CN115584498A - 一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法 - Google Patents

一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法。为解决现有截齿因表面强化不足导致的硬度和耐磨性差的问题，本发明利用激光熔覆技术在截齿外表面制备多元复合金属陶瓷熔覆层，具体的步骤为：将截齿清理干净并装入工装；采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合；采用机械手和转台组合的激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层熔覆，通过送粉器将混合粉末送至熔池熔化，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。通过优化熔覆工艺和熔覆材料，既显著减缓了熔覆过程WC的沉降、脱碳和分解，又通过低密度TiC和金刚石微粉弥补熔覆层顶部增强相缺失，制备出致密无缺陷的耐磨熔覆层，耐磨性高，延长了截齿的使用寿命。

Description

一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法。
背景技术
煤炭是我国的基础能源和重要工业原料，为国民经济和社会发展提供了可靠的能源保障。随着“双碳目标”的持续推进，煤炭在未来能源结构转变中仍发挥重要的支撑作用。我国煤炭主要采用井工开采，每年需要的煤矿装备数量惊人。截齿作为采煤及巷道掘进等煤矿机械中的易损件之一，在采煤过程中不仅遭受剪切应力、压应力以及冲击载荷的作用，且长期处于井下恶劣的环境中，易出现偏磨损、崩刃、齿体断裂以及脱齿等失效。统计表明，每开采1万吨煤需要消耗400-1300把截齿，按年煤炭开采量计算截齿产值达160-520亿元。因此，加大截齿技术的研发，提升截齿的耐磨性能、耐冲击性能、延长截齿的服役寿命已迫在眉睫。
针对截齿的磨损失效，利用等离子熔覆、堆焊、热喷涂等表面工程技术在截齿表面制备耐磨涂层有效提升了截齿的服役性能(专利CN 113586050 A、专利CN 113774377 A等)。然而，相关表面强化技术仅与基材形成机械结合存在结合强度低、较高的热输入导致基材热影响区扩大等问题，制约了截齿性能的进一步提高。近年来，激光熔覆技术快速兴起与发展为截齿强化提供了新的途径。相比热喷涂技术和堆焊技术等，激光熔覆具有基材和熔覆层呈现冶金结合、热影响区小、熔覆层性能优异以及修复后零件便于继续加工等众多优点，为提高截齿质量提供了一种新的强化途径。
发明内容
本发明为解决现有截齿表面强化不足，使得截齿表面硬度和耐磨性差的问题，提供一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，以提高截齿的耐磨性，延长使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，利用激光熔覆技术在截齿外表面制备多元复合金属陶瓷熔覆层。
具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合；
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。
进一步，截齿优选为镐形截齿。
进一步，步骤S2中混粉机的混合时间为30-60min。
进一步，金属陶瓷包括以下重量份原料：镍基合金粉(Ni-B-Si)35-65份、WC微粉30-60份、TiC微粉5-20份和金刚石微粉2-10份。
进一步，步骤S3中激光熔覆工艺为：熔覆功率2-4KW、送粉量40-80g/min、搭接率40-60％、截齿旋转速度5-10rmp/min。
进一步，金属陶瓷原料德粒径为：镍基合金粉(Ni-B-Si)40—100μm、WC微粉100-250μm、TiC 2-10μm和金刚石微粉30-50μm。
进一步，金刚石微粉经过盐浴渗钨表面处理。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)本发明利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层，克服了等离子熔覆过程易导致基体过热问题。
2)本发明利用带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层熔覆。
3)本发明通过多元熔覆粉末的优化，利用WC、TiC和金刚石微粉的组配，既显著减缓了熔覆过程中WC的沉降，又通过低密度的TiC和金刚石微粉弥补了熔覆层顶部增强相的缺失。
4)本发明通过盐浴渗钨表面处理，改善了金刚石微粉与镍基体的浸润性。
5)本发明通过优化熔覆工艺和熔覆材料，既减缓了WC的脱碳与分解，还制备出了致密无缺陷的耐磨熔覆层。
附图说明
图1为本发明的截齿表面激光熔覆表面强化示意图；
图2为实施例1的盐浴渗铬金刚石微粉的微观组织图；
图3为实施例1的截齿表面激光熔覆金属陶瓷层的微观组织图；
图4为对比例1的截齿表面激光熔覆金属陶瓷层的微观组织图；
图5为本发明截齿表面激光熔覆金属陶瓷层与现有截齿硬度的对比结果；
图6为本发明截齿表面激光熔覆金属陶瓷层与现有截齿耐磨性的对比结果。
其中：1-镐形截齿、2-截齿工装、3-激光熔覆控制器、4-机械手控制器、5-高速激光熔覆头、6-机械手、7-激光熔覆送粉器。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。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。
本发明利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层。通过高能束的激光熔覆技术克服了等离子熔覆过程易导致基体过热问题；通过带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层的熔覆；通过适宜的金属相和陶瓷增强相组配，提高了熔覆层的性能。因此，利用激光熔覆技术，通过不同陶瓷相的组配和优化熔覆工艺可制备出高性能截齿耐磨熔覆层，延长了截齿的使用寿命。
实施例1
一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，具体为：优选截齿为镐形截齿，通过带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层熔覆；通过多元熔覆粉末的优化，利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层。
具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合，混合时间为30min；
熔覆粉末的成分为：WC微粉50份、TiC微粉10份、金刚石微粉5份和镍基合金粉(Ni-B-Si)35份。
熔覆粉末的粒径为：镍基合金粉(Ni-B-Si)40μm、WC微粉100μm、TiC 2μm和金刚石微粉30μm。
S2所述的金刚石微粉经过盐浴渗钨表面处理，具体工艺为：选择用KCl/NaCl高温混合盐浴体系进行渗钨处理，钨粉和金刚石微粉比例为2:1，熔渗工艺为1000℃，保温4h。盐浴处理后，采用酸洗煮沸的方式进行盐浴金刚石粉末分离处理，并利用真空烘箱进行80℃、240min的烘干处理，其微观形貌如图3所示。
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，激光熔覆工艺为：熔覆功率3KW、送粉量50g/min、搭接率50％、截齿旋转速度5rmp/min，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。其中，激光熔覆过程的示意图如图1所示，截齿的具体熔覆过程为：为了满足镐形截齿1的表面熔覆，需要利用工装2将截齿表面待熔覆表面调整为水平放置。随后，打开激光熔覆设备控制器3、机械手控制器4和送粉器7，做好熔覆准备。随着，打开高速熔覆设备，利用机械手6控制熔覆头5的移动速度，实现在截齿表面的耐磨层的均匀熔覆。所制备的多元复合金属陶瓷熔覆层的微观形貌如图2所示。
通过分析，本发明利用激光熔覆技术制备的截齿锥形表面耐磨熔覆层的硬度高达1200HV(图5)，显著高于市售截齿和对比例所制备熔覆层的硬度。
进一步的，本发明利用激光熔覆技术制备的截齿锥形表面耐磨熔覆层的磨损失重低至4.5mg/min(图6)，显著优于市售截齿和对比例所制备熔覆层的硬度。
实施例2
一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，具体为：优选截齿为镐形截齿，通过带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层熔覆；通过多元熔覆粉末的优化，利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层。
具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合，混合时间为60min；；
熔覆粉末的成分为：WC50份、TiC10份、金刚石2份和镍基合金(Ni-B-Si)38份。
熔覆粉末的粒径为：镍基合金粉(Ni-B-Si)100μm、WC微粉250μm、TiC 10μm和金刚石微粉50μm。
所述的金刚石微粉经过盐浴渗钨表面处理，具体工艺为：选择用KCl/NaCl高温混合盐浴体系进行渗钨处理，钨粉和金刚石微粉比例为4:1，熔渗工艺为1000℃，保温8h。盐浴处理后，采用酸洗煮沸的方式进行盐浴金刚石粉末分离处理，并利用真空烘箱进行80℃、240min的烘干处理。
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，激光熔覆工艺为：熔覆功率3KW、送粉量50g/min、搭接率50％、截齿旋转速度5rmp/min，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。
实施例3
一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，具体为：优选截齿为镐形截齿，通过带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层熔覆；通过多元熔覆粉末的优化，利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层。
具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合，混合时间为30min；；
熔覆粉末的成分为：WC50份、TiC5份、金刚石10份和镍基合金(Ni-B-Si)35份。
熔覆粉末的粒径为：镍基合金粉(Ni-B-Si)50μm、WC微粉150μm、TiC 8μm和金刚石微粉40μm。
金刚石微粉经过盐浴渗钨表面处理，具体工艺为：选择用KCl/NaCl高温混合盐浴体系进行渗钨处理，钨粉和金刚石微粉比例为2:1，熔渗工艺为1000℃，保温4h。盐浴处理后，采用酸洗煮沸的方式进行盐浴金刚石粉末分离处理，并利用真空烘箱进行80℃、240min的烘干处理。
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，激光熔覆工艺为：熔覆功率3KW、送粉量50g/min、搭接率50％、截齿旋转速度5rmp/min。最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。
对比例1
一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，具体为：优选截齿为镐形截齿，通过带有机械手和转台组合激光熔覆设备实现了截齿锥形表面耐磨层熔覆；通过多元熔覆粉末的优化，利用激光熔覆技术在截齿表面制备了多元复合金属陶瓷熔覆层。
具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合，混合时间为30min；；
熔覆粉末的成分为：WC50份和镍基合金(Ni-B-Si)50份。
S2所述的熔覆粉末的粒径为：镍基合金粉(Ni-B-Si)50μm、WC微粉120μm。
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，激光熔覆工艺为：熔覆功率3KW、送粉量50g/min、搭接率50％、截齿旋转速度5rmp/min，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层，所制备熔覆层的微观形貌如图4所示。
本发明实施例一为最优实施例，通过优化激光熔覆粉末的粉末配比，利用WC、TiC和金刚石微粉的粉末组配，既显著减缓了熔覆过程中WC的沉降，又通过低密度的TiC和金刚石微粉弥补了熔覆层顶部增强相的缺失，还提升了熔覆层的硬度；通过优化熔覆工艺，既减缓了WC的脱碳与分解，还制备出了致密无缺陷的耐磨熔覆层。与现役截齿相比，采用本发明的激光熔覆耐磨层和截齿试样分析，截齿表面激光熔覆层的硬度达1350HV，较对比例1的单一WC增强相熔覆层提升近50％，较现役截齿提升约60％(图5)；同时，复合熔覆层的耐磨性较单一WC熔覆层提升约43％，较现役截齿提升约45％(图6)。

Claims (8)

1.一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，利用激光熔覆技术在截齿外表面制备多元复合金属陶瓷熔覆层。
2.根据权利要求1所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：将截齿基材表面清理干净并装入工装；
S2：采用三维混粉机将熔覆粉末按照比例混合；
S3：采用带有机械手和转台组合激光熔覆设备进行截齿锥形表面耐磨层的熔覆，通过送粉器将熔混合熔覆粉末送至熔池熔化，最终在截齿外表面形成多元复合金属陶瓷熔覆层。
3.根据权利要求2所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述截齿为镐形截齿。
4.根据权利要求2或3所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述步骤S2中混粉机的混合时间为30-60min。
5.根据权利要求4所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述的金属陶瓷包括以下重量份原料：镍基合金粉（Ni-B-Si）35-65份、WC微粉30-60份、TiC微粉5-20份和金刚石微粉2-10份。
6.根据权利要求5所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述步骤S3中激光熔覆工艺为：熔覆功率2-4KW、送粉量40-80g/min、搭接率40-60%、截齿旋转速度5-10rmp/min。
7.根据权利要求6所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述的金属陶瓷原料德粒径为：镍基合金粉（Ni-B-Si）40—100μm、WC微粉100-250 μm、TiC2-10 μm和金刚石微粉30-50μm。
8.根据权利要求7所述的一种提高截齿耐磨性的激光熔覆表面强化方法，其特征在于，所述的金刚石微粉经过盐浴渗钨表面处理。
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