CN109706449B - 一种修复盾构机主轴承的涂层材料及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复盾构机主轴承的涂层材料及工艺方法，属于表面处理技术领域。本发明公开的一种修复盾构机主轴承的涂层材料，由以下质量百分比组分组成：0.53～0.60％C、0.8～1.1％Si、0.5～0.8％Mn、0.9～1.2％Cr、0.15～0.30％Mo、0.10～0.20％W、0.05～0.1％Cu、余量为Fe和不可避免的杂质，各组分质量百分数相加等于百分之百。通过激光熔覆工艺将上述粉末用于修复盾构机主轴承，使主轴承滚道面激光熔覆耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳涂层，实现主轴承寿命的延期，从而实现盾构机寿命延期，并对生产成本的降低起到了良好作用。

Description

一种修复盾构机主轴承的涂层材料及工艺方法

技术领域

本发明公开了一种修复盾构机磨损主轴承滚道面的材料及工艺方法，特别涉及用激光熔覆工艺制备耐磨损抗疲劳涂层，属于表面处理技术领域。

背景技术

盾构机是目前广泛用于城市轨道交通建设，地下管道等城市地下空间，铁路及公路隧道工程等大型工程装备。盾构机再制造使用在2016年已经逐步形成态势，再制造的盾构机已开始运用于地铁施工当中，效果良好，盾构机由于其特殊的施工要求，经常是使用一个工程段，整台盾构机就报废了，但是盾构机作为主要掘进设备，投资巨大，在使用几个标段就将其报废，不符合我国建设循环经济和绿色制造的方向。同时盾构机本身体积大、多模块、高附加值的特点，因此对其进行再制造具有十分明显的社会价值和经济价值。

主轴承是盾构机运作中最为受力的一个核心部件，需要很好的耐久性和可靠性，它位于盾构机刀盘系统上，盾构机的旋进、掘进等工作，主要就是靠主轴承来推进的，其价值巨大，以前盾构机主轴承均由国外进口，只能依靠国外技术，严重制约着我国盾构机技术的发展。目前，我国已具备自行研制并生产盾构机主轴承且使用效果良好。当前，我国盾构机使用量为1000多台，如果在用主轴承在寿命期后全部报废，不仅采购成本巨大，作为盾构机的核心部件其重量之大也是一个巨大的浪费，因此，再制造盾构机主轴承很有必要，“以旧换新”使其重新恢复生命继续发挥其价值，其意义非常重大。

激光熔覆技术是一种高效、节能和环保的表面改性技术，它通过熔覆材料在基体表面快速熔凝，提高材料的表面性能，与传统的表面改性技术相比，激光熔覆具有熔覆层稀释率低、使用材料体系范围广、结合强度高、对基体材料热影响较小、可对失效零部件进行部分修复、涂层厚度可控、易于实现自动化等优点，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温抗氧化等性能，同时降低贵重金属的消耗。因此，将激光熔覆工艺应用于主轴承修复，通过合金粉末的熔覆使磨损的滚道表面实现修复，使之具有耐磨损、抗疲劳涂层，且修复成功率高。

发明内容

本发明的目的在于提供盾构机主轴承再制造的一种修复粉末材料及修复工艺方法，通过此工艺，使主轴承滚道面激光熔覆耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳涂层，实现主轴承寿命的延期，从而实现盾构机寿命延期。

本发明公开的一种修复盾构机主轴承的涂层材料，由以下质量百分比组分组成：0.53～0.60％C、0.8～1.1％Si、0.5～0.8％Mn、0.9～1.2％Cr、0.15～0.30％Mo、0.10～0.20％W、0.05～0.1％Cu、余量为Fe和不可避免的杂质，各组分质量百分数相加之和等于百分之百。

其中，各组分粒度≤400目。

本发明用于修复盾构机主轴承的粉末制备方法：将上述粒度≤400目的粉末按质量比进行配比，放置于混料机中进行混合，使用时进行真空干燥处理。

本发明用于修复盾构机主轴承再制造的工艺方法，包括以下工艺步骤：先用磨床加工掉磨损滚道表面，去除表面点蚀坑和疲劳层，然后在轴承滚道表面用同步送粉气氛保护的方法激光熔覆一层2.0-3.0mm耐磨抗疲劳功能层，对激光熔覆修复后的主轴承滚面进行热处理，最后精加工至规定尺寸和精度。本发明激光熔覆技术用于盾构机主轴承再制造，与以往的生产制造工艺与方法相比，生产成本降低，轴承修复的风险小，修复主轴承后使用寿命长。

一种修复盾构机主轴承再制造的工艺方法，包括以下步骤。

①磨削去疲劳层。

将磨损盾构机主轴承的磨损表面进行磨削加工，去除磨损表面的疲劳层和点蚀坑，得到光洁的滚道表面。

②无损检测。

对滚道表面进行渗透探伤检测有无裂纹，若有裂纹，局部继续磨削至无裂纹。

③激光熔覆。

在处理后的滚道表面，利用光纤激光器，配合激光同步送粉装置，激光熔覆一层厚度为2.0-3.0mm抗疲劳耐磨的功能层；所采用光纤激光器，其参数为：聚焦镜焦距f＝ 300mm；熔覆功率P＝2500～ 3000W ；光斑直径 D＝3mm ；熔覆扫描速率V＝ 1000～2000mm/min；搭接率 50％ 。

④热处理。

将步骤③激光熔覆修复后的盾构机主轴承滚面，采用陶瓷履带包覆方式进行热处理，热处理工艺：淬火，（840±10）℃保温30~60分钟出炉水淬空冷；回火，300℃回火，保温60分钟出炉空冷；包覆陶瓷履带的滚道自然冷却。

⑤精加工至规定尺寸和精度。

上述的激光熔覆过程采用专供的激光熔覆保护头及同步送粉装置，配有拖尾罩保护装置，熔池附近局部氧含量50ppm，能够形成良好的氩气气氛保护环境。

上述热处理方式采用圆周式带温控反馈的陶瓷履带包覆热处理装置。

上述激光熔覆功能层硬度为HRC58～HRC60。

本发明的有益效果在于。

（1）C含量控制在0.53～0.60%，保证熔覆层能耐冲击，又有足够的强度，能够形成强碳化物，回火过程中能析出MC而产生二次硬化效应。

（2）Mo在轴承钢主要作用是提高淬透性、改善力学性能，特别是提高韧性，此外还能提高钢的耐磨性。

（3）本发明中同时填入W和Cu，主要是提高了熔覆层耐缝隙腐蚀性能，在W、Mo比为（1-2）：（1.5-3）范围内，W的加入有助于Mo元素发挥其高淬透性，两元素之间的协同作用发挥了其最优性能。

（4）本发明熔覆装置采用良好的气氛保护装置，熔覆层中无气孔、缺陷及夹杂物，熔覆层纯净度高，热处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力。

（5）本发明利用激光高能速良好的稳定性及合金与涂层良好的润湿性能，加之良好的气氛保护装置，制备了耐磨损耐腐蚀抗疲劳合金涂层材料，提高了盾构机主轴承使用寿命。

以往盾构机主轴承主要依赖于进口件，价格较昂贵；近些年，主轴承已能够实现国产化，但在技术上还有局限性，使用寿命受到限制，主要还是由于腐蚀磨损造成滚道面失效；也有采用热喷涂技术进行表面改性，但由于喷涂技术及喷涂材料限制其发挥作用，例如喷涂不稳定，合金元素比重不同造成喷涂偏析等问题。本发明利用激光高能速良好的稳定性及合金与涂层良好的润湿性能，加之良好的气氛保护装置，制备了耐磨损耐腐蚀抗疲劳合金涂层材料，大大解决了上述问题，使用寿命了得到了提高。

具体实施方式

本发明实施例中的盾构机主轴承材质为42CrMo。

实施例1。

所采用粉末的成分按重量百分比由0.60％C，1.1％Si，0.8％Mn，1.2％Cr，0.3％Mo，0.2％W，0.1％Cu，余量为Fe和不可避免的杂质组成，其各成分的粒度≤400目。

按上述成分比例准备将粒度≤400目的粉末进行配比，放置于混料机中进行混合，使用时进行真空干燥处理。

熔覆方法按以下步骤进行。

①磨削去疲劳层。

将磨损盾构机主轴承的磨损表面进行磨削加工，去除磨损表面的疲劳层和点蚀坑，得到光洁的滚道表面。

②无损检测。

对滚道表面进行渗透探伤检测有无裂纹，若有裂纹，局部继续磨削至无裂纹。

③激光熔覆。

在处理后的滚道表面，利用光纤激光器，配合激光同步送粉装置，激光熔覆一层厚度为3.0mm抗疲劳耐磨的功能层；所采用光纤激光器，其参数为：聚焦镜焦距 f＝ 300mm ；熔覆功率 P ＝ 3000W ；光斑直径 D ＝ 3mm ；熔覆扫描速率 V ＝ 2000m/min；搭接率50％。

④热处理。

将步骤③激光熔覆修复后的盾构机主轴承滚面采用陶瓷履带包覆方式进行热处理，热处理工艺：淬火，（840±10）℃保温30~60分钟出炉水淬空冷；回火，300℃回火，保温60分钟出炉空冷。

熔覆层厚度2.0mm，表面硬度为HRC59。

对熔覆后的主轴承滚道面工作面进行无损探伤，加工部位无裂纹、气孔等缺陷；样件置于实验室模拟试验场中，疲劳寿命达到了10000小时。

实施例2。

所采用粉末的成分按重量百分比由0.53％C、0.8％Si、0.5％Mn、0.9％Cr、0.15%Mo、0.10％W、0.05％Cu、余量为Fe和不可避免的杂质组成，其各成分的粒度≤400目。

粉末制备方法同实施例1。

熔覆方法同实施例1，不同点在于：激光熔覆工艺参数为：聚焦镜焦距f＝ 300mm ；熔覆功率P＝2500W ；光斑直径 D＝3mm ；熔覆扫描速率V＝ 1000mm/min；搭接率 50％；熔覆完成后形成的熔覆层厚度2.0mm。

实施例3。

所采用粉末的成分按重量百分比由0.55％C，1.0％Si，0.8％Mn，1.2％Cr，0.25％Mo，0.20％W，0.10％Cu，余量为Fe和不可避免的杂质组成，其各成分的粒度≤400目。

粉末制备方法同实施例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＝300mm，激光功率P＝2800W，聚焦光斑直径：D＝3mm，扫描速度V＝1500mm/min，搭接率T＝50％，熔覆完成后形成的熔覆层厚度3.0mm，表面硬度为HRC60。

对熔覆后的主轴承滚道面工作面进行无损探伤，加工部位无裂纹、气孔等缺陷；样件置于实验室模拟试验场中，疲劳寿命达到了10000小时。

Claims (1)

1.一种修复盾构机主轴承的涂层材料，其特征在于，所述涂层材料由以下质量百分比组分组成：0.53～0.60％C、0.8～1.1％Si、0.5～0.8％Mn、0.9～1.2％Cr、0.15～0.30％Mo、0.10～0.20％W、0.05～0.1％Cu、余量为Fe和不可避免的杂质，各组分质量百分数相加之和等于百分之百；

所述涂层材料用于修复盾构机主轴承再制造的工艺方法，具体包括以下步骤：

①磨削去疲劳层

将磨损盾构机主轴承的磨损表面进行磨削加工，去除磨损表面的疲劳层和点蚀坑，得到光洁的滚道表面；

②无损检测

对滚道表面进行渗透探伤检测有无裂纹，若有裂纹，局部继续磨削至无裂纹；

③激光熔覆

将质量百分比组分组成为0.53～0.60％C、0.8～1.1％Si、0.5～0.8％Mn、0.9～1.2％Cr、0.15～0.30％Mo、0.10～0.20％W、0.05～0.1％Cu、余量为Fe和不可避免杂质的粉末，进行激光熔覆；激光熔覆具体工艺为：激光同步送粉，熔覆一层厚度为2.0-3.0mm抗疲劳耐磨的功能层，具体参数为：聚焦镜焦距f＝300mm；熔覆功率P＝2500～3000W；光斑直径 D＝3mm；熔覆扫描速率V＝ 1000～2000mm/min；搭接率 50％；

④热处理

将激光熔覆后的盾构机主轴承滚面，采用陶瓷履带包覆方式进行热处理，热处理工艺：淬火，840±10℃保温30~60分钟出炉水淬空冷；回火，300℃回火，保温60分钟出炉空冷；包覆陶瓷履带的滚道自然冷却；

⑤精加工至规定尺寸和精度。