利要求2所述的一种以上述合金粉末作为修复材料的重载齿轮修复方法，其特征在于，所述步骤1）中对齿轮的清洗和除锈具体操作为：使用丙酮清洗齿轮表面洗去残留的油脂，再用粗砂纸对锈蚀部分进行打磨然后进行酸洗去除齿轮上的锈，最后用水清洗去除酸洗时残留的酸。

4.根据权利要求2所述的一种以上述合金粉末作为修复材料的重载齿轮修复方法，其特征在于，所述步骤6）中齿形加工的具体操作为：根据齿轮的分度圆直径，齿根高系数和齿顶高系数结合变位系数计算得齿轮的齿形数据，用齿形数据进行CNC编程获得齿形加工程序，将程序输入数控铣齿机床完成对齿轮的齿形加工。

5.根据权利要求2所述的一种以上述合金粉末作为修复材料的重载齿轮修复方法，其特征在于，所述步骤7）中最终热处理的及具体操作为：对齿轮进行低温退火。