CN112226722A - 一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，包括：一、一、将钨粉末、钼粉末和硼粉末混合均匀，得到合金化粉末；二、对管线钢表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂合金化粉末；三、采用连续激光器对喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理。本发明将钨、钼、硼作为激光表面合金化组织添加元素，作为碳源的丙烷气体在激光合金化过程中与碳化物陶瓷形成元素发生碳化反应形成尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒，陶瓷颗粒弥散分布在合金化层中，在磨损过程中起到强化支撑作用，进一步提高合金化层的耐磨损性能。

Description

一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法
技术领域
本发明属于激光表面合金化技术领域，具体涉及一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法。
背景技术
近年来，我国石油及能源工业得到快速发展，埋地管线的建设得到平稳增长。长输管线由于绝大部分铺设在土壤环境中，常因安装使用过程中机械损伤、土壤应力造成的摩擦磨损等作用对管线钢的安全与使用寿命有一定影响。
激光表面合金化又称激光化学热处理，它是利用高能激光束加热并熔化基体表层与添加元素，使其混合后迅速凝固，从而形成以原基材为基体的新的表面合金层。激光表面合金化具有许多独特优点：(1)能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工；(2)区域加热，能量利用率高；(3)合金体系范围宽，便于实现多种、多量的合金搭配；(4)能准确控制各工艺参数，实现合金化层深度可控；(4)热影响区小，工件变形小。
随着激光表面合金化技术的不断发展和完善，以及应用领域的扩展，激光表面合金化组织所表现的防腐耐磨优越性在管线钢防护上应用越来越广泛，激光表面合金化组织能够有效的控制管线钢使用过程中的磨损问题，是人们所接收的一项经济，可靠的表面处理方法，有效的解决了管线钢防护问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法。该方法利用激光合金化表面强化处理技术使合金化元素与基体成分在熔池中发生物理化学冶金反应，熔池凝固后在管线钢表面制备出一层成分、组织、性能均不同于基材的表面强化层，该表面强化层具有极优异的耐磨损性能，处于磨损环境中能够很好的防护管线钢的金属外表面，并且能够有效的延长管线钢的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钨粉末、钼粉末和硼粉末混合均匀，得到合金化粉末；所述合金化粉末中钨粉末的质量百分含量为30％～40％，钼粉末的质量百分含量为30％～40％，余量为硼粉末；
步骤二、对管线钢表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂步骤一中所述合金化粉末；
步骤三、采用连续激光器对步骤二中喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理。
上述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤一中所述钨粉末中钨的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm；钼粉末中钼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm；硼粉末中硼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于30μm。
上述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，还包括步骤二中等离子体喷涂之前将所述合金化粉末在250℃～350℃条件下烘干10min～30min。
上述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤二中所述等离子体喷涂工艺的工艺条件为：电弧电压为60V～100V，电弧电流为400A～600A，氮气流量为10L/min～30L/min，氮气压力为1.0MPa～2.0MPa，氢气流量为10L/min～20L/min，氢气压力为1.0MPa～2.0MPa，喷枪移动速度为20mm/s～60mm/s，喷涂距离为200mm～300mm，喷涂厚度为600μm～1000μm。
上述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤三中所述扫描强化的工艺参数为：激光功率P为2000W～6000W，扫描速度V为200mm/min～600mm/min，光斑直径为2mm～4mm，在扫描过程中持续不断地通入氩气作为保护气，气体压力为1.0MPa～2.0MPa，气体流量为10L/min～15L/min，以防止熔池氧化，丙烷气体作为碳源气体，气体压力为1.0MPa～2.0MPa，气体流量为4L/min～8L/min，扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的搭接为50％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用激光合金化表面强化处理技术使合金化元素与基体成分在熔池中发生物理化学冶金反应，熔池凝固后在管线钢表面制备出一层成分、组织、性能均不同于基材的表面强化层，该表面强化层具有极优异的耐磨损性能，处于磨损环境中能够很好的防护管线钢的金属外表面，并且能够有效的延长管线钢的使用寿命。
2、本发明将钨、钼、硼作为激光表面合金化组织添加元素。合金化元素钨、钼、硼和基体中的铁在激光合金化过程中生成FeWMoB四元共晶化合物，该四元共晶化合物具有较高的硬度，作为激光表面合金化组织的增强相，极大的提高了激光表面合金化组织的耐磨损性能。
3、本发明将钨、钼、硼作为激光表面合金化组织添加元素，作为碳源的丙烷气体在激光合金化过程中注入金属熔池与碳化物陶瓷形成元素钨、钼、硼发生碳化反应形成碳化硼、碳化钨、碳化钼尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒。上述陶瓷颗粒弥散分布在合金化层中，在磨损过程中起到强化支撑作用，进一步提高合金化层的耐磨损性能。
4、本发明激光束扫描过程中，两个相邻单道之间的搭接为50％，因此淬硬层受到搭接回火效应影响，基体组织生成回火索氏体组织，回火索氏体组织是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。回火索氏体组织的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物，常温下是一种平衡组织。因此回火索氏体组织具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，因此具有良好的综合力学性能。
激光表面合金化组织的基体组织为回火索氏体，FeWMoB四元共晶化合物作为化合物增强相，碳化硼、碳化钨、碳化钼陶瓷颗粒作为陶瓷增强相，因此激光表面合金化组织具有优异的耐磨损性能，可以有效的提高管线钢的耐磨损性能，对管线钢形成有效的机械保护作用。
5、本发明利用等离子体喷涂工艺在管线钢表面制备合金化粉末涂覆层，与传统的气相沉积、粘结、电镀等工艺制备合金化粉末涂覆层相比，具有合金化粉末涂覆层与基体结合强度高，在激光合金化过程中合金化粉末涂覆层不易脱落等优点。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的激光表面合金化组织的金相照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例的管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钨粉末(钨的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)、钼粉末(钼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)和硼粉末(硼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于30μm)混合均匀，得到合金化粉末；所述合金化粉末中钨粉末的质量百分含量为40％，钼粉末的质量百分含量为30％，余量为硼粉末；
步骤二、对管线钢(X70)表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；将步骤一中所述合金化粉末在300℃条件下烘干20min，然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂烘干后的合金化粉末；所述等离子体喷涂工艺的工艺条件为：电弧电压为60V，电弧电流为400A，氮气流量为10L/min，氮气压力为1.0MPa，氢气流量为10L/min，氢气压力为1.0MPa，喷枪移动速度为60mm/s，喷涂距离为300mm，喷涂厚度为600μm；
步骤三、采用连续激光器对步骤二中喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理，在管线钢表面得到激光表面合金化组织；所述扫描强化的工艺参数为：激光功率P为2000W，扫描速度V为200mm/min，光斑直径为2mm，在扫描过程中持续不断地通入氩气作为保护气，气体压力为1.0MPa，气体流量为10L/min，以防止熔池氧化，丙烷气体作为碳源气体，气体压力为1.0MPa，气体流量为4L/min，扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的搭接为50％。
图1为本实施例制备的激光表面合金化组织的金相照片，从图1中可看到管线钢基体与激光表面合金化组织的结合状况良好，组织均匀，激光表面合金化组织结构致密，没有明显的聚集孔隙和宏观裂纹的存在。
本实施例制备的激光表面合金化组织具有极优良的耐磨损性能，用于长输管道管线钢的耐磨损工作环境，能够满足长输管道管线钢工作环境的要求，有效的解决长输管道管线钢磨损的问题，在该长输管道防护领域有着良好的应用前景。
实施例2
本实施例的管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钨粉末(钨的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)、钼粉末(钼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)和硼粉末(硼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于30μm)混合均匀，得到合金化粉末；所述合金化粉末中钨粉末的质量百分含量为30％，钼粉末的质量百分含量为40％，余量为硼粉末；
步骤二、对管线钢(X80)表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；将步骤一中所述合金化粉末在250℃条件下烘干30min，然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂烘干后的合金化粉末；所述等离子体喷涂工艺的工艺条件为：电弧电压为80V，电弧电流为500A，氮气流量为20L/min，氮气压力为1.5MPa，氢气流量为15L/min，氢气压力为1.5MPa，喷枪移动速度为40mm/s，喷涂距离为250mm，喷涂厚度为800μm；
步骤三、采用连续激光器对步骤二中喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理，在管线钢表面得到激光表面合金化组织；所述扫描强化的工艺参数为：激光功率P为4000W，扫描速度V为400mm/min，光斑直径为3mm，在扫描过程中持续不断地通入氩气作为保护气，气体压力为1.5MPa，气体流量为15L/min，以防止熔池氧化，丙烷气体作为碳源气体，气体压力为1.5MPa，气体流量为6L/min，扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的搭接为50％。
本实施例制备的激光表面合金化组织具有极优良的耐磨损性能，用于长输管道管线钢的耐磨损工作环境，能够满足长输管道管线钢工作环境的要求，有效的解决长输管道管线钢磨损的问题，在该长输管道防护领域有着良好的应用前景。
实施例3
本实施例的管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钨粉末(钨的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)、钼粉末(钼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm)和硼粉末(硼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于30μm)混合均匀，得到合金化粉末；所述合金化粉末中钨粉末的质量百分含量为35％，钼粉末的质量百分含量为35％，余量为硼粉末；
步骤二、对管线钢(X100)表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；将步骤一中所述合金化粉末在350℃条件下烘干10min，然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂烘干后的合金化粉末；所述等离子体喷涂工艺的工艺条件为：电弧电压为100V，电弧电流为600A，氮气流量为30L/min，氮气压力为2.0MPa，氢气流量为20L/min，氢气压力为2.0MPa，喷枪移动速度为20mm/s，喷涂距离为200mm，喷涂厚度为1000μm；
步骤三、采用连续激光器对步骤二中喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理，在管线钢表面得到激光表面合金化组织；所述扫描强化的工艺参数为：激光功率P为6000W，扫描速度V为600mm/min，光斑直径为4mm，在扫描过程中持续不断地通入氩气作为保护气，气体压力为2.0MPa，气体流量为15L/min，以防止熔池氧化，丙烷气体作为碳源气体，气体压力为2.0MPa，气体流量为8L/min，扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的搭接为50％。
本实施例制备的激光表面合金化组织具有极优良的耐磨损性能，用于长输管道管线钢的耐磨损工作环境，能够满足长输管道管线钢工作环境的要求，有效的解决长输管道管线钢磨损的问题，在该长输管道防护领域有着良好的应用前景。
对实施例1、2、3中的管线钢在有无激光合金化表面强化处理的条件下分别测试显微硬度，施加载荷为40N，转速为1000r/min的条件下，利用摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，表1为实施例1、2、3中的管线钢在有无激光合金化表面强化处理的条件下的显微硬度，分别磨损30分钟、60分钟和90分钟后的磨损量。
表1有无激光合金化表面强化处理的条件下管线钢的耐磨损性能
Figure BDA0002726591960000071
Figure BDA0002726591960000081
从表中的试验数据可以观察到，激光合金化表面强化处理的管线钢具有较高的显微硬度。在相同摩擦磨损测试条件下，激光合金化表面强化处理的管线钢的磨损量小于未激光合金化表面强化处理的管线钢的磨损量，这是由于激光表面合金化组织中的FeWMoB四元共晶化合物增强相，碳化硼、碳化钨、碳化钼陶瓷增强相，有效提高了涂层的耐磨性，因此激光表面合金化组织能有效提高管线钢的耐磨损性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钨粉末、钼粉末和硼粉末混合均匀，得到合金化粉末；所述合金化粉末中钨粉末的质量百分含量为30％～40％，钼粉末的质量百分含量为30％～40％，余量为硼粉末；
步骤二、对管线钢表面进行表面除锈、除氧化皮和除油清洁处理；然后采用等离子体喷涂工艺在处理后的管线钢表面喷涂步骤一中所述合金化粉末；
步骤三、采用连续激光器对步骤二中喷涂有合金化粉末的管线钢表面进行扫描强化，然后根据管线钢表面的光洁度要求进行打磨加工处理。
2.根据权利要求1所述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤一中所述钨粉末中钨的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm；钼粉末中钼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于20μm；硼粉末中硼的质量百分含量大于99.99％，平均粒度小于30μm。
3.根据权利要求1所述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，还包括步骤二中等离子体喷涂之前将所述合金化粉末在250℃～350℃条件下烘干10min～30min。
4.根据权利要求1所述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤二中所述等离子体喷涂工艺的工艺条件为：电弧电压为60V～100V，电弧电流为400A～600A，氮气流量为10L/min～30L/min，氮气压力为1.0MPa～2.0MPa，氢气流量为10L/min～20L/min，氢气压力为1.0MPa～2.0MPa，喷枪移动速度为20mm/s～60mm/s，喷涂距离为200mm～300mm，喷涂厚度为600μm～1000μm。
5.根据权利要求1所述的一种管线钢用激光合金化表面强化处理方法，其特征在于，步骤三中所述扫描强化的工艺参数为：激光功率P为2000W～6000W，扫描速度V为200mm/min～600mm/min，光斑直径为2mm～4mm，在扫描过程中持续不断地通入氩气作为保护气，气体压力为1.0MPa～2.0MPa，气体流量为10L/min～15L/min，以防止熔池氧化，丙烷气体作为碳源气体，气体压力为1.0MPa～2.0MPa，气体流量为4L/min～8L/min，扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的搭接为50％。
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