CN111441049B - 一种用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末及其制备方法，属于再制造技术领域，具体涉及一种用于柴油机凸轮轴再制造的激光熔覆粉末。该激光熔覆粉末包括如下质量分数的元素：C：0.30%‑0.45%，Cr：2.8%‑4.20%；Ni：7.0%‑9.0%；Al：3.5%‑5.0%；Mn：2.5%‑3.8%；Mo：0.4%‑1.0%；Si：0.15%‑0.3%；Nb：0.25%‑0.5%；稀土：0.013%‑0.020%；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的激光熔覆合金粉末可在不去除废旧零件渗碳层的条件下直接进行再制造，简化了再制造工艺、降低了企业生产成本，获得的熔覆层无气孔、夹渣、裂纹等缺陷，性能良好。
Description
技术领域
本发明属于再制造技术领域，具体涉及一种用于柴油机凸轮轴再制造的激光熔覆粉末。
背景技术
我国作为制造大国，机电产品保有量巨大，再制造是机电产品资源化循环利用的最佳途径之一。凸轮轴是发动机动力传输机构的重要组成部分，它通过凸轮顶动气缸的进、排气门实现对气门的驱动。凸轮轴运行过程中，承受的载荷包括周期性冲击载荷、接触摩擦载荷、滑动摩擦载荷等。12CrNi3是柴油发动机凸轮轴的典型制备材料，其主要成分有C：0.10%-0.17%，Cr：0.60%-0.90%，Ni：2.75%-3.15%，Si：0.17%-0.37%，Mn：0.30%-0.60%，S：≤0.035%，P ：≤0.035%， Cu：≤0.030%，属于合金渗碳钢。经过渗碳处理后，渗碳层含碳量可达0.8%-1.05%，渗碳层深度0.7mm-2.3mm。渗碳层具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度的特点。但在上述载荷长时间的作用下，12CrNi3凸轮轴会由于工作面出现超量摩擦磨损、疲劳裂纹、金属层剥落等形式的失效而报废。
再制造是维修发展的高级阶段，是先进制造的重要组成，是废旧产品高技术修复、改造的产业化，再制造的主要特征在于其产品的质量和性能达到或超过原型新品。对于12CrNi3凸轮轴，再制造凸轮轴产品的工作面硬度应达到55-65HRC，装机后工作时间不低于20000小时。
近年来，激光熔覆再制造技术飞速发展，成为机电产品再制造领域备受关注的技术方法，激光熔覆合金粉末也日益引起人们关注。公开号为CN109234729A的发明专利申请，针对铸铁基体材料设计了非晶态一种激光熔覆粉末，形成的熔覆层具有较高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。但是其粉末粒度允许范围狭窄，仅为
，造成生产成本过高。公告号为CN106555126A和CN106480363A的发明专利分别针对1Cr15Ni4Mo3N、30CrMnSiNi2A两个钢种设计了激光熔覆粉末，但其主要目的在于保证熔覆界面结合强度、提高熔覆层韧性、改善润湿性等方面，未涉及熔覆层硬度、耐磨性和接触疲劳强度等性能。另一方面，与用于表面改性或增材制造的熔覆粉末不同，用于激光熔覆再制造的合金粉末的设计，不仅需要根据基体材料本身化学成分和服役性能特点，还需综合考虑零件的失效状态和产品性价比等多方面因素。以针对12CrNi3凸轮轴为例，目前的再制造合金粉末都需要先去除失效零件的渗碳层才可进行激光熔覆再制造，不仅工艺复杂，而且熔覆量大，再制造成本较高。企业急需一种性能好，成本低，工艺简单的激光熔覆再制造合金粉末。
目前市场上尚没有针对12CrNi3的激光熔覆材料，采用市售的用于的低碳合金钢激光熔覆粉末对12CrNi3凸轮轴进行再制造，发现存在以下问题：
1、熔覆层与基体之间存在微裂纹，影响凸轮轴的接触疲劳性能；
2、再制造凸轮轴熔覆层内部存在微小气孔缺陷；
3、需先行去除失效零件的渗碳层，工艺复杂，成本较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题和不足，本发明提供了一种针对12CrNi3凸轮轴激光熔覆再制造的合金粉末。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末，包括如下质量分数的元素C：0.30%～0.45%，Cr：2.8%～4.20%；Ni：7.0%～9.0%；Al：3.5%～5.0%；Mn：2.5%～3.8%；Mo：0.4%～1.0%；Si：0.15%～0.3%；Nb：0.25%～0.5%；稀土：0.013%～0.020%；余量为Fe及不可避免的杂质。
作为本发明的一种优选方式，所述不可避免的杂质应满足：S：≤0.02%；P：≤0.025%。
作为本发明的一种优选方式，所述的激光熔覆粉末粒径为60μm～180μm。
本发明的用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末，制备方法为：将除Al外的其他组分，充分混合后，进行熔炼、雾化；
取雾化后的粒径范围在60μm-180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
本发明的激光熔覆粉末成分在12CrNi3基体材料成分的基础上，综合考虑熔覆过程中的合金元素的稀释和烧损等因素，对粉末的合金元素成分进行适当调整：适当添加一定量的铝粉，使之在熔覆过程中与Fe2O3、Cr2O3等发生铝热反应，反应放出的热量可以促进大粒径、高熔点合金粉末的熔化，扩大熔覆粉末的允许粒径范围，提高熔滴的润湿性；同时，反应生成物中的Fe3Al等金属间化合物作为强化相，可提高熔覆层的耐磨损性能。通过添加多种合金元素强化熔覆层，在保证力学性能的条件下，减小含碳量过高引起的裂纹倾向。如Ni、Mn等元素的添加可在提高熔覆层强度、硬度的同时，保证其具有良好的韧性，减小熔覆层与熔覆基体的裂纹倾向。
本发明以Fe为基，成本较低，工艺性能良好，熔覆层金属硬度、耐磨性、接触疲劳强度等性能指标高，均一性好，裂纹倾向小，适合于12CrNi3凸轮轴的再制造应用。其中C元素在熔覆层和基体中主要以固溶体的形式存在，为了减小熔覆层的裂纹倾向，本发明专利设计的熔覆粉末通过添加合金元素强化熔覆层，C含量较小。激光熔覆过程中，基体金属渗碳层中过饱和的C原子向液态熔池扩散，形成含C量较为均匀的新强化层。添加Al粉的目的主要有两个方面：一是利用铝热反应放热熔化大粒径、高熔点的合金元素，扩大熔覆粉末的允许粒径范围，提高熔滴的润湿性；二是上述成分的熔覆粉末中发生的铝热反应可以生成Fe3Al等金属间化合物，提高熔覆层的耐磨性。熔覆粉末中的Cr元素与其在12CrNi3基体中的作用相同，可提高凸轮工作面的耐磨性和接触疲劳强度，还有利于提高凸轮工作面磨削后的表面质量，有利于提高再制造凸轮轴的使用寿命。Ni、Mn等元素可以同时提高钢的强度、韧性和疲劳极限，减小钢对裂纹缺陷的敏感性。Mo、Nb等元素的作用主要是提高钢的回火稳定性，降低熔覆层残余应力，从而提高熔覆层与基体的结合强度。同时Nb元素可以增加淬透性，减少熔覆中的残余奥氏体，提高熔覆层表面耐磨性能。稀土元素可以提高液态金属的流动性，起到改善熔滴润湿性的效果。同时稀土元素的加入可以细化晶粒，提高熔覆层的冲击韧性，改善各向异性。S元素和P元素会导致熔覆层组织严重偏析和回火脆性，但在合金粉末中难以避免，因此应严格控制其含量。本发明中S、P元素含量的质量分数应满足：S:<=0.02%；P:<=0.025%，余量元素为Fe元素。
本发明的激光熔覆合金粉末，采用分步混合的方法制备，先将除Al元素外的其他组分原料进行熔炼、雾化，然后再与Al粉机械混合。目的是为了避免铝粉在熔炼、雾化过程中被氧化或者与其他元素形成化合物。通过本发明的两步法，将Al粉与熔炼、雾化后的其他合金组分机械混合，可以使铝元素保持铝单质状态，进而使其能够在熔覆过程中发生铝热反应。
本发明的激光熔覆合金粉末可在不去除废旧零件渗碳层的条件下直接进行再制造，简化了再制造工艺、降低了企业生产成本，获得的熔覆层无气孔、夹渣、裂纹等缺陷，性能良好。形成的熔覆层冲击韧性ak：95-124J/cm2，抗拉强度Rm：940-1145MPa，断后伸长率：≥14%。
附图说明
图1是本发明实施例5中再制造凸轮的宏观图像；
图2是本发明实施例5中再制造凸轮熔覆层的金相组织图。
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相对清楚、完整地描述，显然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。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。
实施例1：本实施例提供的12CrNi3凸轮轴再制造激光熔覆粉末中各元素的质量分数为：C：0.35%，Cr：4.0%；Ni：7.3%；Al：4.6%；Mn：3.4%；Mo：0.7%；Si：0.16%；Nb：0.3%；稀土：0.015%；S: 0.015%；P: 0.020%；Fe：余量。其中，稀土为为混合稀土，产品牌号194020A，成分应符合《GB/T 4153-2008 混合稀土金属》的规定。
上述原材料除Al外，充分混合后，进行熔炼、雾化。取雾化后的粒径范围在60μm-180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
实施例2：本实施例提供的12CrNi3凸轮轴再制造激光熔覆粉末中各元素的质量分数为：C：0.40%，Cr：3.8%；Ni：8.2%；Al：4.3%；Mn：3.0%；Mo：0.5%；Si：0.20%；Nb：0.35%；稀土：0.017%；S：0.015%；P：0.020%；Fe：余量。其中，稀土为为混合稀土，产品牌号194020A，成分应符合《GB/T 4153-2008 混合稀土金属》的规定。
上述原材料除Al外，充分混合后，进行熔炼、雾化。取雾化后的粒径范围在60μm-180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
实施例3：本实施例提供的12CrNi3凸轮轴再制造激光熔覆粉末中各元素的质量分数为：C：0.45%，Cr：4.2%；Ni：8.5%；Al：4.8%；Mn：3.6%；Mo：0.8%；Si：0.25%；Nb：0.4%；稀土：0.014%；S：0.015%；P：0.020%；Fe：余量。其中，稀土为为混合稀土，产品牌号194020A，成分应符合《GB/T 4153-2008 混合稀土金属》的规定。
上述原材料除Al外，充分混合后，进行熔炼、雾化。取雾化后的粒径范围在60μm-180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
实施例4：本实施例提供的12CrNi3凸轮轴再制造激光熔覆粉末中各元素的质量分数为：C：0.30%，Cr：3.6%；Ni：7.5%；Al：4.2%；Mn：2.8%；Mo：0.6%；Si：0.18%；Nb：0.38%；稀土：0.018%；S：0.015%；P：0.020%；Fe：余量。其中，稀土为混合稀土，产品牌号194020A，成分应符合《GB/T 4153-2008 混合稀土金属》的规定。
上述原材料除Al外，充分混合后，进行熔炼、雾化。取雾化后的粒径范围在60μm-180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
实施例5：利用实施例1的激光熔覆粉末，在12CrNi3材质的钢板上进行熔覆再制造工艺试验，其中12CrNi3钢板为退火态。
本实施例中采用的激光熔覆再制造工艺参数如下：激光功率3kW，光斑直径1.2mm，熔覆速度15mm/s，每层熔覆范围15mm*150mm，累计熔覆3层(与12CrNi3凸轮轴再制造实际熔覆层数相同)，厚度2.4mm。
通过对试件内部微观组织进行观察，熔覆层组织致密，熔覆层与基体连接界面处无裂，未发现熔覆层内部存在纹气孔、夹渣等缺陷，如图1、2所示。
经检测熔覆层化学成分如下：C：0.65%，Cr：3.7%，Ni：6.5%，Al：1.3%；Si：0.1%，Mn：0.50%，Mo：0.6%； S ：≤0.015%， P ：≤0.020%，余量为Fe。
实施例6：利用实施例1～4提供的激光熔覆粉末在12CrNi3材质的钢板上进行熔覆再制造工艺试验，其中12CrNi3钢板为退火态。
本实施例中采用的激光熔覆再制造工艺参数如下：激光功率3kW，光斑直径1.2mm，熔覆速度15mm/s。根据《DB37/T 3589-2019 再制造激光熔覆层与基体结合强度试验试样制备方法》和《DB37/T 3590-2019 再制造激光熔覆层与基体结合强度试验方法及评定》的规定制备试样并进行拉伸试验。
获得试验结果如下：拉伸试样抗拉强度分别为：Rm：975MPa、969 Mpa、972 MPa、980MPa；断裂发生在基体材料一侧；
熔覆层金属的抗拉强度、冲击韧性等性能测试，分别根据《GB/T228-2010 金属材料拉伸试验室温试验方法》、《GB/T229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行。获得试验结果如下：熔覆层金属抗拉强度平均值：1135Mpa；断后伸长率平均值：17.5%，冲击韧性平均值：116 J/cm2。
实施例7：利用实施例1～4提供的激光熔覆粉末，对磨损失效的12CrNi3凸轮轴进行熔覆再制造，其中的失效凸轮轴应先去除原有渗碳层和疲劳层，在本实施例中去除厚度为2.1mm。
本实施例中采用的激光熔覆再制造工艺参数如下：激光功率3kW，光斑直径1.2mm，熔覆速度15mm/s，累计熔覆3层。
对熔覆后凸轮轴进行渗碳处理，渗碳层厚度1.2mm，测量渗碳后凸轮工作面硬度为57～62HRC，再制造12CrNi3凸轮轴23500小时运行后，未出现熔覆层开裂、剥落等损伤，凸轮工作面磨损量未超差。
Claims (2)
1.一种用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末，其特征在于，包括如下质量分数的元素：C：0.30％～0.45％，Cr：2.8％～4.20％；Ni：7.0％～9.0％；Al：3.5％～5.0％；Mn：2.5％～3.8％；Mo：0.4％～1.0％；Si：0.15％～0.3％；Nb：0.25％～0.5％；稀土：0.013％～0.020％；余量为Fe及不可避免的杂质；
所述不可避免的杂质应满足：S：≤0.02％；P：≤0.025％；
所述的激光熔覆粉末粒径为60μm-180μm。
2.一种如权利要求1所述的用于12CrNi3凸轮轴再制造的激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，包括：将除Al外的其他组分，充分混合后，进行熔炼、雾化；取雾化后的粒径范围在60μm～180μm之间的合金粉末，与Al粉进行机械混合。
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