CN110035865A - 使用具有金刚石的表面硬化材料的柔性索进行激光镀覆 - Google Patents

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Abstract

一种对部件(30)进行表面硬化的方法包括产生激光束(60)并将激光束(60)引导到部件(30)的磨损表面的区域。该方法包括将镀覆材料的柔性索(10)送入激光束(60)中以熔化柔性索(10)并在磨损表面上产生镀覆材料的突缘(40)。柔性索(10)包括由包含金刚石颗粒(20)的耐磨擦和耐磨损材料的附聚物围绕的内金属丝(26)。该方法还包括沿着磨损表面移动激光束(60)和柔性索(10)，以在部件(30)的磨损表面上产生镀覆层。

Description

使用具有金刚石的表面硬化材料的柔性索进行激光镀覆
技术领域
本发明涉及一种激光镀覆方法，更具体地说，涉及一种使用具有金刚石的表面硬化材料的柔性索进行激光镀覆的方法。
发明背景
许多地面接合工具、钻头、冷铣刨机、路面铣刨工具、沥青镐、采矿镐、锤子和其他耐磨损工具均会经历磨擦状况，这会导致部件的加速磨损。这种磨损可能导致操作问题，比如地面接合工具和路面沉降工具的性能不佳、对操作耐磨损工具的机器部件的需求增加，以及由于必须经常更换磨损部件而导致的成本和停机时间。因此，一些磨损部件制造成具有增强的材料特性的磨损表面。
硬度等特性是决定金属耐磨损性的重要因素。硬度涉及金属对刮擦或磨擦的耐受力。金属的硬度越高，其耐磨损性越强。在一些情况下，在制造金属部件之后，可以执行热处理操作以增加部件表面的硬度。作为热处理操作的结果，部件表面处的材料层可以具有比部件的主体更高的硬度。在经历磨损的表面处增加的硬度改善了耐磨损性并延长了部件的使用寿命。尽管通常表面硬化改善了耐磨损性，但是对于经受非常高的磨损率的部件来说，由热处理操作产生的增加的表面硬度可能不足以有益地改善耐磨损性。这些部件可以被表面硬化，然后进行热处理以进一步改善耐磨损性。
表面硬化是一种在金属部件上沉积耐磨损表面以延长使用寿命的低成本方法。美国焊接协会将表面硬化定义为“一种表面加工变化，其中表面加工材料沉积以减少磨损。”术语“表面加工”定义为“通过将一层或多层或材料……焊接到表面以获得所需的特性或尺寸而不是形成接头来进行施加。”(《AWS A3.0标准焊接术语和定义》)。与涉及改变部件表面的微观结构和机械性能的硬化热处理操作相反，表面硬化涉及在部件的基材上沉积新材料。通常，镀覆材料可具有与基材相似或不同的组成。可以使用多种焊接(或镀覆)技术来执行表面硬化。这些已知技术可大致分为三类：电弧焊(或电弧镀覆)、热喷涂和基于激光的镀覆。本发明涉及使用激光镀覆工艺对金属部件进行表面硬化。
令人满意的是，已将各种表面硬化材料用于钻头、路面沉降工具和其他耐磨损工具。常用的表面硬化材料包括合金钢基质沉积物中的烧结碳化钨(WC)颗粒。其他形式的碳化钨颗粒可包括碳化一钨、碳化二钨和/或粗晶碳化钨的晶粒。Hall等人的美国专利第7,469,972号(“'972专利”)公开了一种耐磨损工具，其包含通过钎焊在界面处化学键合在一起的第一和第二烧结金属碳化物片段。其中一个金属碳化物片段可以粘合到超硬材料，比如多晶金刚石。使用'972专利中公开的方法制造的耐磨损工具的成本可能由于使用粘合到工具的接触表面的大块多晶金刚石而非常昂贵。另一方面，在合金钢基质沉积物中仅使用碳化钨颗粒进行表面硬化的较划算的方法可能无法提供所需的抗磨损和侵蚀保护水平，因此可以在控制材料和方法的成本的同时从提高耐磨损性的解决方案中受益。
本发明的方法旨在解决上述问题中的一个或多个和/或本领域的其他问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种对部件进行表面硬化的方法。该方法可包括产生激光束并将激光束引导到部件的磨损表面的区域，并将镀覆材料的柔性索送入激光束中以熔化柔性索并在磨损表面上产生镀覆材料的突缘。柔性索可包括由包含金刚石颗粒的耐磨擦和耐磨损材料的附聚物围绕的内金属丝。该方法可以包括沿着磨损表面移动激光束和柔性索，以在部件的磨损表面上方产生镀覆层。
在另一方面，本发明涉及一种激光镀覆材料的柔性索。柔性索可包括中心金属丝和围绕中心金属丝的附聚物。附聚物可包括金属基质、有机粘合剂和包括金刚石颗粒的硬质颗粒。
在又一方面，本发明涉及激光镀覆工艺。激光镀覆工艺可包括产生激光束并将激光束引导到部件的磨损表面的区域，并将镀覆材料的柔性索送入激光束中以熔化柔性索并在磨损表面上产生镀覆材料的突缘。柔性索包括由耐磨擦和耐磨损材料的附聚物围绕的内金属丝。附聚物含有金属基质、有机粘合剂和金刚石颗粒，并形成糊状物，该糊状物被挤出到内金属丝上并使其干燥和硬化以形成柔性索。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的用于形成用于激光镀覆操作的激光镀覆材料的柔性索的示例性方法的示意图；以及
图2是使用图1的柔性索的激光镀覆工艺的示意图。
具体实施方式
加工耐磨损材料既困难又昂贵。因此，可以形成具有所需配置的金属磨损部件，并且随后可以通过直接硬化金属部件(渗碳和氮化)或者根据所需的耐磨损量通过在表面上施加一层耐磨损材料(表面硬化)来处理部件的表面。对于需要抵抗金属部件或基板的工作表面极端磨损的应用，可以将具有一层坚硬耐磨损材料的金属基质沉积物的表面硬化物施加到磨损部件上的工作表面以保护底层基板。
磨损部件上的表面硬化材料可以是嵌入金属基质沉积物中的坚硬耐磨损材料的混合物，其通过形成冶金结合而与基板表面熔合，以确保表面硬化物与基板的均匀粘附。对于一些应用，诸如碳化钨和/或钴合金的耐磨损材料放置在钢管中，该钢管在表面硬化物与基板的焊接期间用作焊条。这种施加表面硬化物的技术有时被称为“管条焊接”。应用管条的碳化钨/钴表面硬化物已经成功地延长了钻头和其他井下工具的使用寿命。
图1是根据本发明的示例性实施方式的用于形成柔性索(在本文中也称为“柔性线”)10的方法的示意图，该柔性索10包括在金属基板30的表面上的激光镀覆操作中使用的表面硬化材料(图2)。基板30可以由各种具有所需冶金特性，例如可加工性、韧性、热处理性和耐侵蚀性的金属合金形成。例如，基板30可以由与用于铣削路面的冷铣刨机上使用的工具头的制造或者在使用期间经受磨损的其他工具相关联的各种钢合金形成。可以在各种工具，例如路面研磨工具、锯、凿子、铣削工具、地面接合工具和其他可以受益于防磨擦、侵蚀和/或磨损的工具的任何表面上进行通过激光镀覆的表面硬化。
根据本发明的实施例的柔性线10使得能够实施连续激光镀覆工艺，其中可以一致且精确地控制均匀的激光镀覆材料的附聚物的送入和沉积速率。柔性线10的柔性有利于将激光镀覆材料应用在使用更刚性的焊条不易接近的表面上或在当使用管条焊接技术施加耐磨损材料时应用。柔性线10还有助于在激光镀覆操作期间施加激光镀覆材料的均匀分布。与使用含有诸如碳化钨和金刚石的硬质材料的松散粉末的激光镀覆技术相比，包含散布的硬质颗粒(诸如金刚石粒料)的柔性线10在整个金属基质中混合，这确保了表面硬化材料的均匀金属基质沉积物被施加在作为一个部分的激光镀覆部件的整个表面上。
柔性线10的长度可以通过各种不同方法和送入装置中的任何一种连续地送入由激光装置52产生的激光束60的路径中。激光束60可以通过各种镜子、透镜和其他光学装置(未示出)聚焦到基板30的表面上，并且激光束60和基板30中的至少一个可以在激光镀覆操作期间相对于它们中的另一个移动。柔性线10的一端送入基板30表面处的激光束60的路径中并被激光束加热，以在表面上形成表面硬化材料的熔融突缘40。柔性线10的末端和激光束60可以以前后图案或其他相对运动模式在基板30的表面上移动，以导致在表面上形成熔融镀覆材料的连续突缘40。在根据本发明的激光镀覆方法的各种实施方案中，激光束60和柔性线10可相对于基板30的表面移动，同时基板保持在固定位置，或基板30可相对于固定的激光束移动，而柔性线10被送入光束中。在更进一步的替代实施方式中，当突缘40形成在基板30的表面的期望部分上时，所有激光束60、柔性线10和基板30可以相对于彼此移动。
柔性线10可以通过在金属丝26的周围并沿着金属丝26的长度挤出具有糊状物稠度的附聚物，并使浆料干燥并硬化以粘附到金属丝26上并形成一段柔性索而形成。金属丝可以由诸如镍(Ni)之类的柔韧金属制成，使得在将附聚物施加到金属丝上并且附聚物已经干燥和硬化之后，所得到的柔性线10将保持足够的柔韧性。其他金属如钛(Ti)也可用于电线。柔性线10的柔性允许更精确地控制镀覆材料沿着对于刚性杆或镀覆材料管而言可能是不容易接近的基板表面的应用。另外，柔性线允许沿着基板更均匀地施加激光镀覆材料，而不是当镀覆材料以粉末形式提供时可以获得。在柔性线10的中心处的金属丝26可以包括镍(Ni)、铜(Cu)、钛(Ti)或当暴露于激光束时将熔化并形成镀覆的期望部件的另一种金属。附聚物可以形成为表面硬化材料和有机粘合剂的共混物，并且可以包括金属基质22、有机粘合剂24和金刚石粒料20、21。当柔性线10和激光束60相对于表面移动以形成熔融突缘40时，附聚物和金属丝26将在暴露于激光束时熔化并沿着基板30的表面形成金属基质沉积物。
可以通过用一层保护性涂层21涂覆和包封非常小的金刚石颗粒20的金刚石颗粒或附聚物来形成金刚石粒料。保护性涂层21保护金刚石颗粒在激光镀覆期间不暴露于足够的热量，以使金刚石被任意降解回碳(石墨化)，以及有助于金刚石颗粒与周围材料的结合。石墨化是金刚石的微观结构变化，其导致金刚石的化学降解，并且可能在约600℃的温度下发生。因此，在激光镀覆期间的温度可能达到1700℃时，必须保护金刚石颗粒不暴露于那些温度以保持其所需的特性。保护性涂层21还增加了低密度金刚石颗粒的质量，因此在金属基质22、有机粘合剂24和金刚石粒料20、21的混合过程中防止金刚石颗粒通过附聚物迁移。因此，保护性涂层21确保金刚石颗粒20在整个通过将柔性线10熔化到基板30的表面上而产生的镀覆层中更均匀的分布。用保护性涂层21包封金刚石颗粒20的各种方法可包括电解、无电镀和电镀。保护性涂层21均匀地包封金刚石颗粒20，并且是由于电镀工艺已经冶金结合到金刚石颗粒20外部的硬质材料层。保护性涂层21也可以由包括各种金属合金和金属陶瓷，诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物的可烧结材料形成。在本发明的各种示例性实施方式中，金刚石颗粒20可以是直径小于20微米(μm)的非常小的金刚石颗粒或者是直径大约是250微米(μm)±10％或更大直径的更大的金刚石颗粒的附聚物。包封每个金刚石颗粒20的保护性涂层21的外径可以为约260μm±10％至约1500μm±10％。因此，包封每个金刚石颗粒20的保护性涂层21的厚度范围可为约5μm±10％至约625μm±10％。
取决于具有激光镀覆表面的部件的预期应用，还可以使用各种类型的碳化钨(WC)来形成金刚石颗粒20上的全部或部分保护性涂层21。碳化钨颗粒也可以包含在围绕中心金属丝26挤出的附聚物的金属基质22中。除WC外，其他替代品可包括TiC、Ti B2、Cr6C、B4C和其他合金。在激光镀覆过程中在基板30的表面上形成的金属基质沉积物中掺入诸如碳化钨的硬质颗粒是均匀的，并且由于硬质颗粒被混合并均匀分布在围绕柔性线10的中心丝26挤出的所有附聚物中，所以这些硬质颗粒被均匀分布。因此，使用柔性线10的激光镀覆工艺导致基板30上的表面硬化的表面具有以有效、成本有效且可靠的方式实现的均匀分布的耐磨擦、耐磨损和耐侵蚀特性。
每个涂覆的金刚石颗粒20包括保护性涂层21，该保护性涂层21已冶金结合到每个金刚石颗粒20的外部以形成金刚石粒料。每个金刚石颗粒20的外表面通常将被保护性涂层21完全覆盖。但是在一些操作环境中，其中金属基质22和有机粘合剂24为金刚石颗粒20提供了足够的保护，可以令人满意地进行激光镀覆操作，其中每个金刚石颗粒20上的涂层小于百分之百(100％)。金刚石颗粒20可以是人造金刚石或天然金刚石。每个金刚石颗粒20取决于激光镀覆基板的预期应用可在相同的网目范围内选择。对于其他应用，涂覆的金刚石粒料可以由选自两种或更多种不同网目范围的金刚石颗粒20形成。如上所述，每个粒中的金刚石颗粒可以是尺寸为20μm或更小的非常小的金刚石颗粒或者更大的尺寸为约250μm或更大的单个金刚石颗粒的附聚物。所得的涂覆的金刚石粒料可具有大致相同的外部尺寸，或可在尺寸上变化，以改变所得金属基质沉积物的耐磨擦性、耐侵蚀性和耐磨损性，以适应与基板30相关联的特定操作环境。
金属基质22包括诸如Ni、Cu和Ti的金属，以及诸如碳化钨(WC)、TiC、TiB2、Cr6C和B4C的硬质颗粒。金属可以是粉末形式，并且有机粘合剂24可以与金属粉末和硬质颗粒混合成糊状稠度，该糊状物可以在中心金属丝26周围和沿着中心金属丝26挤出然后被干燥和硬化以形成柔性线10。在根据本发明的柔性线的各种示例性实施例中，金属基质22、有机粘合剂24和金刚石粒料20、21的附聚物可包括最多约40重量％的金属基质22与有机粘合剂24的组合，和60重量％的硬质颗粒。硬质颗粒可包括碳化钨(WC)、TiC、TiB2、Cr6C、B4C和金刚石粒料20、21，其中最多约30重量％(18重量％的附聚物)的硬质颗粒为金刚石粒料。如果需要，可以使用较小重量百分比的的金刚石粒料和重量百分比大于附聚物的约18％导致激光镀覆基板的耐磨损性或耐侵蚀性几乎没有增加。硬质金属材料和硬质颗粒诸如WC、TiC、TiB2、Cr6C和B4C在被激光束熔化后在基板30的表面上形成金属基质沉积物，其中即使没有添加涂覆的金刚石粒料，金属基质沉积物也提供耐磨损层材料。然而，与现有的表面硬化材料相比，将涂覆的金刚石颗粒20、21添加到附聚物和所得的基板30的表面上的金属基质沉积物显著提高了镀覆层的耐磨擦性和耐磨损性。
在本发明的各种实施例中，镀覆在基板30的表面上的金属基质沉积物包括金属基质22、碳化物颗粒(诸如WC)和由有机粘合剂24嵌入或包封的涂覆的金刚石粒料20、21的混合物。包括钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)和这些元素的合金的各种材料也可用于形成金属基质部分22。术语“金属基质沉积物”在本文中用于指已经施加到金属基板上以保护基板免受磨擦、侵蚀和/或磨损的一层表面硬化物。各种粘合剂，诸如钴、镍、铜、铁及其合金可以包含在金属基质部分22中并与附聚物的有机粘合剂部分24混合，从而也在激光镀覆操作期间形成施加在基板的表面处的金属基质沉积物的一部分。各种金属合金和金属陶瓷，诸如金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物和金属氮化物也可以掺入到附聚物中，因此作为金属基质沉积物的一部分包括在内。
在根据本发明的各种示例性过程中使用的激光束60必须足够强大以熔化柔性线和基板的表面。具有至少约1500瓦功率输出的连续波二氧化碳激光器是合适的。其他类型的激光器可以包括固态激光器，比如Nd：Yag(钕掺杂的钇铝石榴石激光器)、光纤激光器和二极管激光器。在本发明的一个示例性实施方式中使用的激光束60可具有大约5000瓦的功率和大约0.4英寸的光束直径。本领域普通技术人员将认识到，可调节激光束60的强度及其对基板30的冲击持续时间，以获得可至少部分地取决于柔性线10的送入速率的突缘40的厚度。
控制器(未示出)可以控制与激光镀覆工艺相关联的一些或所有操作参数，包括柔性线10的送入速率、激光器52的功率，以及激光束60、柔性线10和基板30的表面之间的相对运动。控制器可以包括单个处理器或多个处理器，其包括用于在激光镀覆期间控制各种操作的装置。许多商用处理器可以执行控制器的功能。控制器可包括用于存储数据(例如，激光器52的操作条件、设计限制、性能特性或规格)的存储器以及用于将柔性线供应到激光束60中的送入机构、操作指令，以及相应的质量参数和基板30的表面的其他特性或可与它们相关联。各种其他已知电路，包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、通信电路和其他适当的电路可以与控制器相关联。此外，控制器可以能够通过有线或无线传输与其他部件(例如，与马达、致动器、传感器和激光器52的开关和/或柔性线送入装置)通信。
如图2所示，当柔性线10被激光束60熔化以形成熔融金属基质沉积物的突缘40时，柔性线10的耐磨擦和耐磨损镀覆材料沉积在基板30的表面上。突缘40可以是大致冠状的，在突缘的相对侧具有更大的中心深度和更浅的横向深度。突缘40可具有大致圆滑的外轮廓，其中心在基板30的磨损表面上方上升。在沉积期间，耐磨擦和耐磨损镀覆材料可以渗透到基板30的部分熔化的表面中，并在该区域内产生镀覆材料的边界混合物。柔性线10的均匀组成和调节送入速率以及容易操纵柔性线的应用点以适应各种复杂的表面配置的能力提供了散布在所有附聚物上的硬质金刚石颗粒的可控、一致的沉积和分布，该附聚物越过基板30的激光镀覆表面包住柔性线10的中心线26。
工业实用性
所公开的使用具有金属基质22的柔性线10、有机粘合剂24和涂覆的金刚石粒料20、21的激光镀覆工艺可用于增强各种不同部件的磨损特性。所公开的柔性线10能够沿着具有复杂配置的基板的各种表面进行连续的激光镀覆操作，并确保均匀的镀覆层具有均匀分布的包括整个镀覆层的金刚石粒料的硬质颗粒。
根据本发明的示例性实施方式通过激光镀覆部件的表面来对部件进行表面硬化的方法可以包括产生激光束并将该激光束引导到部件的磨损表面的区域。该方法还可以包括将镀覆材料的柔性索10送入由激光器52产生的激光束60中，以熔化柔性索10并在基板30的磨损表面上产生镀覆材料的突缘40。
柔性索10包括由包含金刚石颗粒20的耐磨擦和耐磨损材料的附聚物围绕的内金属丝26。根据本发明的各种实施方案的激光镀覆工艺包括沿着基板30的磨损表面移动激光束60和柔性索10以在部件的磨损表面上方产生镀覆层。围绕内金属丝26的附聚物形成为糊状物，该糊状物被挤出到内金属丝26上并使其干燥和硬化以形成柔性索10。附聚物包含金属基质22、有机粘合剂24和金刚石颗粒20。包含在附聚物内的金刚石颗粒被涂覆并用保护性涂层21包封。金刚石颗粒20上的保护性涂层21可包括通过电解、无电镀或电镀中的一种与金刚石颗粒20结合的Ni或Cu中的一种。附聚物可含有与有机粘合剂24组合的约40重量％±10重量％的金属和包括包封在保护性涂层21中的金刚石颗粒20的60重量％±10重量重量％的硬质颗粒。金刚石颗粒20约为附聚物中所含硬颗粒的1-30重量％，其余硬质颗粒包括碳化钨颗粒、TiC。金刚石颗粒20是合成金刚石和天然金刚石中的至少一种，并且直径可以为约250μm±10％。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的激光镀覆材料的柔性索和通过激光镀覆进行表面硬化的方法进行各种修改和变化。考虑到本文公开的装置和方法的说明书和实践，柔性索的其他实施例和表面硬化方法的实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。应当认为本说明书和示例仅仅是例示性的，本发明内容的真正范围由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (10)

1.一种对部件(30)进行表面硬化的方法，包括：
产生激光束(60)并将所述激光束(60)引导到所述部件(30)的磨损表面的区域；
将镀覆材料的柔性索(10)送入所述激光束(60)以熔化柔性索(10)并在所述磨损表面上产生镀覆材料的突缘(40)，其中所述柔性索(10)包括由含有金刚石颗粒(20)的耐磨擦和耐磨损材料的附聚物围绕的内金属丝(26)；以及
沿着所述磨损表面移动所述激光束(60)和所述柔性索(10)，以在所述部件(30)的所述磨损表面上产生镀覆层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中围绕所述内金属丝(26)的所述附聚物形成为糊状物，所述糊状物被挤出到所述内金属丝(26)上并使其干燥以形成所述柔性索(10)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述附聚物包含金属基质(22)、有机粘合剂(24)和所述金刚石颗粒(20)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中包含在所述附聚物内的所述金刚石颗粒(20)涂覆有保护性涂层(21)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述金刚石颗粒(20)上的所述保护性涂层(21)包括通过电解、无电镀或电镀中的一种与所述金刚石颗粒(20)结合的Ni或Cu中的一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述附聚物包含与所述有机粘合剂(24)组合的约40重量％±10重量％的金属和包括所述金刚石颗粒(20)的60重量％±10重量％的硬质颗粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述金刚石颗粒是所述硬质颗粒的约1-30重量％，所述硬质颗粒的其余部分包括碳化钨颗粒。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述金刚石颗粒(20)是合成金刚石和天然金刚石中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金刚石颗粒(20)的直径为约250μm±10％。
10.一种激光镀覆材料的柔性索(10)，包括：
中心金属丝(26)；和
围绕所述中心金属丝(26)的附聚物，其中所述附聚物包括：
金属基质(22)；
有机粘合剂(24)；和
包括金刚石颗粒(20)的硬质颗粒。
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