CN110257820A - 激光熔覆表面氮化处理方法以及激光熔覆设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种激光熔覆表面氮化处理方法以及激光熔覆设备。该处理方法包括：在激光熔覆过程中，向工件表面的熔池中通入氮气，以进行第一次氮化处理；以及向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道通入氮气，以进行第二次氮化处理。该处理方法能够在工件的表面形成熔覆层。

Description

激光熔覆表面氮化处理方法以及激光熔覆设备

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种激光熔覆表面氮化处理方法以及应用于该处理方法中的激光熔覆设备。

背景技术

激光熔覆是通过激光扫描输送到基材表面的合金粉末，在基材表面形成具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温的高性能涂层的表面处理方法。这种处理方法不仅节约了贵重稀有的金属材料，降低能源的消耗和材料成本，而且增加了零部件的使用寿命。

在激光熔覆技术领域，Fe90是一种使用广泛的合金粉末，多用于工件表面激光熔覆制备耐磨损、耐腐蚀涂层。Fe90激光熔覆后熔覆层硬度在HRC55-58之间。该硬度无法满足高硬度的工件的使用要求。然而，通过调整Fe90粉末来提高熔覆层的硬度是很困难的。

此外，这种粉末在熔覆过程中较易出现裂纹，激光熔覆工艺参数窗口较小。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种激光熔覆表面氮化处理方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的激光熔覆方法得到的熔覆层的硬度、耐磨性等无法满足高硬度的工件的使用要求，并且熔覆层容易出现裂纹。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光熔覆表面氮化处理方法。该处理方法包括：在激光熔覆过程中，向工件表面的熔池中通入氮气，以进行第一次氮化处理；以及向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道通入氮气，以进行第二次氮化处理。

可选地，在所述激光熔覆过程中，采用的金属粉末为镍基金属、钴基金属、铁基合金、碳化钨复合材料或陶瓷材料。

可选地，在所述激光熔覆过程中，采用的金属粉末为Fe90。

可选地，在所述第一次氮化处理时，氮气的通入速度为6-10L/min；在所述第二次氮化处理时，氮气的通入速度为8-15L/min。

可选地，在所述激光熔覆过程中，金属粉末的粒度为135-325目。

可选地，激光熔覆采用的激光器的光斑为2*14mm的矩形光斑，扫描功率为2500-4000W，扫描速度为320-650mm/min，搭接率为30-50％。

可选地，得到的熔覆层的厚度为0.5-2mm。

可选地，在工件表面形成的渗氮层的厚度为0.01-0.15mm。

可选地，在进行激光熔覆前，还包括对所述工件的表面进行脱脂处理，以及对金属粉末进行烘干处理。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种激光熔覆设备。该设备包括激光发生器，所述激光发生器包括用于射出激光的头部，在所述头部上设置有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口被配置为用于在激光熔覆过程中向熔池中通入氮气，所述第二出气口被配置为用于在激光熔覆过程中向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道通入氮气。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：根据本发明的一个实施例，在激光熔覆过程中同步进行二次氮化处理。在熔池中吹入的第一路氮气，既能起到惰性气体保护，防止金属氧化的作用，同时实现了第一次氮化处理；对刚刚冷却的熔道同步通入的第二路氮气实现了熔覆层的表面第二次氮化处理。该处理方法避免了现有技术中氮化炉处理时出现污染环境，浪费能源的问题。同时，具有操作简便，激光熔覆与两次氮化处理同步进行的优点，并且该处理方法具有节能环保的优点。

此外，通过两次氮化处理，能够在熔覆层表面形成渗氮层。渗氮层包括氮化铬、氮化铁等氮化物。渗氮层能够有效地提高熔覆层的硬度、耐磨性和耐蚀性。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的激光熔覆设备的结构示意图。

附图标记说明：

11：头部；12：工件；13：熔覆层；14：发射部；15：第一出气口；16：第二出气口；17：熔池；18：熔道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个实施例，提供了一种激光熔覆表面氮化处理方法。该处理方法包括：

在激光熔覆过程中，向工件12表面的熔池17中通入氮气，以进行第一次氮化处理；以及

向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道18通入氮气，以进行第二次氮化处理。

具体地，激光熔覆是通过在工件12表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料与工件12表面的薄层一起熔凝的方法。在工件12表面熔覆材料与工件12本体材料结合形成熔覆层13。工件12通常为金属材料或者无机非金属材料。例如，熔覆材料为镍基金属、钴基金属、铁基合金、碳化钨复合材料或陶瓷材料。上述熔覆材料制备成粉末状，以便于添加到工件12表面。

优选地，熔覆材料的粒度为135-325目。在该粒度范围内熔覆材料容易被熔化，并且在进料时容易附着在工件12表面。

优选地，熔覆材料为Fe90合金粉末。Fe90合金粉末的主要成分为Cr、B、Si和Mo。该熔覆材料形成的熔覆层13具有熔道硬度高、韧性好、抗氧化性好、抗撕裂性好的特点。

熔覆材料的进料方式为预置式进料或者同步式进料。上述进料方式为本领域的公知常识，在此不做详细说明。

熔池17为激光照射到工件12表面上，并形成熔融状态的金属的区域。通常熔池的面积与激光的光斑的大小、形状相匹配。例如，照射到工件12表面的光斑为矩形、圆形、椭圆形等形状，则熔池17相应地为矩形、圆形、椭圆形等。

在一个例子中，激光熔覆采用的激光器的光斑为2*14mm的矩形光斑，扫描功率为2500-4000W，扫描速度为320-650mm/min，搭接率为30-50％。在该条件下，熔覆材料能够迅速地熔化，以在工件表面形成熔覆层。

搭接率是指相邻的两个熔道相互搭接部分的宽度与熔道宽度的百分比。搭接率是影响熔覆层13表面粗糙度的主要因素。搭接率提高，则熔覆层13表面的粗糙度会降低，但搭接部分的均匀性很难得到保证。搭接率越低，则相邻熔道的连接部位的熔覆层13的厚度越低，并且熔覆层13表面的粗糙度越高。在该搭接率范围内，形成的熔覆层13的厚度均匀，表面的粗糙度低。

熔道为熔融状态的进入凝固后形成的熔覆层13。刚刚熔好后进入冷却状态的熔道18位于光斑的沿行进方向的后方。

氮气采用工业氮气、纯氮或者高纯氮。优选地，在第一次氮化处理时，氮气的通入速度为6-10L/min；在第二次氮化处理时，氮气的通入速度为8-15L/min。该通入速度不会影响熔融状态的金属的形貌，氮气并且与熔覆材料的反应速度适中。

根据本发明的一个实施例，在激光熔覆过程中同步进行二次氮化处理。在熔池17中吹入的第一路氮气，既能起到惰性气体保护，防止金属氧化的作用，同时实现了第一次氮化处理；对刚刚冷却的熔道同步通入的第二路氮气实现了熔覆层13的表面第二次氮化处理。该处理方法避免了现有技术中氮化炉处理时出现污染环境，浪费能源的问题。同时，具有操作简便，激光熔覆与两次氮化处理同步进行的优点，并且该处理方法具有节能环保的优点。

此外，通过两次氮化处理，能够在熔覆层13表面形成渗氮层。渗氮层包括氮化铬、氮化铁等氮化物。渗氮层能够有效地提高熔覆层13的硬度、耐磨性和耐蚀性。

在一个例子中，在工件12表面形成的渗氮层的厚度为0.01-0.15mm。渗氮层的厚度为0.01-0.015mm。通过显微硬度计测试，该熔覆层13相对于不采用两次氮化处理的熔覆层13的硬度提高了5％以上，耐磨性提高了30％以上。

在一个例子中，油脂能阻止熔覆层13的完整，降低熔覆层13的质量。在进行激光熔覆前，还包括对工件12的表面进行脱脂处理。例如，采用无水乙醇等有机溶剂清洗待熔覆的工件12表面，以去除工件12表面的油脂。有机溶剂还可以是丙酮、四氯化碳、乙二醇等。

在脱脂完成后，在采用磁粉探伤和/或超声波探伤，检查工件12是否存在表面和/或内部裂纹等缺陷，以确保工件12的质量。

熔覆材料中的水分会在熔覆层13中形成气孔，破坏熔覆层13的完整。为了解决该技术问题，在进行熔覆前，对金属粉末进行烘干处理。例如，在烘干设备中烘干Fe90合金粉末待用。烘干温度为120-180℃，烘干时间为：1-2h。Fe90合金粉末的粒度为135-325目。该方法能有效地去除熔覆材料中的水分。

当然，干燥处理的方法不限于上述实施例，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

实施例1：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12的表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度为120℃，烘干1h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上。设定激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为2500W，扫描速度320mm/min，搭接率30％。通过激光扫描Fe90合金粉末。在工件12的表面得到耐磨合金的熔覆层13，熔覆层13的厚度为0.5mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气的流量为6L/min；第二路布置在激光头的后侧，对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气的流量为8L/min。对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例2：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定180℃，烘干2h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上。设定激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为4000W，扫描速度650mm/min，搭接率50％。通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金的熔覆层13，熔覆层13的厚度为2mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为10L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为15L/min。对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例3：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定150℃，烘干1.5h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上。激光器的光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为3000W，扫描速度350mm/min，搭接率30％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金熔覆层13，熔覆层13的厚度为1mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为8L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为10L/min。对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例4：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定160℃，烘干2h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上，激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为3200W，扫描速度450mm/min，搭接率30％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金熔覆层13，熔覆层13的厚度2mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为8L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为12L/min。对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例5：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定180℃，烘干1h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上，激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为3300W，扫描速度460mm/min，搭接率50％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金熔覆层13，熔覆层13的厚度1.6mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为9L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为13L/min；对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例6：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定120℃，烘干2h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上，激光器的光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为3600W，扫描速度320-650mm/min，搭接率50％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金的熔覆层13，熔覆层13的厚度1.8mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为10L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为15L/min；对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例7：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定120-180℃，烘干1-2h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上，激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为3800W，扫描速度550mm/min，搭接率30％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金的熔覆层13，熔覆层13的厚度1.5mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为10L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为15L/min；对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

实施例8：

首先，使用无水乙醇清洗待熔覆工件12表面。然后，采用磁粉探伤和超声波探伤，检查工件12是否存在表面和内部裂纹等缺陷。接下来，烘干Fe90合金粉末待用，烘干炉温度设定150℃，烘干1.5h，合金粉末的粒度为135-325目。在进行熔覆前，将待熔覆工件12装卡在数控激光熔覆加工机床上，激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为4000W，扫描速度650mm/min，搭接率30％，通过激光扫描合金粉末，在工件12表面得到耐磨合金的熔覆层13，熔覆层13的厚度1.2mm。在激光头上布置两路氮气，其中第一路用于直接对熔池17吹氮气，以进行第一次氮化处理，氮气流量为10L/min；第二路布置在激光头后侧，紧对刚刚熔好进入冷却状态的熔道18吹氮气，以进行第二次氮化处理，氮气流量为14L/min；对熔覆后的工件12进行表面着色探伤，经检测，形成的熔覆层13无裂纹。

上述各个实施例，均能形成完整的熔覆层13，并且在熔覆层13中形成由渗氮层。得到的工件12的硬度、耐磨性、耐蚀性良好。

根据本公开的另一个实施例，提供了一种激光熔覆设备。如图1所示，该熔覆设备包括激光发生器。激光发生器包括用于射出激光的头部11。例如，头部呈锥形。在顶部具有发射部14。在头部11上设置有第一出气口15和第二出气口16。例如，第一出气口15位于发射部14的前方，第二出气口位于发射部14的后方。第一出气口15被配置为用于在激光熔覆过程中向熔池17中通入氮气。第二出气口16被配置为用于在激光熔覆过程中向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道18通入氮气。

该激光熔覆设备能够在激光熔覆过程中进行两次氮化处理，激光熔覆的质量好。

以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光熔覆表面氮化处理方法，其中，包括：

在激光熔覆过程中，向工件表面的熔池中通入氮气，以进行第一次氮化处理；以及

向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道通入氮气，以进行第二次氮化处理。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在所述激光熔覆过程中，采用的金属粉末为镍基金属、钴基金属、铁基合金、碳化钨复合材料或陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在所述激光熔覆过程中，采用的金属粉末为Fe90。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在所述第一次氮化处理时，氮气的通入速度为6-10L/min；在所述第二次氮化处理时，氮气的通入速度为8-15L/min。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在所述激光熔覆过程中，金属粉末的粒度为135-325目。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，激光熔覆采用的激光器的光斑为2×14mm的矩形光斑，扫描功率为2500-4000W，扫描速度为320-650mm/min，搭接率为30-50％。

7.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，得到的熔覆层的厚度为0.5-2mm。

8.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在工件表面形成的渗氮层的厚度为0.01-0.15mm。

9.根据权利要求1所述的激光熔覆表面氮化处理方法，其中，在进行激光熔覆前，还包括对所述工件的表面进行脱脂处理，以及对金属粉末进行烘干处理。

10.一种激光熔覆设备，其中，包括激光发生器，所述激光发生器包括用于射出激光的头部，在所述头部上设置有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口被配置为用于在激光熔覆过程中向熔池中通入氮气，所述第二出气口被配置为用于在激光熔覆过程中向刚刚熔好后进入冷却状态的熔道通入氮气。