CN110684975B - 一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，通过对牵引轮打磨和预清洗后，采用激光熔覆设备对熔覆面进行熔覆处理，在熔覆面上形成熔覆层，得到具有熔覆层的熔覆牵引轮；再通过机械加工对熔覆牵引轮的熔覆层进行修型处理，得到机加后的成型牵引轮。本发明用激光熔覆技术修复铝合金牵引轮可以有效的延长牵引轮的使用寿命，由于采用的，修复后的牵引轮更加耐磨；采用本发明对牵引轮进行修复、在其牵引槽中形成一层耐磨层，相比做一件新的牵引轮，其生产效率提高了、并降低了能耗、且工序简单，通过本发明制成的牵引轮其质量控制更有效、方便。

Description

一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺

技术领域

本发明涉及激光增材制造及表面改性领域，具体涉及一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺。

背景技术

铝合金质轻，比强度高，力学性能接近或超过钢，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量使用，例如铝合金牵引轮。铝合金的牵引轮在使用过程中，容易在牵引线缆时磨损牵引槽，当磨损到一定程度时严重影响其牵引功能，如图1所示，使用寿命也较低，因此寻求一种适合铝合金牵引轮的修复或增强其耐磨性的方法是非常重要的。

传统的修复或增强耐磨性的技术主要有电镀、电弧或火焰堆焊、热喷涂(火焰、等离子体)等。这些技术已经在零件修复或耐磨层制备中获得了重要应用，但是这些技术本身还存在一定的不足之处，如结合力不高，热输入过大导致零件变形，修复或制备后力学性能差等问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，解决了现有的耐磨层制备技术中，其制备的耐磨层结合力不高、零件受热变形大等上述技术问题。本发明提供了一种增强耐磨性、延长使用寿命的表面强化或修复其尺寸和功能的工艺，其主要针对铸铝合金牵引轮的已磨损牵引槽进行激光修复、制备耐磨层，利用激光熔覆技术对铸铝件增材再制造进行研究，旨在评估铸铝件的铸造缺陷修复进行可行性，并最终达到产品修复、获得高性能耐磨层的目的。本申请文件中，牵引轮的熔覆面即为牵引槽的槽壁。

本发明采用的技术方案如下：

一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，包括如下步骤：

S1、对牵引轮的熔覆面及其周边进行打磨和预清洗；

S2、测量牵引轮的尺寸；

S3、将牵引轮装夹在变位机卡盘上，并使牵引轮和卡盘同轴；

S4、使用去油污清洗剂对牵引轮的熔覆面及其周边进行清洗；

S5、待经过步骤S4处理后的牵引轮表面的水分干透后，采用激光熔覆设备对熔覆面进行熔覆处理，在熔覆面上形成熔覆层，得到具有熔覆层的熔覆牵引轮；

S6、测量熔覆牵引轮，保证其熔覆层具有机加余量；

S7、对熔覆牵引轮进行表面质量进行无损检测；

S8、通过机械加工对熔覆牵引轮的熔覆层进行修型处理，得到机加后的成型牵引轮；

S9、对成型牵引轮进行无损检测。

本发明所采用的激光熔覆技术是指以高能密度的激光束作为热源，在基材表面预置熔覆层粉末或以同步送粉的方式，经激光束照射基材表面和粉末熔融，并快速冷却，熔覆层与基材达到冶金结合，从而实现对零部件修复的一种技术。激光熔覆技术是一种材料表面改性技术，可以显著改善金属材料表面的强度、硬度、耐磨、抗高温氧化、耐腐蚀等性能。与其他表面处理技术相比，激光熔覆具有许多优点，如熔覆热影响区小，工件变形小，工艺易于实现自动化等。采用的材料主要包括自熔性合金粉末、复合材料粉末、陶瓷粉末和生物材料等。

进一步地，按质量百分比计，所述熔覆设备所采用的熔覆材料为40％～80％的铝合金粉末和20％～60％的碳化钨粉末组成的混合粉末。

进一步地，所述铝合金粉末包括铜、锆、锌、镁、铬、锰、硅和铝，以重量百分比计，铜不超过3％、锆为0.08％～0.15％、锌不超过3％、镁为0.17％～0.3％、铬不超过0.01％、锰为0.2％～0.5％、硅为8％～10.5％，剩余部分全为铝。

进一步地，所述去油污清洗剂为丙酮。

进一步地，所述无损检测为着色探伤检测。

进一步地，所述步骤S4处理后的牵引轮经由热风吹干后进行步骤S5。

由于采用了本技术方案，本发明的有益效果是：

用激光熔覆技术修复铝合金牵引轮可以有效的延长牵引轮的使用寿命，由于采用的，修复后的牵引轮更加耐磨；采用本发明对牵引轮进行修复、在其牵引槽中形成一层耐磨层，相比做一件新的牵引轮，其生产效率提高了、并降低了能耗、且工序简单，通过本发明制成的牵引轮其质量控制更有效、方便。铝合金强化的传统方法有：热喷涂、氧化法、物理及化学气相沉积、电镀、激光合金化、激光冲击硬化，这些方法最主要缺点有：强化层薄，一般为几μm到几十μm，难于达到1mm；结合强度低，易剥落；强化层耐磨性不强，易产生裂纹等缺陷。相比传统方法，本发明实现强化层与铝合金的冶金结合，结合强度高，强化层厚度不受限制，耐磨性能突出。适合应用于铝合金零件的尺寸恢复与强化并能应用于新产品的表面强化。本发明还能最突出的特点是即使WC混合比例达到90％，强化层都不会产生裂纹，在工业应用上具有良好的工艺稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：

图1是现有的牵引轮被磨损部位的示意图；

图2是本发明的流程示意图；

图3牵引轮需熔覆的位置的表面结构示意图；

图4是牵引轮打磨去除氧化皮及其他杂质后的表面结构示意图；

图5是激光熔覆后牵引轮表面结构示意图；

图6是熔覆层的金相图；

图7是基材和熔覆层的硬度对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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。

本发明中的“连接”若无特别强调，为常规连接方式，例如一体成形、焊接、铆接等，具体的连接方式根据本技术领域的常规技术知识进行适应性优选地即可。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图2至图7对本发明作详细说明。

实施例1

一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，包括如下步骤：

S1、对牵引轮的熔覆面及其周边进行打磨和预清洗，去除牵引轮表面的油污、氧化层，以防止在激光熔覆过程中油污等杂质气化形成气孔，从而提高牵引轮后续的修复质量；如图2所示，图2中圈住的部位为牵引轮需熔覆部位的缺陷展示，其表面上有许多气孔等缺陷。对有缺陷的牵引轮手工打磨去除氧化皮及其他杂质，并丙酮清洗熔覆面后，得到具备如图3所展示的表面质量的牵引轮。

S2、测量牵引轮的尺寸，主要是测量牵引槽的尺寸，以作为后续步骤S8中的机加的基准尺寸，设牵引槽上某个点对应的半径为r；

S3、将牵引轮装夹在变位机卡盘上，并使牵引轮和卡盘同轴，采用跳度计来调节装夹牵引轮，以保证牵引轮和卡盘同轴度，以便熔覆更均匀。具体地，牵引轮在卡盘的带动下，牵引轮绕卡盘的轴线转动，牵引轮上的待熔覆处理的表面沿周向依次向激光熔覆设备的激光熔覆头移动，当其距离激光熔覆头的距离最近时，完成激光熔覆，而牵引轮和卡盘同轴度高，从而使牵引轮上各个部位在激光熔覆的过程中距离激光熔覆头的距离都是一个定值，从而保证熔覆的均匀性。

S4、使用去油污清洗剂对牵引轮的熔覆面及其周边进行清洗，去油污清洗剂优选地为丙酮；使用丙酮清洗熔覆面积周边，彻底清除油污等杂物，并用热吹风吹干，以保证熔覆质量，防止冷风吹干导致其收缩而产生收缩应力。

S5、待经过步骤S4处理后的牵引轮表面的水分干透后，根据牵引轮修复的位置、形状，校点要保证每个点都合适，然后确定熔覆方式、顺序及路径合理，尽量通过最小的路径完成最多的激光熔覆处理，且各个需要激光熔覆处理的部位均得以处理，以确保熔覆质量和效率。采用激光熔覆设备对熔覆面进行熔覆处理，在熔覆面上形成熔覆层，得到具有熔覆层的熔覆牵引轮；在激光熔覆过程中，工艺参数的选定根据熔覆面形状，熔覆量的多少，选择合适的工艺参数，以确保熔覆的质量。

S6、测量熔覆牵引轮，保证其熔覆层具有机加余量，此时激光熔覆有熔覆层的牵引槽的半径为R，需要保留的熔覆层厚度为h，则可以机加的余量δ＝R-r-h；

S7、对熔覆牵引轮进行表面质量进行无损检测，采用着色探伤，检测有无表面裂纹，气孔等缺陷，如无缺陷，则进行后续处理；可以对每个牵引轮均进行无损检测，也可以对其抽样来进行无损检测，特别是大批量生产时。

S8、通过机械加工对熔覆牵引轮的熔覆层进行修型处理，得到机加后的成型牵引轮，修型方式：车削+磨+抛光，以确保修复后的尺寸及表面质量；机架后的熔覆牵引轮的牵引槽的表面质量如图5所示。

S9、对成型牵引轮进行无损检测，采用着色探伤，检测有无表面裂纹，气孔等缺陷，做最后质量把控，以保证质量、品质。此步骤中，可以对每个牵引轮均进行无损检测，也可以对其抽样来进行无损检测，特别是大批量生产时。

本发明通过在需要修复的牵引轮的牵引槽中通过激光熔覆形成熔覆层，并保证一定机架余量，从而通过后续的机加操作，将牵引槽的尺寸加工到所需。

采用激光熔覆技术修复铝合金牵引轮可以有效的延长牵引轮的使用寿命，由于采用的熔覆材料的特殊性，修复后的牵引轮更加耐磨；采用本发明对牵引轮进行修复、在其牵引槽中形成一层耐磨层，相比做一件新的牵引轮，其生产效率提高了、并降低了能耗、且工序简单，通过本发明制成的牵引轮其质量控制更有效、方便。

铝合金强化的传统方法有：热喷涂、氧化法、物理及化学气相沉积、电镀、激光合金化、激光冲击硬化，这些方法最主要缺点有：强化层薄，一般为几μm到几十μm，难于达到1mm；结合强度低，易剥落；强化层耐磨性不强，易产生裂纹等缺陷。相比传统方法，本发明实现强化层与铝合金的冶金结合，结合强度高，强化层厚度不受限制，耐磨性能突出。适合应用于铝合金零件的尺寸恢复与强化并能应用于新产品的表面强化。本发明还能最突出的特点是即使WC混合比例达到90％，强化层都不会产生裂纹，在工业应用上具有良好的工艺稳定性。

实施例2

本实施例是对本发明做出进一步地实施说明。

本发明所涉及的铝合金牵引轮的材料是铝A7050，其属于硬铝，具有良好的耐磨性；可牵引轮为铸造而成，其组织不太致密，有些气孔、其他缺陷，在长期应变载荷工况下使用磨损较为严重、使用寿命短。其材料成份如下表1所示：

铜(Cu)

锆(Zr)

锌(Zn)

镁(Mg)

铬(Cr)

钛(Ti)

硅(Si)

铝(Al)

2.0～2.6

0.08～0.15

5.7～6.7

1.9～2.6

≤0.04

0≤0.06

0.4-0.55

剩余

表1：工件材料(A7050)化学成分(单位：wt％)

以质量百分比计，所述熔覆设备所采用的熔覆材料为40％～80％的铝合金粉末(铝硅合金AlSi10Mg)和20％～60％的碳化钨(WC)组成的混合粉末。优选地，熔覆材料为70％(质量比)的铝合金粉末和30％的碳化钨。

所述AlSi10Mg包括铜、锆、锌、镁、铬、锰、硅和铝，以重量百分比计，铜不超过3％、锆为0.08％～0.15％、锌不超过3％、镁为0.17％～0.3％、铬不超过0.01％、锰为0.2％～0.5％、硅为8％～10.5％，剩余部分全为铝。

具体地，AlSi10Mg的成分如表2所示：

铜(Cu)

锆(Zr)

锌(Zn)

镁(Mg)

铬(Cr)

锰(Mn)

硅(Si)

铝(Al)

≤0.3

0.08～0.15

≤0.3

0.17～0.3

≤0.01

0.2～0.5

8.0～10.5

剩余

表2：AlSi10Mg(铝合金)化学成分(单位：wt％)

碳化钨粉末的纯度≥93％。

本发明所设计用于熔覆的粉末属于增强相耐磨粉末，其在熔覆耐磨层中，具有优异的熔覆性能、工艺性能良好；其所制成的耐磨层具有良好的耐磨性能。具体地，铝合金粉末的工艺性能好、易熔覆，但其耐磨性较差；而碳化钨颗粒属于陶瓷型耐磨材料，具有极高熔点、无法单独实现碳化钨的熔覆，但耐磨性能极好；故而将两者按一定比例混合制备出特殊的粉末，具有良好的工艺性能，优良的耐磨性能，易于实现激光熔覆工艺，同时满足工件性能要求。

在实际熔覆中，铝合金粉末过多，耐磨层硬度提高不够；其过少，则熔覆材料的熔覆性能不理想，因此基于上述原因，优选地熔覆材料为50％(质量比)的铝合金粉末和50％的碳化钨，以达到熔覆性、工艺性以及形成的耐磨层具有良好耐磨性的最优性能展现。

本发明对熔覆用的粉末进行了改性，增加熔覆层的耐磨性能，改进和扩大了碳化钨粉末在激光熔覆行业的应用。

实施例3

本实施例是关于激光熔覆的主要参数做出实施说明。

在本发明中，主要的熔覆参数有激光功率、激光头的扫描速度、激光的离焦量、送粉量、保护气流量、送粉气流量、搭接量等。激光熔覆设备的型号优选地采用METAL+1006，激光熔覆时其参数如表3所示：

激光功率(P)	扫描速度	送粉量	保护气流量	道与道搭接量
					1500～1700W	10～12mm/s	1～10g/min	15～25l/s	10～30％

表3：铝合金牵引轮的激光熔覆工艺参数

激光熔覆时，送粉气流量优选地为4l/min，激光的离焦量优选地为4。

实施例4

在激光熔覆中，优选地采用多层熔覆，熔覆层中WC分布均匀，与熔覆材料结核性良好，无脱落现象，得到的熔覆层的金相图如图6所示。

经测量对比，牵引轮的基材AA7050超硬铝维氏硬度为150，熔覆层HRC为32—40，转换为维氏硬度在400左右，其远高于基材硬度，其具体数据对比如图7所示，每个组中，高度较低的为基材的硬度，高度较高的为熔覆层的硬度。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

S1、对牵引轮的熔覆面及其周边进行打磨和预清洗；

S2、测量牵引轮的尺寸；

S3、将牵引轮装夹在变位机卡盘上，并使牵引轮和卡盘同轴；

S4、使用去油污清洗剂对牵引轮的熔覆面及其周边进行清洗；

S5、待经过步骤S4处理后的牵引轮表面的水分干透后，采用激光熔覆设备对熔覆面进行熔覆处理，在熔覆面上形成熔覆层，得到具有熔覆层的熔覆牵引轮；

S6、测量熔覆牵引轮，保证其熔覆层具有机加余量；

S7、对熔覆牵引轮进行表面质量进行无损检测；

S8、通过机械加工对熔覆牵引轮的熔覆层进行修型处理，得到机加后的成型牵引轮；

按质量百分比计，所述熔覆设备所采用的熔覆材料为40％～80％的铝合金粉末和20％～60％的碳化钨粉末组成的混合粉末；

所述铝合金粉末包括铜、锆、锌、镁、铬、锰、硅和铝，以重量百分比计，铜不超过3％、锆为0.08％～0.15％、锌不超过3％、镁为0.17％～0.3％、铬不超过0.01％、锰为0.2％～0.5％、硅为8％～10.5％，剩余部分全为铝；所述去油污清洗剂为丙酮；

所述步骤S4处理后的牵引轮经由热风吹干后进行步骤S5。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，其特征在于：所述无损检测为着色探伤检测。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金牵引轮耐磨层的制备工艺，其特征在于：

还包括位于步骤S8之后的步骤S9、对成型牵引轮进行无损检测。

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