CN113755836A - 一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法 - Google Patents

一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其中：步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；步骤三，采用丙酮和水依次清洗主轴表面，至表面清洁无油污；步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。本发明在保证基材综合力学性能的同时，提高表面硬度，从而提高表面耐磨性。

Description

一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法
技术领域
本发明属于压缩机技术领域，涉及压缩机的主轴，具体涉及一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法。
背景技术
主轴是压缩机中极为重要的大型锻件，合金结构钢是主轴最为常见的材料之一。通常在压缩机工作过程中，主轴表面或局部表面承受着较大的摩擦力，因此磨损也是主轴常见的失效方式之一。
激光表面合金化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的新的表面合金层。激光合金化具有热输入量较低、工件变形小、晶粒细小以及合金化强度、硬度高等优点，是目前应用前景较为广泛的一种金属表面改性方法。目前常见的激光熔覆粉末一种是在合金粉末中添加WC、TiC、SiC等硬质陶瓷材料来提高熔覆层的硬度和耐磨性，但该类粉末裂纹敏感性高，极易出现裂纹；另一种是镍基、铁基、钴基等自熔性合金粉末，但绝大多数自熔合金粉末中硼和硅的含量较高,由于激光合金化中冷却速度快，使得一些夹杂如硼硅酸盐无法顺利从快速凝固的熔池内浮出,导致激光熔覆层开裂敏感性较大，合金化后基材表层质量不稳定。高镍耐冲击疲劳磨损的铁基自熔性合金粉末，粉末镍含量高，极大提高合金化粉末润湿性，提高界面结合强度，且粉末中含有较高的钨、钼和钒，因而显著提高了铁基体的强度和冲击韧性，同时适量的硼，硅含量使其具有良好的自熔性。
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，解决现有技术中激光合金化粉末裂纹敏感度高、合金化表面质量差以及耐磨性差的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.80～0.90wt.％，Si为0.20～0.45wt.％，Mn为0.15～0.40wt.％，Cr为3.80～4.40wt.％，V为1.75～2.20wt.％，Mo为4.50～5.50wt.％，W为5.50～6.75wt.％，Ni为0.30～1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤三，采用丙酮和水依次清洗主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
本发明还具有如下技术特征：
优选的，所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为3.80wt.％，V为2.20wt.％，Mo为5.50wt.％，W为6.75wt.％，Ni为1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为(15～25):1。
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.1～0.2mm。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1300～2000W，扫描速率为1200～800mm/min。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明采用高镍铁基合金粉末激光合金化技术，通过提高铁基合金粉末中Ni含量，降低Si含量，同时保持较高的钨、钼和钒含量，在合金结构钢主轴表面制备了无裂纹、高性能耐磨涂层，解决目前制备方法裂纹敏感度高、合金化表层质量差等问题，在保证基材综合力学性能的同时，提高表面硬度，从而提高表面耐磨性。
(Ⅱ)目前该方法可在35CrMo主轴表面制备出：合金化层厚度为220～370μm，表面改性层厚度为658～950μm，合金化层表面显微硬度为658～853HV，合金化层最高硬度为765～916Hv，表面改性层与合金化层比例为2.5～3.9的合金化耐磨涂层。
附图说明
图1为实施例1得到的截面形貌图(放大50倍)。
图2为实施例1得到的截面形貌图(放大2000倍，合金化层过渡区)。
图3为实施例1得到表面改性层截面显微硬度变化曲线。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有原料和设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的原料和设备。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为3.80wt.％，V为2.20wt.％，Mo为5.50wt.％，W为6.75wt.％，Ni为1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为25:1。
步骤三，采用丙酮和水依次清洗35CrMo主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.2mm。
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1300W，扫描速率为800mm/min。
本实施例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为236.2μm，表面改性层厚度为716.3μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为3.0，合金化层表面显微硬度为853HV，心部显微硬度为245HV，涂层表层至心部显微硬度先升高(230μm处涂层显微硬度值最大为916HV)后缓慢降低(716.3μm处涂层显微硬度值最大为245HV)。
图1为本实施例得到主轴材料激光合金化后表面放大50倍的截面形貌图，从图1中可知本实施例处理后，合金化层厚度为236.2μm，表面改性层厚度为716.3μm，激光合金化层与基体截面结合良好，无微裂纹产生。
图2为本实施例得主轴材料激光合金化后表面到的得到的放大2000倍的截面形貌图，从图2中可知在较大倍数下，合金化层组织均匀无气孔、未熔合等缺陷。
图3为本实施例得到表面改性层截面显微硬度变化曲线，从图3中可知合金化层表面显微硬度为853HV，心部显微硬度为245HV，涂层表层至心部显微硬度先升高(230μm处涂层显微硬度值最大为916HV)后缓慢降低(716.3μm处涂层显微硬度值最大为245HV)。
实施例2：
本实施例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.80wt.％，Si为0.45wt.％，Mn为0.15wt.％，Cr为4.40wt.％，V为1.75wt.％，Mo为4.50wt.％，W为5.50wt.％，Ni为0.30wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为15:1。
步骤三，采用丙酮和水依次清洗35CrMo主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.1mm。
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1300W，扫描速率为1000mm/min。
本实施例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为370μm，表面改性层厚度为950μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为2.5，合金化层表面显微硬度为600HV，心部显微硬度为250HV，显微硬度随层深的增加先升高(235μm处涂层显微硬度值最大为630HV)后缓慢降低(950μm处涂层显微硬度值最大为250HV)。
实施例3：
本实施例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.85wt.％，Si为0.35wt.％，Mn为0.40wt.％，Cr为4.00wt.％，V为1.95wt.％，Mo为5.00wt.％，W为6.50wt.％，Ni为0.50wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为20:1。
步骤三，采用丙酮和水依次清洗35CrMo主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.15mm。
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1400W，扫描速率为900mm/min。
本实施例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为220μm，表面改性层厚度为853.4μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为3.9，合金化层表面显微硬度为795HV，心部显微硬度为248HV，显微硬度随层深的增加先升高(220μm处涂层显微硬度值最大为800HV)后缓慢降低(853.4μm处涂层显微硬度值最大为248HV)。
实施例4：
本实施例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.85wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为4.10wt.％，V为2.05wt.％，Mo为5.00wt.％，W为6.75wt.％，Ni为0.50wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为15:1。
步骤三，采用丙酮和水依次清洗35CrMo主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.1mm。
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为2000W，扫描速率为1200mm/min。
本实施例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为260μm，表面改性层厚度为658μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为2.6，合金化层表面显微硬度为658HV，心部显微硬度为250HV，显微硬度随层深的增加先升高(230μm处涂层显微硬度值最大为765HV)后缓慢降低(670.6μm处涂层显微硬度值最大为250HV。
实施例5：
本实施例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.30wt.％，Mn为0.15wt.％，Cr为4.20wt.％，V为2.05wt.％，Mo为5.00wt.％，W为6.75wt.％，Ni为0.50wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为15:1。
步骤三，采用丙酮和水依次清洗35CrMo主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤四中，所述的涂层的厚度为0.1mm。
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1300W，扫描速率为800mm/min。
本实施例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为285.8μm，表面改性层厚度为819.2μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为2.9，合金化层表面显微硬度为856HV，心部显微硬度为247HV，显微硬度随层深的增加先升高(300μm处涂层显微硬度值最大为900HV)后缓慢降低(819.2μm处涂层显微硬度值最大为247)。
对比例1：
本对比例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，该方法与实施例1中的方法的区别仅仅在于，所述的高镍铁基合金粉末的配方不同，本对比例的高镍铁基合金粉末的配方中没有Ni元素，用等量的Fe元素替代。
具体的，本对比例中，所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为3.80wt.％，V为2.20wt.％，Mo为5.50wt.％，W为6.75wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
本对比例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为220.4μm，表面改性层厚度为615.6μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为2.8，合金化层表面显微硬度为763HV，心部显微硬度为245HV，涂层表层至心部显微硬度先升高(212μm处涂层显微硬度值最大为810HV)后缓慢降低(615.6μm处涂层显微硬度值最大为245HV)。
对比例2：
本对比例给出一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，该方法与实施例1中的方法的区别仅仅在于，所述的高镍铁基合金粉末的配方不同，本对比例的高镍铁基合金粉末的配方中没有W元素，用等量的Fe元素替代。
具体的，本对比例中，所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为3.80wt.％，V为2.20wt.％，Mo为5.50wt.％，Ni为1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
本对比例制备的激光合金化涂层，合金化层厚度为202.5μm，表面改性层厚度为619.0μm，表面改性层厚度与合金化层厚度比例为3，合金化层表面显微硬度为751HV，心部显微硬度为242HV，涂层表层至心部显微硬度先升高(200μm处涂层显微硬度值最大为813HV)后缓慢降低(619.0μm处涂层显微硬度值最大为242HV)。
从实施例1与对比实施例1、2的对比可以看出，去除Ni、W后涂层最大厚度与硬度显著降低。

Claims (6)

1.一种高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，所述的主轴为合金结构钢主轴，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取高镍铁基合金粉末原料，加热熔融后，在真空氮气保护雾化室雾化，得到雾化的高镍铁基合金粉末，并用标准筛过滤，选取目数为200～300目的高镍铁基合金粉末；
所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.80～0.90wt.％，Si为0.20～0.45wt.％，Mn为0.15～0.40wt.％，Cr为3.80～4.40wt.％，V为1.75～2.20wt.％，Mo为4.50～5.50wt.％，W为5.50～6.75wt.％，Ni为0.30～1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
步骤二，将筛好的高镍铁基合金粉末与粘结剂混合，配制合金化涂料；
步骤三，采用丙酮和水依次清洗主轴表面，至表面清洁无油污；
步骤四，使用喷枪在主轴表面局部区域均匀喷涂一层合金化涂料，并烘干，形成涂层；
步骤五，采用光纤激光器对涂层进行搭接扫描形成合金化表层，扫描过程用氩气保护熔池。
2.如权利要求1所述的高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其特征在于，所述的高镍铁基合金粉末，以重量百分数计，各元素的配比为：C为0.90wt.％，Si为0.20wt.％，Mn为0.30wt.％，Cr为3.80wt.％，V为2.20wt.％，Mo为5.50wt.％，W为6.75wt.％，Ni为1.00wt.％，余量为Fe，各元素的重量百分数之和为100％。
3.如权利要求1所述的高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其特征在于，步骤二中，所述的粘结剂为6wt.％聚乙烯醇溶液.
4.如权利要求1所述的高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其特征在于，步骤二中，高镍铁基合金粉末与粘结剂的质量配比为(15～25):1。
5.如权利要求1所述的高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其特征在于，步骤四中，所述的涂层的厚度为0.1～0.2mm。
6.如权利要求1所述的高镍铁基粉末激光合金化提高主轴局部耐磨性的方法，其特征在于，步骤五中，所述的光纤激光器搭接率为33％，激光功率为1300～2000W，扫描速率为1200～800mm/min。
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