KR102268620B1

KR102268620B1 - 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말， 그 제조 방법 및 응용

Info

Publication number: KR102268620B1
Application number: KR1020200185390A
Authority: KR
Inventors: 미아오후이 왕; 슈에위안 게; 보루이 두; 보엔 셴; 이페이 슈; 닝 시아오; 셩 하오
Original assignee: 베이징 내셔널 이노베이션 인스티튜트 오브 라이트웨이트 엘티디.
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-06-25
Also published as: CN111074268B; US20210207251A1; DE102020135002A1; CN111074268A; US11932927B2

Abstract

본 발명이 제공하는 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말, 그 제조방법 및 응용에 관하여, 그중 상기 철계 금속 분말의 화학 성분 및 그 질량 백분비는：C 0.6～1.0％, Cr 17.0～20.0％, Ni 5.0～6.5％, Mn 2.0～4.0％, Mo 1.0～1.5％, Ti 4.0～6.0％, B 1.0～1.5％, N 0.08～0.15％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다. 당해 금속 분말 입경은 15～65μm, 유동성은 16～20s/50g이다. 본 발명은 또한 상기 금속 분말을 적용하고 초고속 레이저 클래딩 기술을 사용하여 여러 가지 공정을 매칭하여 샤프트 형 부품 기판 표면을 보강 및 복원하는 방법을 제공한다.

Description

초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말， 그 제조 방법 및 응용{Ultra-high-speed laser cladding iron-based metal powder, and preparation method and application thereof}

본 발명은 금속 재료 분야에 속하며, 구체적으로 초고속 레이저 클래딩 철계 금속 분말， 그 제조 방법 및 응용에 관한 것이다.

레이저 클래딩 기술은 다양한 필러방법을 통해 기재표면에 선택된 코팅재료를 추가하고，고출력 밀도 레이저 빔을 사용하여 기재 표면의 극히 얇은 층과 동시에 융합시켜 신속히 응고된 후 희석도가 극히 낮고, 기판과 야금 결합하는 표면 코팅층을 형성하여 기층 표면의 내마모성, 내식성, 내열성, 내산화성 등 특성을 개선하는 표면 보강 공정 기술이다. 전통적인 레이저 클래딩 기술은 레이저 에너지가 주로 기재 표면에 작용하고 분말 온도가 용점보다 낮아 열손실이 크고 에너지 이용률이 낮고 클래딩 속도가 느리고 열 영향 영역이 커서 레이저 클래딩 기술의 보급을 심각히 제한하였다.

철계 금속 합금은 다양한 종류의 부식에 견딜 수 있고 일정한 강도와 인성을 동시에 가지는 합금으로 습식 및 부식성 작업 조건에서 좋은 코팅 재료이다.

본 발명은 초고속 레이저 클래딩 전용 철계 금속 분말 및 이를 이용한 클래딩 공정에 관한 것이다. 초고속 레이저 클래딩은 동기 분말 공급 필러 방법을 통해 고에너지 밀도의 빔을 이용하여 첨가재료와 고속 운동하는 기판 재료 표면을 동시에 용화시켜 빠르게 응고된 후 희석도가 극히 낮고, 기판과 야금 결합된 클래딩 층을 형성하여 클래딩 속도를 크게 향상시켜 기판 재료 표면의 내마모성, 내식성, 내열성, 내산화성 등 공정 특성을 크게 개선하는 표면 가공 기술이다.

발명의 초고속 레이저 클래딩 철계 금속 내식 분말의 화학조성 및 그 질량 분수는 C 0.6～1.0％，Cr 17.0～20.0％，Ni 5.0～6.5％，Mn 2.0～4.0％，Mo 1.0～1.5％，Ti 4.0～6.0％，B 1.0～1.5％，N 0.08～0.15％，Si≤0.5％，P≤0.030％，S≤0.030％이며，나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다.

그중, Cr 원소의 증가는 재료의 내식성 성능을 크게 향상시킬 수 있으나 Cr이 너무 많으면 γ상 영역이 감소되어 안정된 오스테 나이트를 얻는데 불리하고， Ni과 Mn 원소를 넣으면 오스테 나이트를 안정시킬 수 있다. 스테인리스 강은 일반적으로 경도와 내마모성이 나쁘기에 철계 스테인리스 강 재료에 Ti、B 등 원소를 첨가하여 TiC、TiB₂ 경질 상을 in-situ 중합(原位生成)하여 보강한다. 티타늄과 탄소가 in-situ 중합되어 TiC를 형성하는 과정은 발열반응이고，소량의 에너지만 제공함으로써 TiC 경질 상을 생성할 수 있고，생성된 TiC 과립은 미세하고 균일하며，상 계면이 깨끗하며 결합이 우수하다. TiC, TiB₂ 경질 상은 WC, VC 등 기타와 비교할 때，습윤 효과가 더 좋고 미세 균열이 나타날 가능성이 적다. 또한 기타 원소를 배합하고 첨가하여 동시에 강도를 향상시키고, 조직을 세분화하는 등 작용을 발휘하여, 균열, 기공 등 결함없이 내마모성이 우수한 클래딩 층을 얻는다.

초고속 레이저 클래딩 기술의 레이저 에너지는 주로 분말에 작용하므로, 클래딩 과정에 사용되는 금속 분말은 클래딩 효과에 중요한 영향을 미친다. 입도 범위, 유동성, 구형도 등 파라미터는 클래딩 층의 질량에 직접적인 영향을 미친다. 주로 다음의 지수를 사용한다：(1)입도 범위，금속 분말 과립의 크기, 일반적으로 과립의 직경으로 표징한다;(2)유동성, 일정량의 분말이 특정 구경의 표준 깔때기를 흐르느데 필요한 시간으로 표시, 일반적으로 사용하는 단위는 s/50g이고, 그 수치가 작을수록 당해 분말의 유동성이 좋다는 것을 설명한다;(3)구형도, 과립의 모양과 구체가 유사한 정도;(5)D50，분말 입도 분포를 설명하는 지수, 한 개 샘플의 누적 입도 분포 백분율이 50％에 달할 때 대응되는 입경을 말한다.

바람직하게는, 당해 분말의 구형도≥90％, 유동성 16～20s/50g이다.

바람직하게는, 입도 분포가 15～65μm이다.

바람직하게는, 분말의 D50가 25～40μm이다.

바람직하게는, 산소 함량≤200ppm이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도는 10^-1～10^-2Pa, 중파 유도 가열을 적용하여 진공용융을 진행하며, 가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 15～65μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 분말의 제조방법을 제공한다.

그 중, 진공도의 제어는 분말 산소 함량 등 지수에 큰 영향을 미치고, 분말을 분사하는 가스 아르곤의 압력 제어는 분말 입도, 구형도 및 분말 형성율을 제어하는 핵심적인 파라미터이므로, 전면적으로 액체 유동 상황 및 각 분말 분사시기에 따라 정확한 조절을 해야 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 철계 합금 분말을 적용하고 초고속 레이저 클래딩 기술을 사용하며 여러 가지 공정을 매칭하여 기판 표면을 보강 및 복원한다. 구체적인 절차는 다음과 같다：

(1)기판 표면을 기계 가공한다;

(2)아세톤으로 기판 표면을 닦아 표면 유지를 제거한다;

(3)기판 표면의 기하학적 구조에 따라 레이저 클래딩 경로를 계획하고 공정 파라미터를 규정한다;

(4)반도체 레이저 클래딩 시스템을 사용하여 기판 표면을 클래딩 복원하며 아래의 공정 파라미터를 사용한다: 레이저 공율 1500～2500W, 스폿 직경 0.8～1.2mm, 분말 공급 속도 2～5kg/h, 레이저 스캐닝 속도 330～830m/min, 중첩율 40％～70％, 단층 클래딩 두께 250～500μm, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 8～20L/min.

(5)디지털 선반을 사용하여 복원 후의 기판 표면을 기계 가공하여 수요하는 크기를 얻는다.

기존 기술과 비교하면 본 발명의 우점은 다음과 같다:

1. 당해 금속 분말은 최적의 합금 함량 매칭을 가지고, 레이저 클래딩 공정을 통해 기판과의 결합이 치밀하고 빽빽한 복원 코팅층을 형성하고, 합금 원소 분포가 더 균일하고, 기판 표면의 내식성 성능을 향상시키고, 부식 속도를 감소하며, 수명을 향상시켜 경제적이다.

2. 초고속 레이저 클래딩 기술은 레이저 클래딩 표면 가공 속도를 크게 증가시킬 수 있으며 표면이 매끄럽고, 기공이 없고, 균열이 없는 클래딩층을 얻으며 당해 기술은 금속 분말 입도, 유동성 등 지수에 대한 특수 요구가 있다. 본 발명에 따른 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 스테인리스 강 분말은 당해 가공 기술에 적용된다.

3. 전통 레이저 클래딩 기술과 비교할 때, 초고속 레이저 클래딩의 레이저 빔 에너지 밀도가 더 높고, 분말 수렴성이 더 좋으므로 330mm/s이상의 레이저 스캐닝 속도 에서 고속 클래딩을 실현할 수 있다. 또한 더 빠른 스캐닝 속도로 인해 초고속 레이저 클래딩의 희석율은 2％미만이다.

실시예와 비교예를 결합하여 본 발명에 대해 진일보 설명한다. 실시예와 비교예중 각 원소의 질량분수는 표 1과 같고, 성능 파라미터는 표 2와 같고, 실시예와 비교예에서 사용되는 주요 공정 파라미터와 클래딩 질량은 표 3과 같다.

[표 1] 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속분말 성분 (질량분수, ％)

[표 2] 초고속 레이저 클래딩 철계 금속 분말 성능 파라미터 (질량분수, %)

[표 3] 초고속 레이저 클래딩 철계 금속분말 성능 파라미터 (질량분수 ，％)

실시예 1

바람직하게는, 다음과 같은 특징의 분말의 제조방법을 제공한다: 원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도 10^-1～10^-2Pa로 진공용융을 진행하며，가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 15～65μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻는다.

바람직하게는, 다음과 같은 철계 금속 분말을 제공한다. 각 원소의 질량분수：C 0.8％, Cr 19.0％, Ni 5.65％, Mn 3.2％, Mo 1.2％, Ti 5.0％, B 1.2％, N 0.09％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다.

당해 금속 분말 입경은 15～65μm, 유동성：18s/50g, 구형도≥91％, D₅₀=32μm.

바람직하게는, 분말 산소 함량은 160ppm이다. 중공 분말율＜1％.

선별 후의 분말을 적용하여 초고속 레이저 클래딩 기술을 사용하여 대응되는 공정을 매칭하여 기판 표면을 복원한다.

바람직하게는, 복원 방법은 다음과 같다: 기판을 표면 기계 가공한다.

아세톤으로 복원할 금형 표면을 닦아 표면 유지를 제거한다.

기판 표면의 기하학적 구조에 따라 초고속 레이저 클래딩 경로를 계획하고 공정 파라미터를 규정한다.

반도체 레이저 클래딩 시스템으로 기판 표면을 클래딩 복원한다. 상기 공정 파라미터를 사용한다： 레이저 공율 1700W, 스폿 직경 1mm, 분말 공급 속도 2.4kg/h, 레이저 스캐닝 속도 500mm/s, 중첩율 55％, 단층 클래딩 두께 320μm, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 10L/min.

디지털 선반을 사용하여 복원 후의 기판 표면을 기계 가공하여 원하는 사이즈 및 우수한 표면성능을 얻는다.

실시예 2

바람직하게는, 다음과 같은 특징의 분말의 제조방법을 제공한다： 원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도 10^-1～10^-2Pa로 진공용융을 진행하며, 가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 분말을 얻은 후 15～65μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻는다.

바람직하게는, 다음과 같은 철계 금속 분말을 제공한다. 각 원소의 질량분수：C 0.7％, Cr 18.0％, Ni 5.8％, Mn 3.1％, Mo 1.4％, Ti 5.5％, B 1.2％, N 0.09％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다.

당해 금속 분말 입경：15～65μm, 유동성：18s/50g, 구형도≥95％, D₅₀=34μm.

선별 후의 분말을 적용하여 초고속 레이저 클래딩 기술을 사용하고 여러가지 공정을 매칭하여 기판 표면을 복원한다.

바람직하게는, 복원 방법은 다음과 같다：기판을 표면 기계 가공한다.

반도체 레이저 클래딩 시스템으로 기판 표면을 클래딩 복원한다. 상기 공정 파라미터를 사용한다： 레이저 공율 1550W, 스폿 직경 1mm, 분말 공급 속도 2.2kg/h, 레이저 스캐닝 속도 417mm/s, 중첩율 60％, 단층 클래딩 두께 300μm, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 10L/min.

디지털 선반을 사용하여 복원 후의 기판 표면을 기계 가공하여 원하는 사이즈 및우수한 표면성능을 얻는다.

비교예 1

바람직하게는, 다음 특징의 분말의 제조방법을 제공한다：원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도 10^-1～10^-2Pa로 진공용융을 진행하며, 가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 50～150μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻는다.

바람직하게는, 실시예 1중 성분 및 함량과 같은 철계 금속 분말을 제공한다. 각원소의 질량분수：C 0.8％, Cr 19.0％, Ni 5.65％, Mn 3.2％, Mo 1.2％, Ti 5.0％, B 1.2％, N 0.09％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다.

당해 금속 분말 입경：50～150μm, 유동성：13s/50g, 구형도≥89％, D₅₀=95μm.

바람직하게는, 분말 산소 함량은 190ppm. 중공 분말율＜1％.

선별 후의 분말을 적용하여 전통 레이저 클래딩 기술을 사용하여 대응되는 공정을 매칭하여 기판 표면을 복원한다.

기판 표면의 기하학적 구조에 따라 전통 레이저 클래딩 경로를 계획하고 공정 파라미터를 규정한다.

광섬유 레이저 클래딩 시스템으로 기판 표면을 클래딩 복원한다. 상기 공정 파라미터를 사용한다： 레이저 공율 2250W, 스폿 직경 3mm, 분말 공급 속도 2.4kg/h, 레이저 스캐닝 속도 12mm/s, 중첩율 55％, 단층 클래딩 두께 980μm, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 10L/min.

디지털 선반을 사용하여 복원 후의 기판 표면을 기계 가공하여 원하는 사이즈 및우수한 표면성능을 얻는다. 하지만 클래딩 층 희석율이 높고, 클래딩 층 합금 원소 함량이 실시예 1과 분말 성분보다 현저히 낮다.

비교예 2

바람직하게는, 다음과 같은 특징의 분말의 제조방법을 제공한다：원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도 10^-1～10^-2Pa로 진공용융을 진행하며, 가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 분말을 얻은 후 15～65μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻는다.

바람직하게는, 실시예 1과 완전히 같은 철계 금속 분말을 제공한다. 각 원소의 질량분수：C 0.8％, Cr 19.0％, Ni 5.65％, Mn 3.2％, Mo 1.2％, Ti 5.0％, B 1.2％, N 0.09％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물이다.

당해 금속 분말 입경：15～65μm, 유동성：18s/50g, 구형도≥91％, D₅₀=32μm.

광섬유 레이저 클래딩 시스템을 사용하여 기판 표면을 클래딩 복원한다. 표 3의공정 파라미터를 사용한다：레이저 공율 5000W, 스폿 직경 3mm, 분말 공급 속도 2.4kg/h, 레이저 스캐닝 속도 417mm/s, 중첩율 55％, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 10L/min.

전통 레이저 클래딩 기술을 사용하여 레이저 스캐닝 속도가 417mm/s일 때, 레이저 공율을 2250W로부터 5000W로 높여도 여전히 표면 성형이 우수한 클래딩 층을 실현하지 못했고 분말과 기판은 우수한 야금 결합을 형성하지 못했다.

상기 설명은 다만 본 발명의 바람직한 구체적인 실시방식이며 본 발명의 보호 범위는 이에 한정되지 않고 임의의 당업자가 본 발명이 개시한 기술 범위내에서 쉽게 생각해낼 수 있는 변화 또는 대체 방식은 모두 본 발명의 보호 범위에 포함되어야 한다. 그러므로 본 발명의 보호 범위는 상기 청구범위의 보호 범위를 기준으로 해야 한다.

Claims

금속 분말의 화학 성분 및 그 질량 백분비가：C 0.6～0.7％, Cr 17.0～18.0％, Ni 5.8～6.5％, Mn 2.0～4.0％, Mo 1.0～1.2％, Ti 5.5～6.0％, B 1.4～1.5％, N 0.08～0.15％, Si≤0.5％, P≤0.030％, S≤0.030％, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말.
청구항 1에 있어서,
상기 분말의 구형도≥90％인 것을 특징으로 하는 철계 금속 분말.
청구항 1에 있어서,
상기 분말의 입도 분포는 15-65μm인 것을 특징으로 하는 철계 금속 분말.
청구항 1에 있어서,
상기 분말의 D50는 25-40μm인 것을 특징으로 하는 철계 금속 분말.
청구항 1에 있어서,
상기 분말의 유동성은 16～20s/50g이고 산소 함량은≤200ppm인 것을 특징로 하는 철계 금속 분말.
청구항 1～5 중 어느 한 항에 따른 철계 금속 분말의 제조 방법으로,
원자재 성분을 합금화 배합비로 조성하고, 그 후 용융 챔버 진공도 10^-1～10^-2Pa, 중파 유도 가열을 적용하여 진공용융을 진행하며，가스 아르곤 압력 1.2～3.8MPa로 가스 분무화법을 사용하여 분말을 제작하며, 분말을 얻은 후 15～65μm입도 범위의 금속 분말을 선별하여 초고속 레이저 클래딩에 사용되는 철계 금속 분말을 얻는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 제조방법.
(1)기판 표면을 기계 가공한다;
(2)아세톤으로 기판 표면을 닦아 표면 유지를 제거한다;
(3)기판 표면의 기하학적 구조에 따라 레이저 클래딩 경로를 계획하고 공정 파라미터를 규정한다;
(4)반도체 레이저 클래딩 시스템을 사용하여 기판 표면을 클래딩 복원하며 아래의 공정 파라미터를 사용한다: 레이저 공율 1500～2500W, 스폿 직경 0.8～1.2mm, 분말 공급 속도 2～2.4kg/h, 레이저 스캐닝 속도 330～830m/min, 중첩율 55％～70％, 단층 클래딩 두께 250～500μm, 레이저 클래딩 헤드는 아르곤 보호 기능이 있으며, 아르곤 유량 8～20L/min;
(5)디지털 선반을 사용하여 복원 후의 기판 표면을 기계 가공하여 수요하는 크기를 얻는 것을 특징으로 하는 청구항 1~5의 금속 분말을 적용하여 초고속 레이저 클래딩 하는 공정.