一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末及其制備方法，所述的合金粉末的化學(xué)成分按重量百分比為Cu：12～24％；C：1.5～3.5％；Si：0.2～2.4％；Al：0.01～0.05％；Ba：0.005～0.01％；Ca：0.001～0.01；Co：0.5～1.2％；Y2O3：0.0～0.04％；La2O3：0.0～0.03％；Ce：0.0～0.04％；Ni：余量。本發(fā)明通過添加合金基體強(qiáng)化元素、促石墨化元素、晶粒細(xì)化晶界強(qiáng)化元素，并調(diào)整各元素的百分比含量，使合金獲得優(yōu)越的綜合性能，從而實現(xiàn)了合金在具有適中硬度和強(qiáng)度的同時，又降低了“白口”組織形成傾向，增加了抗沖擊、耐疲勞性能，從根本上解決并提高了合金粉末在激光熔覆層中的抗裂性、成形性、工藝穩(wěn)定性和成份均勻性，為灰鑄鐵零件的成功修復(fù)提供了一種行之有效的便捷方法。
【專利說明】一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金粉末材料科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，提供一種減少碳擴(kuò)散、硬度適中、耐疲勞、抗沖擊性優(yōu)良、具有優(yōu)越熔覆性能的采用激光熔覆方法修復(fù)灰鑄鐵用合金粉末材料及其制備方法，也適用于作為其他鑄鐵零部件，具體是涉及一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]灰鑄鐵具有良好的鑄造性能、優(yōu)異的減振性、良好的切削加工性能等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于裝備制造業(yè)、冶金、農(nóng)機(jī)、給排水及國防工業(yè)各部門。據(jù)統(tǒng)計，我國每年僅因灰鑄鐵鑄造缺陷導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億元另外，灰鑄鐵件在服役過程中也易產(chǎn)生磨損、開裂等缺陷，如直接報廢回爐，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，因此亟需對失效灰鑄鐵零件進(jìn)行維修。
[0003]灰鑄鐵本身含碳量高，硫、磷等雜質(zhì)較多，組織不均勻，因而焊接性較差，采用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)對灰鑄鐵進(jìn)行冷焊時，由于熱輸入量大，在焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)都易出現(xiàn)大量的白口和淬硬組織。選擇合適的修復(fù)工藝和合金材料是灰鑄鐵零件修復(fù)的關(guān)鍵所在。
[0004]激光熔覆是以高能密度的激光為熱源，將具有特殊使用性能的材料涂覆在基材表面，獲得與基體形成良好冶金結(jié)合和使用性能的先進(jìn)加工技術(shù)。其具有能量密度高、熱影響區(qū)小、熱變形小、易于實現(xiàn)選區(qū)修復(fù)等特點，為灰鑄鐵零件修復(fù)提供了新的技術(shù)手段。
[0005]目前，國內(nèi)外市場上激光熔覆專用的合金粉末并不多見，尤其是適用于灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)的能夠有效控制基體碳擴(kuò)散、控制白口組織的形成，且具有硬度適中、抗沖擊、耐疲勞、易于加工等綜合性能優(yōu)越的合金粉末尚未見報道?；旧鲜遣捎脟姾富驀娡坑煤辖鸱勰?，或在此類粉末基礎(chǔ)上，按不同比例加以調(diào)配，并以機(jī)械混合的形式配制所需的各種合金粉末。這些混合粉存在諸如混合不均勻、流動性差、膨脹系數(shù)差異大等問題，導(dǎo)致在實際熔覆中無法控制裂絞、氣孔、白口、偏析、性能不穩(wěn)、不易機(jī)加等缺陷。亟待開發(fā)一種價格適中、性能優(yōu)良穩(wěn)定、硬度適中、機(jī)加方便的合金粉末，專用于激光熔覆，解決灰鑄鐵零件修復(fù)中優(yōu)選覆層材料問題。同時，也適用于作為其他鑄鐵零部件的激光熔覆修復(fù)合金粉末，應(yīng)用前景廣闊，具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]因此，亟待開發(fā)一種價格適中、性能優(yōu)良穩(wěn)定、硬度適中、機(jī)加方便的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，專用于激光熔覆，解決灰鑄鐵零件修復(fù)中優(yōu)選覆層材料問題。同時，也適用于作為其他鑄鐵零部件的激光熔覆修復(fù)合金粉末，應(yīng)用前景廣闊，具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種減少碳擴(kuò)散、硬度適中、耐疲勞、抗沖擊性優(yōu)良、具有優(yōu)越熔覆性能的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，專用于采用激光熔覆方法，修復(fù)灰鑄鐵零件的操作。
[0008]本發(fā)明首先提供了一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，是在鎳銅合金基礎(chǔ)上，添加C、Al、S1、Ca、Ba、Co、Y203、La2O3和Ce等元素進(jìn)行合金基體的進(jìn)一步優(yōu)化。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末的化學(xué)成份中主要含有:N1、Cu、C、S1、Al、Ba、Ca、Co、Y203、La203和Ce元素；所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為 Cu:12 ?24% ;C:1.5 ?3.5% ；S1:0.2 ?2.4% ；A1:0.01 ?0.05% ；Ba:0.005 ?0.01% ；Ca:0.001 ?0.01% ；Co:0.5 ?1.2% ;Υ203:0.0 ?0.04% ；La 203:0.0 ?
0.03% ；Ce:0.0 ?0.04% ；N1:余量。
[0011]在一個優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:18% ；C:3.2% ；Si:1.8% ；A1:0.01% ；Ba:0.005% ；Ca:0.004% ；Co:0.92% ;Y203:0.002% ；La2O3:0.023% ；Ce:0.015% ；N1:余量。
[0012]在一個優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:19% ；C:2.3% ；Si:1.9% ；A1:0.03% ；Ba:0.006% ；Ca:0.005% ；Co:0.5% ；Y203:0.01% ；La2O3:0.02% ；N1:余量。
[0013]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料是通過真空熔煉、氣霧化、篩選等工序精心制備的，粒度是120?350目。
[0014]一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0015]步驟一、首先將N1、Cu、C、Al、S1、Ca、Ba、Co、Y203、La2O3和 Ce 元素，按上述重量百分比提取后放入中頻感應(yīng)爐內(nèi)，在氬氣氣氛下加熱到1500-1550°C，使粉末完全融化并混合均勻；
[0016]步驟二、將步驟一得到的熔融的金屬液流注入水霧化設(shè)備的漏包坩禍，在漏包坩禍的下方置有水霧化噴嘴，當(dāng)熔融的金屬液流通過導(dǎo)流嘴流經(jīng)水霧化噴嘴時，被噴嘴射出的高速水流擊碎成小液滴、隨后合金液滴落在水中凝固成粉末，得到所述的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末。
[0017]本發(fā)明的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，在實際熔覆操作中可以采用1000?2000W YAG固態(tài)激光器，在失效灰鑄鐵零件熔覆中使用。應(yīng)用所述粉末材料的熔覆工藝參數(shù)是:功率:1000?1800W，焦距:200?300mm，光斑直徑:2?4mm，掃描速度:200?600mm/min，送分量:7.3 ?10.8g/min。
[0018]本發(fā)明的一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，所述材料激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在上述合金成份基礎(chǔ)上，添加C元素。C元素作為強(qiáng)脫氧劑，可防止熔覆層產(chǎn)生氣孔；c元素可縮小高溫脆性溫度區(qū)間，有利于提高熔覆層的抗熱裂紋的能力；碳的析出，能夠降低熔覆層的收縮應(yīng)力，有利于降低熱影響區(qū)熔合線附近產(chǎn)生冷裂紋的傾向；C元素有利于降低半熔化區(qū)中的碳向熔覆層的擴(kuò)散程度，進(jìn)一步減低白口區(qū)域?qū)挾取?br> [0019]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在上述合金成份基礎(chǔ)上，添加Al、Si等元素，Al、Si等元素作為促進(jìn)石墨化元素，可顯著降低灰鑄鐵共晶點的含碳量，促進(jìn)石墨化，減低白口化傾向，且Al、Si等兀素的尚恪點氧化物能夠起到孕育作用，形成異質(zhì)石墨核心，進(jìn)一步促進(jìn)石墨化。
[0020]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在上述合金成份基礎(chǔ)上，添加Ca、Ba等元素，起到較好的脫硫、脫磷效果，減少硫磷等有害元素在晶界處的偏析，降低熔覆層的熱裂傾向，且能夠形成的并生成形影的硫化物和磷化物降低灰鑄鐵共晶點的含碳量，促進(jìn)灰鑄鐵石墨化，同時Ca元素還可以改善石墨形態(tài)。
[0021]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在上述合金成份基礎(chǔ)上，添加Co元素，減少硫、磷、硅等元素在晶界處的偏析，降低熔覆層的熱裂傾向。
[0022]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料，所述材料激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在上述合金成份基礎(chǔ)上，添加稀土微量元素Y203、La2O3, Ce，起到良好的脫硫、脫氧作用，減少熔覆層氣孔的形成，同時稀土元素的加入還有助于細(xì)化晶粒，強(qiáng)化晶界，提高熔覆層力學(xué)性能。
[0023]通過添加合金基體強(qiáng)化元素、促石墨化元素、晶粒細(xì)化晶界強(qiáng)化元素，并調(diào)整各元素的百分比含量，使合金獲得優(yōu)越的綜合性能。從而實現(xiàn)了合金在具有適中硬度和強(qiáng)度的同時，又降低了“白口”組織形成傾向，增加了抗沖擊、耐疲勞性能。從根本上解決并提高了合金粉末在激光熔覆層中的抗裂性、成形性、工藝穩(wěn)定性和成份均勻性，滿足了修復(fù)部件對熔覆層耐溫、耐蝕、耐磨、耐疲勞、抗沖擊和較高強(qiáng)度等的綜合性能要求。
[0024]本發(fā)明灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末材料，主要應(yīng)用于具有鑄造缺陷或服役過程中發(fā)生磨損、腐蝕、開裂等缺陷的灰鑄鐵零件的激光熔覆修復(fù)。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點在于:所述材料灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末是在鎳銅合金基礎(chǔ)上，添加合金基體強(qiáng)化元素、促石墨化元素、晶粒細(xì)化晶界強(qiáng)化元素，并調(diào)整各元素的百分比含量，使合金獲得優(yōu)越的綜合性能。從而實現(xiàn)了合金在具有適中硬度和強(qiáng)度的同時，又降低了“白口”組織形成傾向，增加了抗沖擊、耐疲勞性能。從根本上解決并提高了合金粉末在激光熔覆層中的抗裂性、成形性、工藝穩(wěn)定性和成份均勻性，滿足了修復(fù)部件對熔覆層耐溫、耐蝕、耐磨、耐疲勞、抗沖擊和較高強(qiáng)度等的綜合性能要求。該粉末材料適用具有鑄造缺陷或服役過程中發(fā)生磨損、腐蝕、開裂等缺陷的灰鑄鐵零件的激光熔覆修復(fù)，解決了灰鑄鐵零件焊接性差、難修復(fù)的技術(shù)難題，為成功修復(fù)失效灰鑄鐵零件提供了一種行之有效的便捷方法。

【具體實施方式】
[0026]實施例一
[0027]一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，按合金成份中包括有:N1、Cu、C、Al、S1、Ca、Ba、Co元素，合金成份中還含有適量的稀土元素Y203、La2O3和Ce，其化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:18% ；C:3.2% ；S1:l.8% ；A1:0.01 % ；Ba:0.005% ；Ca:0.004% ；Co:0.92% ；Y2O3:0.002% ；La2O3:0.023% ；Ce:0.015% ；N1:余量。
[0028]上述合金粉末的制備方法，包括以下過程:
[0029]1、將 N1、Cu、C、Al、S1、Ca、Ba、Co 及稀土元素 Y203、La203、Ce 按上述重量百分比配比，準(zhǔn)備好制作金屬粉末的原材料。
[0030]2、啟動中頻，按熔煉工藝的要求，放入金屬開始熔煉，一般容易氧化的金屬在熔化的后期放入；熔化溫度大約在1500-1550°C。
[0031]3、當(dāng)本爐的金屬全部在爐內(nèi)熔化后，進(jìn)行造渣，去除金屬液中的雜質(zhì)。
[0032]4、然后進(jìn)入精煉期進(jìn)行精煉，澆注前加入脫氧劑進(jìn)行脫氧。
[0033]5、澆注鋼錠，脫模冷卻后，分析化學(xué)成份。合格后轉(zhuǎn)入下道工序。
[0034]6、將合金料重新裝入制粉設(shè)備的熔煉爐中，經(jīng)過熔煉一除渣一脫氧一精煉后，開始進(jìn)行金屬粉末的霧化，正常的霧化時間在10?30分鐘左右。
[0035]7、將來自氣瓶的高壓氣體作為氣刀，對熔化后經(jīng)漏嘴約束后成一細(xì)流的熔融金屬液流進(jìn)行切割，霧化成極微小的金屬液滴，最后凝固成合金粉末。
[0036]8、凝固后的金屬粉末，在高溫時還是相當(dāng)容易氧化的，所以須在無氧或低氧的環(huán)境下讓其冷卻到室溫，才能減少粉末的含氧量。
[0037]9、干燥后的金屬粉末，先取樣進(jìn)行化學(xué)成份的化驗，如果合格，再按用戶的要求進(jìn)行篩分，包裝入庫。
[0038]實施例二
[0039]一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，按合金成份中包括有:N1、Cu、C、Al、S1、Ca、Ba、Co元素，合金成份中還含有適量的稀土元素Y203、La2O3和Ce，其化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:19% ；C:2.3% ；S1:l.9% ；A1:0.03% ；Ba:0.006% ；Ca:0.005% ；Co:0.5% ；Y2O3:0.01% ；La203:0.02% ；N1:余量。
[0040]其制備方法與實施例一相同。
[0041]實施例三
[0042]—種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，按合金成份中包括有:N1、Cu、B、S1、Fe、C、Ba、Ca、Mn元素，合金成份中還含有適量的稀土元素Y203、La2O3和Ce，其化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:20% ；B:1.4% ；S1:2.0% ；Fe:0.8% ；C:0.03% ；Ba:0.007% ；Ca:0.006% ；Mn:0.005% ；Y2O3:0.02% ;La203:0.023% ；Ce:0.02% ；N1:余量。
[0043]其制備方法與實施例一相同。
【權(quán)利要求】
1.一種灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末的化學(xué)成份中主要含有:N1、Cu、C、S1、Al、Ba、Ca、Co、Y203、La203和Ce元素；所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為 Cu:12 ?24% ;C:1.5 ?3.5% ；S1:0.2 ?2.4% ；A1:0.01 ?0.05% ；Ba:0.005 ?0.01% ；Ca:0.001 ?0.01% ；Co:0.5 ?1.2% ;Υ203:0.0 ?0.04% ；La 203:0.0 ?0.03% ；Ce:0.0 ?0.04% ；N1:余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:18% ；C:3.2% ；Si:1.8% ；A1:0.01% ；Ba:0.005% ；Ca:0.004% ；Co:0.92% ；Y2O3:0.002% ；La 203:0.023% ；Ce:0.015% ；N1:余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為:Cu:19% ；C:2.3% ；Si:1.9% ；A1:0.03% ；Ba:0.006% ；Ca:0.005% ；Co:0.5% ；Y203:0.01% ；La 203:0.02% ；N1:余量。
4.一種權(quán)利要求1?3任一項權(quán)利要求所述的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、首先將N1、Cu、C、Al、S1、Ca、Ba、Co、Y203、La203和Ce元素，按上述重量百分比提取后放入中頻感應(yīng)爐內(nèi)，在氬氣氣氛下加熱到1500-1550°C，使粉末完全融化并混合均勻； 步驟二、將步驟一得到的熔融的金屬液流注入水霧化設(shè)備的漏包坩禍，在漏包坩禍的下方置有水霧化噴嘴，當(dāng)熔融的金屬液流通過導(dǎo)流嘴流經(jīng)水霧化噴嘴時，被噴嘴射出的高速水流擊碎成小液滴、隨后合金液滴落在水中凝固成粉末，得到所述的灰鑄鐵激光熔覆修復(fù)用合金粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:所述的合金粉末的粒度為120?350目。
【文檔編號】C23C24/10GK104498774SQ201510026197
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月20日
【發(fā)明者】董世運(yùn), 王玉江, 孔曉麗, 閆世興, 徐濱士, 但偉 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院, 中國第一汽車股份有限公司