CN110512204A - 一种芯棒的激光熔覆方法及芯棒 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光熔覆技术领域，特别涉及一种芯棒的激光熔覆方法，首先检查芯棒熔覆区域尺寸，进行工件校直，然后去除芯棒表面疲劳层；然后整体预热，将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉后开始激光熔覆。本发明还涉及一种芯棒，用上述熔覆方法进行熔覆。本发明激光熔覆可以在短时间内实现涂层的大面积制备，可以获得在零部件表面的高精度成形，熔覆搭接平整，表面粗糙度小。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体地说涉及一种芯棒的激光熔覆方法及芯棒。
背景技术
冶金行业的无缝钢管生产用芯棒是易损件，是作用在压制方向在压坯或烧结体内成形轮廓面的模具的部件，主要失效形式是表面划伤与磨损，工作温度900-1200度，且废旧件的市场保有量极大。
现在的芯棒制造企业主要使用电镀方法，在模具钢制成的芯棒毛坯表面电镀上一层0.005-0.1mm厚的高硬铬层，硬度一般为800-900HV，但是镀层缺陷较多，易脱落或鼓泡。电镀方法在制作、修复、再制造芯棒工艺过程中都存在严重的环境污染问题。
发明内容
针对现有技术的种种不足，发明人在长期实践中研究设计出一种芯棒的激光熔覆方法，在芯棒表面制备高性能涂层。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种芯棒的激光熔覆方法，包括以下步骤：
S1、熔覆前加工及检测：检查芯棒熔覆区域尺寸，进行工件校直，然后去除芯棒表面疲劳层，最后进行工件探伤检测，检查芯棒表面有无气孔或裂纹缺陷；
S2、熔覆：首先整体预热，达到温度值后将芯棒吊装至激光熔覆工位进行装夹；装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉后设置激光熔覆线速度为7m/min-10m/min，设置好后将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段，装填合金粉末，开始激光熔覆。
进一步地，所述步骤S1中，所述芯棒直径为140mm-260mm、芯棒长度为15m-20m。
进一步地，所述步骤S1中，去除芯棒表面疲劳层，具体为用车床对芯棒表面进行车削，车削过程包括粗车工艺和精车工艺，粗车时设置车床转速150r/min-200r/min，进给速率40mm/min，精车时设置车床转速100r/min-150r/min，进给速率20mm/min，通过车削去除芯棒表面疲劳层，获得表面粗糙度不大于Ra6.3。
进一步地，所述步骤S2中，首先采用中频加热炉进行整体预热，将芯棒加热至300℃；装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉温度为100℃，时间为1h。
进一步地，所述步骤S2中，烘粉后设置激光功率为6000W-10000W、步距为8mm-17mm、搭接率为30％-60％。
进一步地，所述步骤S2中，设置好参数后将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段后，确认焦距为280mm-300mm，启动氮气气动送粉，送粉量30-50g/min。
进一步地，所述步骤S2中，芯棒熔覆采用多遍熔覆工艺，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm。
进一步地，所述步骤S2中，芯棒熔覆采用两遍熔覆工艺，每一遍熔覆层厚度为0.8～1mm。
进一步地，还包括步骤S3，熔覆后对芯棒进行磨削和抛光处理，首先利用车床上芯棒两端的中心孔进行定位装夹和同心度找正；然后进行机械加工，设置车床转速150r/min-200r/min、进给速率40mm/min进行粗车，再设置车床转速100r/min-150r/min、进给速率20mm/min进行精车；在车床千叶轮上安装砂纸，设置车床的转速均为150r/min-200r/min、进给速率为20mm/min，进行抛光。
一种芯棒，其特征在于，在芯棒整体外表面用上述熔覆方法进行加工，熔覆层厚度熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm，表面粗糙度不大于Ra6.3。
本发明的有益效果是：
由于7-10m/min的熔覆线速度，可以在短时间内实现涂层的快速制备，在芯棒表面制备高性能涂层，同时，匹配母材特点开发专用合金粉末和工艺，在芯棒表面制备形成冶金结合的合金层，显著提升激光熔覆效率，并且得到高硬度的熔覆层，机械性能更强。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合较佳的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种芯棒的激光熔覆方法，具体步骤如下：
S1：熔覆前加工及检测。熔覆部位为芯棒整体外表面，要求熔覆区域芯棒的直径为140mm、芯棒长15m；确认芯棒状态后，进行工件校直，同心度≤0.2mm。然后用车床对芯棒表面进行车削，车削过程包括粗车工艺和精车工艺，粗车时设置车床转速150r/min，进给速率40mm/min，精车时设置车床转速100r/min，进给速率20mm/min，通过车削除芯棒表面疲劳层，获得表面粗糙度不大于Ra6.3。最后进行工件探伤检测，检查芯棒表面有无气孔或裂纹缺陷，整件探伤合格后方可进行下一步操作。通过上述方法确认芯棒技术状态与材料特性，可有效保证熔覆材料的结合力。
S2：熔覆。首先采用中频加热炉进行整体预热，将芯棒加热至300℃，达到温度值后吊装至激光熔覆工位进行装夹。装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉温度为100℃，时间为1h。烘粉后设置激光功率为6000W、步距为8mm、熔覆线速度为7m/min、搭接率为30％，设置好后，将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段，确认焦距为280mm；然后装填合金粉末，启动氮气气动送粉，送粉量30g/min，采用氮气来保护熔池，开始激光熔覆；芯棒熔覆采用多遍熔覆工艺，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm。本实施例采用两遍熔覆工艺，每一遍熔覆层厚度为0.8mm-1.0mm。
S3：熔覆后对芯棒进行磨削和抛光处理。首先利用车床上芯棒两端的中心孔进行定位装夹和同心度找正；然后进行机械加工，设置车床转速150r/min、进给速率40mm/min进行粗车，再设置车床转速100r/min、进给速率20mm/min进行精车；在车床千叶轮上安装砂纸，设置车床的转速均为150r/min、进给速率为20mm/min，进行抛光。磨削和抛光处理后用百分表/千分表检测芯棒同轴度、用光洁度检测用光洁度检测仪检测芯棒表面光洁度，测得芯棒表面光洁度小于Ra0.4且同轴度小于等于0.02mm。
对于得到的熔覆层经无损检测，熔覆层无凸刺、疤痕、气孔，孔隙率低于15点/dm2，气孔直径≤0.2mm；熔覆层硬度达50HRC以上。
实施例2
一种芯棒的激光熔覆方法，具体步骤如下：
S1：熔覆前加工及检测。熔覆部位为芯棒整体外表面，要求熔覆区域芯棒的直径为200mm、芯棒长18m；确认芯棒状态后，进行工件校直，同心度≤0.2mm。然后用车床对芯棒表面进行车削，车削过程包括粗车工艺和精车工艺，粗车时设置车床转速180r/min，进给速率40mm/min，精车时设置车床转速125r/min，进给速率20mm/min，通过车削去除芯棒表面疲劳层，获得表面粗糙度不大于Ra6.3。最后进行工件探伤检测，检查芯棒表面有无气孔或裂纹缺陷，整件探伤合格后方可进行下一步操作。通过上述方法确认芯棒技术状态与材料特性，可有效保证熔覆材料的结合力。
S2：熔覆。首先采用中频加热炉进行整体预热，将芯棒加热至300℃，达到温度值后吊装至激光熔覆工位进行装夹。装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉温度为100℃，时间为1h。烘粉后设置激光功率为8000W、步距为12mm、熔覆线速度为8m/min、搭接率为45％，设置好后，将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段，确认焦距为290mm；然后装填合金粉末，启动氮气气动送粉，送粉量40g/min，采用氮气来保护熔池，开始激光熔覆；芯棒熔覆采用多遍熔覆工艺，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm。本实施例采用两遍熔覆工艺，每一遍熔覆层厚度为0.8mm-1.0mm。
S3：熔覆后对芯棒进行磨削和抛光处理。首先利用车床上芯棒两端的中心孔进行定位装夹和同心度找正；然后进行机械加工，设置车床转速180r/min、进给速率40mm/min进行粗车，再设置车床转速125r/min、进给速率20mm/min进行精车；在车床千叶轮上安装砂纸，设置车床的转速均为180r/min、进给速率为20mm/min，进行抛光。磨削和抛光处理后用百分表/千分表检测芯棒同轴度、用光洁度检测用光洁度检测仪检测芯棒表面光洁度，测得芯棒表面光洁度小于Ra0.4且同轴度小于等于0.02mm。
对于得到的熔覆层经无损检测，熔覆层无凸刺、疤痕、气孔，孔隙率低于15点/dm2，气孔直径≤0.2mm；熔覆层硬度达50HRC以上。
实施例3
一种芯棒的激光熔覆方法，具体步骤如下：
S1：熔覆前加工及检测。熔覆部位为芯棒整体外表面，要求熔覆区域芯棒的直径为260mm、芯棒长20m；确认芯棒状态后，进行工件校直，同心度≤0.2mm。然后用车床对芯棒表面进行车削，车削过程包括粗车工艺和精车工艺，粗车时设置车床转速200r/min，进给速率40mm/min，精车时设置车床转速150r/min，进给速率20mm/min，通过车削去除芯棒表面疲劳层，获得表面粗糙度不大于Ra6.3。最后进行工件探伤检测，检查芯棒表面有无气孔或裂纹缺陷，整件探伤合格后方可进行下一步操作。通过上述方法确认芯棒技术状态与材料特性，可有效保证熔覆材料的结合力。
S2：熔覆。首先采用中频加热炉进行整体预热，将芯棒加热至300℃，达到温度值后吊装至激光熔覆工位进行装夹。装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉温度为100℃，时间为1h。烘粉后设置激光功率为10000W、步距为17mm、熔覆线速度为10m/min、搭接率为60％，设置好后，将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段，确认焦距为300mm；然后装填合金粉末，启动氮气气动送粉，送粉量50g/min，采用氮气来保护熔池，开始激光熔覆；芯棒熔覆采用多遍熔覆工艺，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm。本实施例采用两遍熔覆工艺，每一遍熔覆层厚度为0.8mm-1.0mm。
S3：熔覆后对芯棒进行磨削和抛光处理。首先利用车床上芯棒两端的中心孔进行定位装夹和同心度找正；然后进行机械加工，设置车床转速200r/min、进给速率40mm/min进行粗车，再设置车床转速150r/min、进给速率20mm/min进行精车；在车床千叶轮上安装砂纸，设置车床的转速均为200r/min、进给速率为20mm/min，进行抛光。磨削和抛光处理后用百分表/千分表检测芯棒同轴度、用光洁度检测用光洁度检测仪检测芯棒表面光洁度，测得芯棒表面光洁度小于Ra0.4且同轴度小于等于0.02mm。
对于得到的熔覆层经无损检测，熔覆层无凸刺、疤痕、气孔，孔隙率低于15点/dm2，气孔直径≤0.2mm；熔覆层硬度达50HRC以上。
实施例4
一种芯棒，在其整体外表面上用上述实施例1～实施例3中任意一种激光熔覆方法进行加工，熔覆后的芯棒，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm、表面粗糙度不大于Ra6.3。
本发明的激光熔覆方法所用的粉末成分如下表所示：
表1熔覆芯棒粉末成分
鉴于芯棒的工况条件，开发适用于高温环境下的耐磨损合金粉末，并通过对粉末与大功率激光器快速凝固工艺匹配性研究，解决厚熔覆层硬度和韧性难以兼顾、易开裂的难题。
在粉末配比设计方面，采用低成本铁基合金粉末作为基体材料，目数为100-300目，另外添加一定比例的耐磨损、耐腐蚀、耐高温的硬质合金材料Co包WC，用于提升熔覆层的高温耐磨、耐蚀性能。本粉末体系中的基体合金粉末具备较好的润湿性，对WC有更好的润湿性和结合性。铁基粉末中Si、B含量的提高能增加熔覆层的硬度，但也增加了熔覆层的开裂敏感性，而当Si含量较低时可减少熔覆层夹杂，降低Si含量同时添加一定含量的Mo，均对提高熔覆层强韧性起到优异的促进作用。
添加的Co包WC具有低的热膨胀系数，同时导电系数和导热系数与铁及其合金相接近，在较高温度下仍具有较高的硬度，熔覆层无肉眼可见明显裂纹，高硬度的球状WC较均匀分布于熔覆层中，可显著提高熔覆层的耐磨性。但是，由于铁基熔覆层中存在可以作为裂纹萌生位置的第二相WC颗粒，熔覆层的开裂敏感性显著增加，故而将添加量限定在2.5％-3％。
根据芯棒及合金粉末的性能特点，进行工艺参数开发，形成表面均匀、无裂纹的激光熔覆层。采用激光在芯棒表面制备高性能涂层，制备形成的超薄合金层既有较高的硬度，又有优异的高温耐磨性和耐腐蚀性。
对本发明熔覆方法熔覆后的芯棒熔覆层进行性能测试。针对芯棒熔覆层进行红硬性测试，经不同温度处理后熔覆层硬度比基材硬度普遍要高，未经热处理时，熔覆层硬度为545HV0.2，是基材硬度(200HV0.2)的2.7倍；随着热处理温度的升高，熔覆层硬度先降低，在600℃时达到最低，硬度为500HV0.2，后随热处理温度升高而升高；而基材硬度则相反，先随热处理温度升高而上高，后随温度升高而下降，且下降明显。
加工后，对熔覆层取样进行高温氧化性能测试，为进一步研究芯棒修复后效果，对芯棒进行高温性能测试。首先将芯棒修复层切割制样，作为对比实验，将一部分基材制样。先对试样进行高温性能测试，首先用无水乙醇和丙醇将涂层试样清洗干净，将烘干的试样放在坩埚中，并放入达到设定温度的马弗炉内进行高温氧化，每隔10h，将坩埚自马弗炉中取出冷却至室温，得到表2所示的结果。
表2高温氧化性能测试结果
| 氧化温度 | 基材 | 熔覆层 |
| 600℃ | 明显锈蚀 | 完好 |
| 800℃ | 严重氧化、腐蚀 | 氧化、轻微腐蚀 |
加工后，对熔覆层取样进行热震性能测试，将熔覆层样块放入坩埚置于900℃的马弗炉中保温10分钟后迅速取出并将其置于装有常温水的水桶中淬冷，重复该过程直至试样出现涂层裂纹、脱落等缺陷，得到表3所示结果。
表3热震性能测试结果
| 热振次数 | 基材 | 熔覆层 |
| 8 | 现明显裂纹 | 完整 |
| 14 | 裂纹贯穿、块体剥落 | 完好 |
针对芯棒熔覆层进行拉伸与挤压，芯棒拉断后，在拉断断口处没有出现分层情况，且600吨压机碾压后，冶金结合处未见脱落和剥离，结合性良好，因此，激光熔覆后的芯棒，拉伸不会出现断层与剥落，挤压时不会出现剥离与碾碎。
综上所述，本发明的激光熔覆方法，具备极高的熔覆线速度，可以在短时间内实现涂层的快速制备，且能达到更强的硬度，应用领域更广泛。
以上已将发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、熔覆前加工及检测：检查芯棒熔覆区域尺寸，进行工件校直，然后去除芯棒表面疲劳层，最后进行工件探伤检测，检查芯棒表面有无气孔或裂纹缺陷；
S2、熔覆：首先整体预热，达到温度值后将芯棒吊装至激光熔覆工位进行装夹；装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉后设置激光熔覆线速度为7m/min-10m/min，设置好后将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段，装填合金粉末，开始激光熔覆。
2.根据权利要求1所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述芯棒直径为140mm-260mm、芯棒长度为15m-20m。
3.根据权利要求2所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S1中，去除芯棒表面疲劳层，具体为用车床对芯棒表面进行车削，车削过程包括粗车工艺和精车工艺，粗车时设置车床转速150r/min-200r/min，进给速率40mm/min，精车时设置车床转速100r/min-150r/min，进给速率20mm/min，通过车削去除芯棒表面疲劳层，获得表面粗糙度不大于Ra6.3。
4.根据权利要求1所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S2中，首先采用中频加热炉进行整体预热，将芯棒加热至300℃；装夹后将熔覆所用合金粉末进行筛粉和烘粉，烘粉温度为100℃，时间为1h。
5.根据权利要求4所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S2中，烘粉后设置激光功率为6000W-10000W、步距为8-17mm、搭接率为30％-60％。
6.根据权利要求5所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S2中，设置好参数后将激光熔覆头移动至芯棒表面的熔覆起始段后，确认焦距为280mm-300mm，启动氮气气动送粉，送粉量30-50g/min。
7.根据权利要求6所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S2中，芯棒熔覆采用多遍熔覆工艺，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm。
8.根据权利要求7所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤S2中，芯棒熔覆采用两遍熔覆工艺，每一遍熔覆层厚度为0.8～1mm。
9.根据权利要求1所述的一种芯棒的激光熔覆方法，其特征在于，还包括步骤S3，熔覆后对芯棒进行磨削和抛光处理，首先利用车床上芯棒两端的中心孔进行定位装夹和同心度找正；然后进行机械加工，设置车床转速150r/min-200r/min、进给速率40mm/min进行粗车，再设置车床转速100r/min-150r/min、进给速率20mm/min进行精车；在车床千叶轮上安装砂纸，设置车床的转速均为150r/min-200r/min、进给速率为20mm/min，进行抛光。
10.一种芯棒，其特征在于，在所述芯棒整体外表面用权利要求1至9任一项所述熔覆方法进行加工，熔覆层厚度为2.0mm-3.0mm，表面粗糙度不大于Ra6.3。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112059545A (zh) * | 2020-08-26 | 2020-12-11 | 郑州煤矿机械集团股份有限公司 | 一种细长活塞杆激光熔覆变形控制方法 |
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2019
- 2019-08-19 CN CN201910763458.5A patent/CN110512204A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112059545A (zh) * | 2020-08-26 | 2020-12-11 | 郑州煤矿机械集团股份有限公司 | 一种细长活塞杆激光熔覆变形控制方法 |
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