CN116695112A - 一种矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，包括：对齿轮轴待修复表面进行预处理、配置自熔铁基合金粉末、扫描齿轮轴损伤表面、依据待修复表面激光熔覆扫描路径进行同轴送粉激光熔覆、对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理等步骤。本矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，能够获得具有无裂纹、无气孔、组织细密、耐磨、耐蚀且力学性能优异的齿轮轴修复涂层，且涂层硬度、耐磨性能、耐蚀性能及拉伸强度较齿轮轴基体有显著提高，修复后的齿轮轴局部变形和形状误差小、且可省去修复后的热处理工序、极大程度降低修复成本与物力支出，特别适用于对矿用大型齿轮轴的再制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿轮轴的再制造方法，具体是一种矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，属于机械制造与材料处理加工应用技术领域。
背景技术
矿用大型齿轮轴作为煤机装备的核心部件之一，其服役状态直接影响动力系统与传动系统的工作能力。而由于其常年处于交变低速重载、强振动、矿物颗粒及潮湿环境下服役，极易出现腐蚀、磨损、断裂等失效形式，每年因其失效而造成的报废约占总故障的10.3％。若整个齿轮轴作报废处理，将造成较大的材料浪费与经济损失，同时由于高精度齿轮轴价格昂贵，替换与购买周期较长，或将影响整机运行。而齿轮轴修复成本一般为制造成本的1/4～1/3，且修复速度远高于替换周期，因此可通过修复损伤区域的方法来改善齿轮轴表面性能，从而降低成本，提高使用寿命及生产效率。
常见针对齿轮轴的再制造技术包括电镀、堆焊、热喷涂、激光熔覆等。其中，电镀技术由于对基体表面预处理要求较高，且因其具有操作过程较危险、易产生毒害气体、易污染环境等缺点，已被多个国家禁止使用或淘汰。堆焊技术是利用高频电火花放电热源使基体表面与敷焊的材料之间形成冶金结合，该技术应用最为广泛。中国专利CN201310446488.6公开了一种齿轮轴焊接修复工艺，该技术解决了铸钢与普通钢焊接困难的问题，步骤简单且修复的齿轮轴性能较为优异。但该技术是基于高热输入的基础进行，极易使焊层产生内部裂纹、孔隙及夹渣等缺陷，同时齿轮轴轴颈与齿面应力变形明显，将产生同轴度、跳动、圆度、平行度误差。热喷涂作为一项成熟的再制造技术，其以高速气流带动熔化的喷涂材料，使其喷射、撞击至基体表面并快速冷却形成涂层。中国专利CN201821607570.7公开了一种齿轮轴的热喷涂陶瓷工艺，替代了传统的淬火工序，齿面硬度大大提高，且无过烧、开裂等现象。但由于热喷涂涂层与基体为机械结合，其结构强度低且内部缺陷较多，不适用于修复重载、强振动环境下服役的齿轮轴。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，能够获得具有无裂纹、无气孔、组织细密、耐磨、耐蚀且力学性能优异的齿轮轴修复涂层，特别适用于对矿用大型齿轮轴的再制造。
为实现上述目的，矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法具体包括以下步骤：
a.先对齿轮轴待修复表面进行机械预处理、利用砂轮机去除表面氧化层及杂质，再使用无水乙醇或丙醇溶液清洗表面油污并烘干；
b.配置自熔铁基合金粉末，并将自熔铁基合金粉末放入干燥箱内烘干；
c.利用3D轮廓仪确定待修复表面尺寸，扫描齿轮轴损伤表面，探查表面缺陷与裂纹，利用车床对轴端跳动、圆度、圆柱度及齿面跳动进行测量；
d.采用激光熔覆对损伤表面进行修复，熔覆方式为同轴送粉熔覆，依据待修复表面激光熔覆扫描路径进行激光熔覆；
e.对修复后齿轮轴表面进行尺寸测量，满足加工余量后对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理。
步骤b中，自熔铁基合金粉末的元素质量百分比为：Fe占76～80％，Cr占17～20％，Mo占0.4～0.9％，Ni占2～3％，C占0.1～0.6％。
步骤d中，针对倾斜齿面，待修复表面激光熔覆扫描路径根据熔池流淌方向与激光头移动方向的夹角的不同，在多道熔覆中采用扫描方式与焊缝搭接方向的组合，采取激光头横向往复扫描并沿斜面向上进行焊缝搭接的方式、或者采取激光头横向往复扫描并沿斜面向下进行焊缝搭接的方式、或者采取激光头沿斜面上下往复扫描并横向进行焊缝搭接的方式。
步骤d中，激光熔覆工艺参数为：激光功率800～1600W、送粉速率6～20g/min、载气流量6～15L/min、扫描速度10～50mm/s、圆形光斑直径2～3mm、搭接率30％～70％，载气与激光保护气选用氩气。
步骤e中，对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理，包括铣削磨平去除毛刺、精车至要求尺寸、精磨与抛光处理降低表面粗糙度以及对磨抛后的表面进行上油处理。
与现有技术相比，本矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法具有以下有益效果：
(1)操作简便，适用性广泛：激光熔覆粉末配方材料易获取，配置方法简单；激光熔覆过程参数易于调控，可对任意零部件的任意曲面进行修复，适用于工业生产。
(2)修复效果较热喷涂、堆焊等技术更好：激光熔覆修复矿用大型齿轮轴损伤表面，制备的熔覆层无裂纹、孔隙、夹渣等缺陷，表面未熔化粉末颗粒较少，内部组织细密，生长取向较为一致，同时，修复后的齿轮轴局部变形和形状误差极小，且可省去修复后的热处理工序、降低修复成本。
(3)本发明的合金粉末含有较高Cr，有利于形成硬质相及钝化膜，其制备的涂层硬度、耐磨性能、耐蚀性能及拉伸强度较齿轮轴基体有显著提高。
(4)激光熔覆修复矿用大型齿轮轴的步骤简单、修复效率高、绿色环保，极大程度降低了修复成本与物力支出，具有良好的经济效益以推广前景。
附图说明
图1为本发明激光熔覆系统的示意图；
图2为针对倾斜齿面进行多道熔覆中采用扫描方式与焊缝搭接方向的组合示意图，其中(a)为激光头横向往复扫描并沿斜面向上进行焊缝搭接的方式、(b)为激光头横向往复扫描并沿斜面向下进行焊缝搭接的方式、(c)为激光头沿斜面上下往复扫描并横向进行焊缝搭接的方式；
图3为本发明实例中进行激光熔覆后的齿轮轴表面熔覆层硬度分布图；
图4为齿轮轴基体及表面熔覆层摩擦系数曲线图；
图5为齿轮轴基体及表面熔覆层磨损率图；
图6为齿轮轴基体及表面熔覆层电化学极化曲线图；
图7为齿轮轴基体及表面熔覆层240h中性盐雾试验后的腐蚀形貌；
图8为齿轮轴基体及表面熔覆层应力应变曲线图。
具体实施方式
激光熔覆技术是表面改性技术的一个分支，它是通过在待修复基体表面上添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束使其与基体一同快速熔凝，形成优良冶金结合涂层，从而显著提升基体的耐磨性能、耐蚀性能及力学性能等。激光熔覆技术具有绿色环保、经济高效、适应性广泛等优点，通过该技术制备多道/多层涂层，可对零部件大面积损失区域进行修复，满足严苛工况服役性能需求，目前是矿山、冶金、海工、航空航天等领域关重件再制造的研究热点。本发明即是利用激光熔覆技术对矿用大型齿轮轴进行再制造。
下面以对某煤矿报废的材料为20Cr2Ni4A的矿用大型齿轮轴进行激光熔覆再制造为例，结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，激光熔覆系统配置了RFL-C2000X型激光发生器、LAMCN-C02型同轴环形喷嘴、LAMOF-TD03型转盘式送粉器以及LAMLH-5型熔覆头。激光发生器最大功率为2000W，光斑投影为圆形。
激光熔覆所用粉末为铁基自熔性合金粉末，其具有高硬度、耐磨、耐蚀等特点，粒度范围为50～150目，其元素质量百分比为按下表所示。实验前粉末放入干燥箱内烘干120min，烘干温度为120℃。
激光熔覆前，需利用砂轮机去除齿轮轴待修复表面氧化层及杂质，使用无水乙醇或丙醇溶液清洗表面油污并烘干。然后利用3D轮廓仪确定待修复表面尺寸，扫描齿轮轴损伤表面，探查表面缺陷与裂纹。同时利用车床对轴端跳动、圆度、圆柱度及齿面跳动进行测量。在正式修复前，还需规划扫描路径，确定熔覆方案，避免修复过程中同轴环形喷嘴与齿轮轴发生干涉。
将处理完毕后的齿轮轴固定、定位并夹紧，然后操作数控机床，调整环形喷嘴及熔覆头与齿轮轴待修复表面的相对位置，编写机械臂扫描移动轨迹程序，针对倾斜齿面，如图2所示，根据熔池流淌方向与激光头移动方向的夹角的不同，在多道熔覆中采用扫描方式与焊缝搭接方向的组合，可以根据需要如图2(a)所示采取激光头横向往复扫描并沿斜面向上进行焊缝搭接的方式、或者如图2(b)所示采取激光头横向往复扫描并沿斜面向下进行焊缝搭接的方式、或者如图2(c)所示采取激光头沿斜面上下往复扫描并横向进行焊缝搭接的方式，焊缝搭接率是两道标准焊缝之间的搭接重叠宽度尺寸与单道标准焊缝宽度尺寸的比值，输入激光工艺参数为按下表所示，载气与激光保护气选用氩气，进行激光熔覆修复。修复后的齿轮轴表面熔覆层厚度约为0.5～2mm，以确保后处理加工余量。
待熔覆层冷却至室温后，对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理，包括铣削磨平去除毛刺、精车至要求尺寸、精磨与抛光处理降低表面粗糙度等，再对磨抛后的表面进行上油处理，避免蚀锈。
对已修复的齿轮轴采用型号为HVS-1000的维氏硬度计测试涂层的显微硬度，加载载荷为300g，保荷时间为15s。每个高度测量3次取平均值，齿轮轴表面熔覆层硬度分布如图3所示。激光熔覆后的齿轮轴表面硬度显著提高，熔覆层硬度范约700HV，为基材硬度的2倍。
对已修复的齿轮轴采用型号为UMT-3的摩擦磨损试验机测试齿轮轴基体及表面熔覆层耐磨性能，对磨球为Al2O3陶瓷球，直径6mm，加载力为50N，加载时间为1800s，对磨球运动方式往复移动，单次移动距离为5mm。获得的摩擦系数如图4所示，基体的摩擦系数波动较大，而熔覆层的摩擦系数较为稳定。通过测算基体与熔覆层的磨损量，获得如图5所示的磨损率。熔覆层磨损率为0.00992mg·m-1·N-1，仅为基体的38.75％，说明激光熔覆后齿轮轴表面耐磨性能显著提升。
对已修复的齿轮轴采用型号为CHI600E电化学工作站测试齿轮轴基体及表面熔覆层耐蚀性能，辅助电极为Pt对电极，同时还设置有参比电极，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液。扫描速度为0.5mV/s，。获得的极化曲线如图6所示，熔覆层自腐蚀电位为-0.249V，大于基体，即腐蚀倾向性小；腐蚀电流密度为2.561×10-7A/cm2，较基体低一个数量级，即腐蚀速率较小，并且熔覆层存在明显的钝化区，说明激光熔覆后齿轮轴表面耐蚀性能显著提升。
对已修复的齿轮轴采用型号为KSD-CX-90型盐雾腐蚀试验箱测试齿轮轴基体及表面熔覆层抵抗连续性腐蚀的能力，盐雾室温度为35±2℃，盐雾沉降速率为1.5mL/(80cm2·h)，腐蚀液为5％的NaCl溶液，pH值为6.6～7.3，试验总周期为240h。腐蚀形貌如图7所示，盐雾试验240h后基体表面已完全被腐蚀产物覆盖，而熔覆层表面仅有少量氧化产物，说明激光熔覆后齿轮轴表面耐蚀性能显著提升。
对已修复的齿轮轴采用型号为ZWICK020的电子万能试验机测试齿轮轴基体及表面熔覆层力学性能，试样标距为5mm，试验机拉伸速率为0.5mm/min。应力应变曲线如图8所示，熔覆层的抗拉强度为1550MPa，约为基体的1.7倍，说明激光熔覆后齿轮轴表面力学性能显著提升。
Claims (5)
1.一种矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.先对齿轮轴待修复表面进行机械预处理、利用砂轮机去除表面氧化层及杂质，再使用无水乙醇或丙醇溶液清洗表面油污并烘干；
b.配置自熔铁基合金粉末，并将自熔铁基合金粉末放入干燥箱内烘干；
c.利用3D轮廓仪确定待修复表面尺寸，扫描齿轮轴损伤表面，探查表面缺陷与裂纹，利用车床对轴端跳动、圆度、圆柱度及齿面跳动进行测量；
d.采用激光熔覆对损伤表面进行修复，熔覆方式为同轴送粉熔覆，依据待修复表面激光熔覆扫描路径进行激光熔覆；
e.对修复后齿轮轴表面进行尺寸测量，满足加工余量后对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理。
2.根据权利要求1所述的矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，其特征在于，步骤b中，自熔铁基合金粉末的元素质量百分比为：Fe占76～80％，Cr占17～20％，Mo占0.4～0.9％，Ni占2～3％，C占0.1～0.6％。
3.根据权利要求1所述的矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，其特征在于，步骤d中，针对倾斜齿面，待修复表面激光熔覆扫描路径根据熔池流淌方向与激光头移动方向的夹角的不同，在多道熔覆中采用扫描方式与焊缝搭接方向的组合，采取激光头横向往复扫描并沿斜面向上进行焊缝搭接的方式、或者采取激光头横向往复扫描并沿斜面向下进行焊缝搭接的方式、或者采取激光头沿斜面上下往复扫描并横向进行焊缝搭接的方式。
4.根据权利要求3所述的矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，其特征在于，步骤d中，激光熔覆工艺参数为：激光功率800～1600W、送粉速率6～20g/min、载气流量6～15L/min、扫描速度10～50mm/s、圆形光斑直径2～3mm、搭接率30％～70％，载气与激光保护气选用氩气。
5.根据权利要求1所述的矿用大型齿轮轴的激光熔覆再制造方法，其特征在于，步骤e中，对已修复的齿轮轴损伤表面进行精加工后处理，包括铣削磨平去除毛刺、精车至要求尺寸、精磨与抛光处理降低表面粗糙度以及对磨抛后的表面进行上油处理。
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