激光表面强化技术的发展

添加人：admin 发布时间：2014/12/2 9:21:04 来源：中国粉碎机网

　　激光熔覆Ni-Wc金属合金粉，是激光表面强化技术中发展迅速，并具有广泛应用前景的技术，我们已成功地利用此技术修复了烧结机用破碎辊等高硬度耐磨件，现对该工艺技术阐述如下：传统烧结四辊破碎辊的修复工艺在烧结料的破碎整型生产过程中，由于烧结料硬度较高，形状不规则且有许多尖角而破碎辊所使用的材料为ZG35CrMo.硬度仅在HRC35左右，硬度低耐磨性能差，在生产技术要求中一对破碎辊，两辊面沿辊的轴中心线的接触间隙为2mm，最大不得超过4mm，当辊面磨损严重一般在20天左右两辊面接触间隙超出规定值时，该生产线被迫停止运行，传统的修复方法是卸下损坏的辊子，送到机加工部门进行车削处理，平均车削量为34mm后将加工合格得辊子重新安装到生产线继续运行使用。用传统工艺修复得破碎辊在经过23次的修复使用后，辊子的壁厚已不符合生产技术要求中的最小极限尺寸，只能使用堆焊的工艺方法修复而堆焊焊接应力大，表面裂纹多，在生产运行过程中容易出现块状脱落，辊子使用寿命短，传统修复方法费工费时辊子使用寿命短，生产成本及备件费用较高。
　　激光熔覆Ni-Wc涂层技术修复破碎辊选用传统机加工方法修复后，成份为ZG35CrMo的破碎辊为基体材料，具体几何尺寸为U830mm@700mm，壁厚90mm，能保证辊体的刚性。选择自熔合金粉Ni60B80与镍包碳化钨20两种材料充分混合并烘干。镍包碳化钨的化学成分为12.0Ni，5.2C，余量采用自重同步送粉法，用5000W数控CO2激光器在破碎辊表面进行激光熔覆时主要工艺参数粉率21g/min，光斑尺寸为直径10mm的圆光斑，熔覆前对辊面进行严格的清理，去除表面油污锈蚀等杂质，确保熔覆层质量。
　　激光熔覆特性在激光熔覆过程中合金融化、合金与基体材料形式新的熔体后快速凝固是一种在基体表面进行的一种微观铸造过程，合金的熔化与凝固是随着激光束的连续均匀移动扫描同时进行的，在熔池的前部合金粉与基体不断接受激光束高温而融化形成流动的熔体，在熔池后部熔体将热量传递给基体而自身快速凝固。
　　在激光熔覆中熔体金属凝固过程的非均匀形核显著，这是因为在激光束的作用下熔池中存在两种固液相界面，一种是高熔点杂质在液面的悬浮质点或晶粒残骸起非自发形核作用；另一种是熔池边沿被加热到微熔状态的基材晶粒或相界表面。非均匀晶核就液附该表面上形核。非均匀形核使形核率大大提高，从而细化组织。熔池中熔体的体积与基体材料的体积相差巨大，大的热容量差距使脱离激光束的熔体快速凝固，过冷度非常大流体结晶后晶粒很细，形成的熔覆层硬度强度高，而且塑性好。
　　在熔池中熔体的流动速度是不相同的，在熔池的边缘由于基材对流动的熔体有一个反作用力（即阻力），所以与基体接触的熔体是相对静止的，离开边界向熔池中心方向熔体的流速是逐渐加快的。在熔池的边界基体材料在熔体高温影响下有规律不断的熔入熔体，根据熔体流动速度的不同边界方向熔体的基材含量大于熔池中心熔体的基材含量，而熔池边界的熔体的冷却速度以梯度的形式快于熔池中心的冷却速度，同时合金粉末中各种元素的含量与熔层温度场及温度梯度场，基材的热传递能力决定了激光熔池中的熔体对流传质过程，对流传质过程与合金成分决定了熔体的成分及分布，所以在熔覆层中微观区域成分组织的不均匀是必然的，这将造成熔覆层中晶体生长形态组织多样性。
　　工艺参数在熔覆过程中的控制及对熔覆层质量的影响激光熔覆Ni-Wc工艺参数的正确性，不仅对熔覆层厚度、堆积宽度等宏观尺寸影响很大，而且对熔覆层的微观组织特性影响也很大，为保证熔覆层的质量延长工件的运行寿命，必须对工艺程序要求工艺参数严格控制。
　　在激光熔覆过程中影响熔层质量的因素很多，下面主要讨论工艺参数中激光功率及扫描速度与熔覆层质量的关系。当其他条件不变时激光器的输出功率提高使功率密度增大或扫速度降低延长激光束在某一点的停留时间都可促使熔池内熔体的温度升高造成熔体与基材边界处基体材料的熔化量增加，提高了基体材料在熔体中的浓度，造成合金熔覆层稀释度增大、合金凝固速度降低晶粒变粗，另外熔池温度较高时合金中B和C的烧损程度增加。以上原因可降低辊面熔覆层的硬度及耐磨性能。当光斑面积及送粉速度一定时，功率降低熔覆材料得到的能量不足或扫描的线速度较高缩短了热源在某一点的停留时间，都可使熔池内熔体的温度降低，因激光熔覆层是以枝晶状显微组织为主，其组织细密均匀，熔覆层中上部晶粒度细密，而底部组织相对略粗。
　　温度相对不足影响了熔池内熔质的流动，此时熔池边界和熔池中下部组织属平面外延生长组织，晶粒相对粗大，熔覆层的耐磨性能降低。严重时可造成基体材料微熔或不熔，这样熔覆材料与基体材料不能充分结合，降低了熔覆层的强度，当两熔覆后破碎辊之间由于破碎对象的因素造成冲击磨擦很大时，熔覆层可出现块状脱落，破碎辊的使用寿命将有很大的降低。在熔覆过程中必须将激光的扫描速度控制在一定范围内，使在熔覆过程中熔池内所产生的气体有足够的逸出时间，避免熔层中气孔的产生。
　　不同的熔池温度和不同的冷却速度的综合影响会导致不同的晶体形态，从而形成不同的凝固组织，熔覆层熔池中方位成分的微小不均匀难以避免。在激光熔覆实际操作过程中应严格控制熔池温度与熔体的凝固速度，应做到熔池内溶体不沸腾，但必须有平稳流动的溶体，确保熔池内溶体均匀以达到熔覆层的质量要求。
　　综上所述：在激光熔覆Ni-Wc过程中，必须重点通过对激光功率、扫描速度、送粉量以及基体的基本温度的综合控制，才能达到熔池温度适当熔体的凝固速度正确来保证熔覆层的整体质量。
　　熔覆工件检验结果及结论1.使用激光熔覆Ni-Wc技术产生的熔覆层，表面平整光滑无沟槽，熔覆层厚度达2mm熔层与基体形成冶金紧密结合，无气孔，基本无裂纹，熔覆表面硬度平均值达HRC62以上，耐磨、耐蚀、耐冲击，破碎辊的使用寿命有了成倍的提高。在连续生产使用6个月后，实际测试结果为熔层厚度1.2mm，磨损量仅有0.8mm，磨损表面光滑平整无沟槽，气孔等缺陷，平均硬度仍在HRC62以上。
　　2.劳动强度大为降低。熔覆Ni-Wc层后破碎辊辊面硬度有了很大提高耐磨性能好，磨损均匀，不产生槽沟且不需要经常车削加工整形来恢复辊面的生产技术要求，降低了工人劳动强度，减少了35次的维修时间及加工维修费用。并且能保证生产线的正常运行。
　　3.破碎辊的使用寿命有了很大的提高。未采用激光熔覆前原破碎辊使用极限为3个月，经激光熔覆Ni-Wc后破碎辊的使用寿命可达6个月以上且磨损均匀在达到使用极限后可在熔层磨损表面上重新熔覆一层Ni-Wc表层后继续使用。工艺简单，使用寿命长，减少生产线的停机时间，这样该备件生产成本费用大大降低。