CN115896644A - 一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，用于激光熔覆加工煤矿液压立柱中/外缸内孔的技术中，解决现有激光加工技术难以满足液压立柱中/外缸内壁的修复需求，且容易导致不锈钢开裂和腐蚀的技术问题。该降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，成分以百分比计包括：C：0.04wt％～0.06wt％；Cr:18.3wt％～18.5wt％；Cu:3.9wt％～4.1wt％；Ta：0.75wt％～0.85wt％；V：0.29wt％～0.31wt％；Mn：0.22wt％～0.26wt％；Si：0.3wt％～0.4wt％；O≤0.015wt％；S≤0.030wt％；P≤0.030wt％；其余为Fe。本发明既保证了工况环境下熔覆层的耐蚀性的基本需求又降低镗刀的温度集中，还降低了镗刀的磨损率，防止了熔覆层的加工硬化现象的产生，增加了机加切削效率，提高了镗刀的使用寿命。

Description

一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末
技术领域
本发明具体涉及一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，用于激光熔覆加工煤矿液压立柱中/外缸内孔的技术中。
背景技术
经过十几年的发展，激光熔覆技术在煤矿液压立柱修复领域的应用已经普遍受到人们的认可和接受。行业内对提高加工效率和降低生产成本的关注度越来越高。目前，液压立柱中/外缸的内孔修复的主流方式还是传统的电弧堆焊熔铜技术，该技术与激光熔覆技术相比主要存在以下不足：(1)能耗高、效率低且污染严重；(2)铜材的价格昂贵；(3)铜堆焊层并不防腐蚀；(4)堆焊工件的热变形大、堆焊层的厚度厚、耗材浪费严重。
针对上述电弧堆焊熔铜技术的行业痛点，有人提出使用激光熔覆不锈钢合金粉末来解决现存问题，该技术具有的熔覆效率高、焊材成本低廉、绿色环保的技术优势。但是，该技术受到了镗孔效率低的影响并未普及开来，其具体原因为：为保护液压立柱的外圆涂层，使其不被中/外缸内壁涂层材料快速磨损掉，激光熔覆所用的熔覆材料多为较软的奥氏体不锈钢材料，奥氏体不锈钢材料因其具有较高的高温强度和高温硬度、导热性差、加工相变硬化率高等特点，常导致镗刀位的局部温度骤然升高而快速磨损。此外，因奥氏体不锈钢的铁削不易断削以及内孔排削困难的影响，容易使刀尖位置发生积瘤现象，进一步加速了刀尖的磨损。而刀尖的磨损会进一步加剧奥氏体不锈钢熔覆层材料的加工硬化，从而使镗削加工效率低下甚至是停止作业，使激光熔覆技术在煤矿领域内的推广受到阻碍。为解决奥氏体不锈钢切削性能的不足，有人尝试在激光熔覆合金粉末中加入硫元素、铅元素、钙元素等易切削元素，但是这些元素容易引起不锈钢开裂和腐蚀，不适合于激光熔覆在液压立柱中/外缸内孔上的应用。
公开号为CN100535171的中国专利公开了“一种铜碳易切削不锈钢及制备方法”，该专利的制备方法中需要把该合金加热到1000～1080摄氏度，然后保温、油淬，此外，还需要在500～700摄氏度时效5～10小时，显然这种热处理方法过于复杂且热处理工艺价格昂贵，不适合液压立柱中/外缸内壁的修复。公开号为CN107760930B的中国专利公开了“一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末”，该专利使用的是镍基高钨、钼合金材料，这种合金不但价格昂贵并且比奥氏体不锈钢更加难以镗削。
现有技术中尚未报道出保护镗刀不被快速磨损且适合于激光熔覆技术的新材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有激光加工技术难以满足液压立柱中/外缸内壁的修复需求，且容易导致不锈钢开裂和腐蚀的技术问题，而提供一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，其特殊之处在于，成分以百分比计包括：
C：0.04wt％～0.06wt％；Cr:18.3wt％～18.5wt％；Cu:3.9wt％～4.1wt％；Ta：0.75wt％～0.85wt％；V：0.29wt％～0.31wt％；Mn：0.22wt％～0.26wt％；Si：0.3wt％～0.4wt％；S≤0.030wt％；P≤0.030wt％；其余为Fe。
进一步地，成分以百分比计包括：
C：0.04wt％；Cr：18.3wt％；Cu：3.9wt％；Ta：0.75wt％；V：0.29wt％；Mn：0.22wt％；Si：0.3wt％；O：0.009wt％；S：0.011wt％；P：0.007wt％；Fe为余量。
进一步地，成分以百分比计包括：
C：0.06wt％；Cr：18.5wt％；Cu：4.1wt％；Ta：0.85wt％；V：0.31wt％；Mn：0.26wt％；Si：0.4wt％；O：0.006wt％；S：0.008wt％；P：0.010wt％；
Fe为余量。
进一步地，成分以百分比计包括：
C：0.05wt％；Cr：18.4wt％；Cu：4.0wt％；Ta：0.80wt％；V：0.30wt％；Mn：0.24wt％；Si：0.35wt％；O：0.007wt％；S：0.010wt％；P：0.004wt％；Fe为余量。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1)本发明降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，首先通过适量的铬元素、钽元素、钒元素三元联用，获得结构单一的铁素体基体相，即保证了工况环境下熔覆层的耐蚀性的基本需求又降低镗刀的温度集中，还降低了镗刀的磨损率，防止了熔覆层的加工硬化现象的产生，增加了机加切削效率；其次，在上述元素的成分范围和相变产物的基础上，再通过加入3.9～4.1wt％的铜元素促进了0.82V％的碳化物和3.87V％的金属间化合物沉淀析出，使熔覆层在镗削加工时更易断削，减少了镗刀的刀尖位积瘤现象的发生，防止镗刀的磨损，进一步地增加了切削效率；最后，通过相变设计方式使熔覆层的微观组织由铁素体相+均匀分布富铜相组成，该组合相具有自润滑减摩的功能，以此进一步降低镗刀的磨损和提高熔覆层的切削效率。
2)本发明降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，降低了磨损率提高了使用寿命，使得刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.2平方米/粒。
3)本发明降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，加入的锰元素、硅元素主要为除去氧元素、硫元素和磷元素，防止熔覆层出现缺陷和热裂纹；经激光熔覆后熔覆层不开裂且耐腐蚀，其耐腐蚀性可达抵抗中性盐雾试验500小时，解决了液压立柱中/外缸内孔在激光熔覆时不易开裂和腐蚀的问题。
4)本发明降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，与激光熔覆奥氏体不锈钢相比，无需降低熔覆效率或增加复杂的辅助热处理工艺且材料成本价格低廉，其材料成本仅为奥氏体不锈钢的75％左右。
附图说明
图1为本发明实施例一中激光熔覆液压支柱中/外缸内孔的示意图；
图2本发明中实施例一中利用激光熔覆粉末进行激光熔覆时熔覆层的二元平衡相示意图，其中，LIQUID:液相，FERRITE:铁素体相，M(C、N)：碳氮化物相，Cu:富铜相。
图中附图标记为：
1-光纤导杆，2-激光-送粉器装置，3-液压立柱中/外缸内孔。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，在激光-送粉器装置2上装有光纤导杆1，对液压立柱中/外缸内孔3进行激光熔覆，其激光熔覆所用材料(激光熔覆粉末)的化学组成成分(成分以重量百分比计)如下所示：
C：0.04wt％；Cr：18.3wt％；Cu：3.9wt％；Ta：0.75wt％；V：0.29wt％；Mn：0.22wt％；Si：0.3wt％；O：0.009wt％；S：0.011wt％；P：0.007wt％；Fe为余量。
根据元素及元素选用原则(元素及元素范围选用的基本原则)、元素选择依据(本发明“导热优异+防止高硬度耐磨相的生成”的设计思路)以及元素含量的选用依据(即1、熔覆层材料的硬度范围在200～250HB之间；2、微观组织为铁素体+自润滑导热相，且相变稳定不受刀尖切削力和温度的影响；3、易断削；4、防腐且不开裂。)将对激光熔覆粉末(即熔覆材料)的成分选用做进一步的说明：
A)Cr(铬元素)、Ta(钽元素)、V(钒元素)三元素联用；通过铬元素、钽元素、钒元素的配合，把熔覆层设计成单一的铁素体主相，防止多相组织对热电子迁徙起妨碍作用，促进熔覆层的导热效率，降级镗刀的热积累，防止镗刀因切削热而引起磨损，避免了磨损镗刀对熔覆层的加工硬化，其次，避免了熔覆层的腐蚀和开裂。根据工况条件需求，只有熔覆材料在一定的防腐和不开裂的情况下，探索降低镗刀磨损率的方法才有意义；当铬元素含量低于18.3wt％时，耐蚀性将会下降，更重要的是高耐磨、高硬度的第二相马氏体相将会生成，这将导致镗刀在切削熔覆层材料时，难以切削和导热不足。当铬元素含量高于18.5wt％时，随着铬元素含量的增多，熔覆层材料硬度将会下降，熔覆过热导致的微观组织粗大化将引起熔覆材料的开裂。
B)在高温条件下，钽元素的晶间析出能力高于钒元素，钒元素的晶内固溶能力高于钽元素。二者互相配合目的是可以防止高硬度马氏体相的生成，当钽和钒元素含量(成分以百分比计)在低于0.75wt％和0.29wt％时，熔覆层的耐蚀性差。钽元素和钒元素含量在高于0.85wt％和0.31wt％时，熔覆层易生成脆硬的Laves相，导致镗刀难以镗削加工和熔覆层开裂。
C)Cr(铬元素)、Cu(铜元素)、Ta(钽元素)、V(钒元素)四元素联用，能够增加熔覆层的导热性，防止镗刀的刀尖位的热量集中；首先，在元素周期表中铬元素、钽元素、钒元素的位置较铜元素远，且铬元素、钽元素、钒元素与铜元素的物化属性相差较大，铜元素在前三者构建的单一铁素体主相的“平台上”难以较多的固溶，这时在激光急热急冷的加工条件下，铜元素较难融入铁素体相内更易析出而形成单一的富铜相。从试验结果来看，当铜元素含量低于3.9wt％时，铜元素主要以固溶为主，析出为辅。当铜元素含量高于3.9wt％时，铜元素主要以析出为主，固溶为辅，只有铜元素以析出为主时，熔覆层材料的导热效率才得以有效地体现。此外，当铜元素含量高于4.1wt％时，铁元素、铜元素之间的熔点差异性开始表现明显、熔覆层材料的微观组织形态恶化，热裂倾向较大，产品质量得不到保证。
D)Ta(钽元素)、V(钒元素)、C(碳元素)三元素联用，可以形成脆硬的M-C型化合物，促进断削；当碳元素含量低于0.04wt％时，不但熔覆层材料的硬度低于行业内要求的200HB，更重要的是熔覆层材料的韧塑性较好，镗削时产生的铁削不容易断削，易粘连在镗刀的刀尖位置，形成积瘤，加速刀尖的磨损，当碳元素含量高于0.06wt％时，熔覆层材料容易生成大量脆硬的M-C型化合物，增加了耐磨性并且开裂倾向较大。碳含量范围在0.04～0.06wt％时，硬度和断削情况符合要求。
E)Mn(锰元素)、Si(硅元素)、O(氧元素)、S(硫元素)、P(磷元素)联用，其中锰元素、硅元素是钢材必备的元素，氧元素、硫元素、磷元素是钢材不可除去的有害元素。加入锰元素、硅元素主要为除氧元素、硫元素和磷元素，防止熔覆层出现缺陷和热裂纹；熔覆层中的氧元素、硫元素、磷元素含量越低越好，在激光熔覆工艺条件固定和制粉工艺条件固定的情况下，氧元素、硫元素、磷元素的极限条件(含量以百分比计)分别为O：≤0.010wt％；S：≤0.012wt％；P：≤0.012wt％；这时加入0.22～0.26wt％的锰元素和0.3～0.4wt％的硅元素，才能抑制住有害元素的不利影响；锰元素、硅元素高于上述的上限值后会加速镗刀的磨损。
F)其余余量为铁元素，保证熔覆层与基材的材料属性的匹配性、互熔性，增加熔覆层与基材的结合强度，此外还有经济方面的考量。
由图2的相变过程可知：A)～E)试验结果获得的合金粉末在激光作用下熔化--凝固时，由液态相生成固态的高温铁素体相，随着温度的不断降低，在铁素体基体相中不断析出富Cu相和M(C、N)型碳氮化物相，铁素体基体相、富铜相和M(C、N)型碳氮化物相三相联合促进了激光熔覆层的易切削、易断削、导热、减摩、耐蚀的功能作用，从而保护了镗刀不被磨损，提高了镗刀的使用寿命和激光熔覆层机加效率。
为解决镗刀刀粒在机加不锈钢熔覆层时出现刀尖易磨损、加工效率低下的行业痛点，本发明提供的降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末设计思路为：
第一步、保证熔覆层耐腐蚀和不开裂；
第二步、设计一种在高温、高切削力作用下，不易产生相变的单一主相；且该主相的微观组织的组成简单，不妨碍热电子的振动和迁徙，并能够增加导热性；
第三步、加入导热性优异的合金元素；
第四步、通过相变的手段，促进导热性优异的元素大量析出使其具备减摩润滑的作用。
最后，通过相变的手段增加适量的脆性相的析出，使铁削断削容易，防止刀尖积瘤的产生。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于激光熔覆所用材料(激光熔覆粉末)的化学组成成分(成分以重量百分比计)如下所示：
C：0.06wt％；Cr：18.5wt％；Cu：4.1wt％；Ta：0.85wt％；V：0.31wt％；Mn：0.26wt％；Si：0.4wt％；O：0.006wt％；S：0.01wt％；P：0.010wt％；Fe为余量。
利用实施例二的激光熔覆粉末，使得镗刀刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.1平方米/粒。
实施例三
实施例三与实施例一的区别在于激光熔覆所用材料(激光熔覆粉末)的化学组成成分(成分以重量百分比计)如下所示：
C：0.05wt％；Cr：18.4wt％；Cu：4.0wt％；Ta：0.80wt％；V：0.30wt％；Mn：0.24wt％；Si：0.35wt％；O：0.007wt％；S：0.010wt％；P：0.004wt％；Fe为余量。
利用实施例三的激光熔覆粉末，使得镗刀刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.2平方米/粒。
实施例四
实施例四与实施例一的区别在于激光熔覆所用材料(激光熔覆粉末)的化学组成成分(成分以重量百分比计)如下所示：
C：0.045wt％；Cr：18.35wt％；Cu：3.95wt％；Ta：0.77wt％；V：0.30wt％；Mn：0.23wt％；Si：0.33wt％；O：0.008wt％；S：0.005wt％；P：0.011wt％；Fe为余量。
利用实施例四的激光熔覆粉末，使得镗刀刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.1平方米/粒。
实施例五
实施例五与实施例一的区别在于激光熔覆所用材料(激光熔覆粉末)的化学组成成分(成分以重量百分比计)如下所示：
C：0.055wt％；Cr：18.45wt％；Cu：4.05wt％；Ta：0.83wt％；V：0.295wt％；Mn：0.25wt％；Si：0.37wt％；O：0.001wt％；S：0.011wt％；P：0.010wt％；Fe为余量。
利用实施例四的激光熔覆粉末，使得镗刀刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.2平方米/粒。
降低磨损率后镗刀刀粒的使用寿命与现有技术的使用寿命对比，如表1所示：
表1
Figure BDA0004001682430000071
从表1可以看出，与现有技术相比，本发明提供的降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，和现有奥氏体不锈钢熔覆材料的镗刀的使用寿命对比，本发明的激光熔覆粉末，降低了磨损率提高了使用寿命，使得刀粒的使用寿命由以前的平均0.7平方米/粒上升至平均3.2平方米/粒。

Claims (4)

1.一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，其特征在于，成分以百分比计包括：
C：0.04wt％～0.06wt％；Cr:18.3wt％～18.5wt％；Cu:3.9wt％～4.1wt％；Ta：0.75wt％～0.85wt％；V：0.29wt％～0.31wt％；Mn：0.22wt％～0.26wt％；Si：0.3wt％～0.4wt％；O≤0.015wt％；S≤0.030wt％；P≤0.030wt％；其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，其特征在于，成分以百分比计包括：
C：0.04wt％；Cr：18.3wt％；Cu：3.9wt％；Ta：0.75wt％；V：0.29wt％；Mn：0.22wt％；Si：0.3wt％；O：0.009wt％；S：0.011wt％；P：0.007wt％；Fe为余量。
3.根据权利要求1所述的一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，其特征在于，成分以百分比计包括：
C：0.06wt％；Cr：18.5wt％；Cu：4.1wt％；Ta：0.85wt％；V：0.31wt％；Mn：0.26wt％；Si：0.4wt％；O：0.006wt％；S：0.008wt％；P：0.010wt％；
Fe为余量。
4.根据权利要求1所述的一种降低内孔镗刀磨损率的激光熔覆粉末，其特征在于，成分以百分比计包括：
C：0.05wt％；Cr：18.4wt％；Cu：4.0wt％；Ta：0.80wt％；V：0.30wt％；Mn：0.24wt％；Si：0.35wt％；O：0.007wt％；S：0.010wt％；P：0.004wt％；
Fe为余量。
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