球墨铸铁激光熔覆层材料及球墨铸铁表面耐蚀层制备方法

技术领域

本发明属于激光表面工程技术领域，具体涉及球墨铸铁激光熔覆层材料及球墨铸铁表面耐蚀层制备方法。

背景技术

球墨铸铁具有强度高、韧性好、塑性优良的特性，加之石墨球的润滑作用，使其广泛应用于螺杆泵泵壳、底座等高强韧零件的制造。然而，球墨铸铁在铸造过程中容易出现缩孔及砂眼缺陷，且铸铁件在服役过程中常经受腐蚀气体侵蚀、交变热应力、磨损等，若不经表面处理将无法满足使用要求。

激光熔覆通过高能激光束将熔覆粉末熔化并在材料表面熔凝，通过与基体材料发生冶金反应而形成熔覆层，能够显著改善材料的耐蚀耐磨、抗氧化、耐热性能，是一种高效、优质的表面改性及修复再制造方法。与传统涂层制备方法如喷涂、电镀、电弧堆焊等相比，激光熔覆具有涂层与基体结合强度高、致密性好、厚度可控、稀释率低等特点，在球磨铸铁表面涂层制备方面具有较好的应用前景。目前应用在球磨铸铁工件上的熔覆粉末多为铁基、钴基，主要是用于提高球磨铸铁上的熔覆层的硬度，考虑其耐磨性，而较少考虑熔覆层的腐蚀性。对于使用在酸性环境(含氯离子)下的球磨铸铁工件，如泵用球磨铸铁工件来说，则需要考虑熔覆层的耐蚀性。

目前关于球墨铸铁表面耐蚀层制备方法的研究较少，如何实现球磨铸铁表面的耐蚀层在酸性环境下的开裂、脱落等缺陷，提高球磨铸铁基体的耐腐蚀性能是研究重点。

鉴于此，提出本专利申请。

发明内容

为了解决以上问题，本专利申请的目的在于提供一种球墨铸铁激光熔覆层材料，以及球磨铸铁表面耐蚀层制备方法，可以避免球磨铸铁表面的熔敷层开裂、脱落等缺陷，有效提高球墨铸铁基体的耐腐蚀性能，并兼顾结合强度、组织致密性以及耐磨性。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的第一个目的在于提供一种球墨铸铁激光熔覆层材料，所述熔覆层材料为镍基粉末，所述镍基粉末包括以下质量百分比的各组分：C：0.02％～0.15％，Cr：16.6～17.5％，Mo：13～17％，Fe：2.5～3.8％，Mn：0.7～1.6％，V：0.6～0.8％，Si：0.3～0.7％，S：0.01％，O：0.05％，W：3.0～5.0％，余量为Ni。

目前应用在球磨铸铁工件上的熔覆粉末多为铁基、钴基，主要是用于提高球磨铸铁上的熔覆层的硬度。考虑到需要用于酸性环境，要提高耐腐蚀性，本发明实施例中采用的熔覆层粉末为镍基粉末，而由于镍基与球磨铸铁结合会产生金属间化合物，铸铁QT500表面熔敷镍基合金材料时，熔敷层金属易形成热裂纹，其原因在于铸铁中较高含量的S和P混入高镍熔敷层中，而形成Ni

在一些可选的实施例中，所述镍基粉末的粒径为20～50μm。采用粒径为20～50μm镍基粉末可以达到保证熔覆层致密度，减少气孔、夹杂缺陷产生的技术目的。

本发明的第二个目的在于提供一种球墨铸铁表面耐蚀层制备方法，包括以下步骤：

对熔覆层镍基粉末进行干燥处理；

激光熔覆进行熔覆层制备；

激光熔覆过程中利用载气式送粉进行熔覆粉末送进，送粉方式为同轴送粉；

熔覆层镍基粉末包括以下质量百分比的各组分：C：0.02％～0.15％，Cr：15.6～16.5％，Mo：14～18％，Fe：2.5～3.8％，Mn：0.7～1.6％，V：0.3～0.8％，Si：0.3～0.7％，S：0.01％，O：0.05％，W：3.0～5.0％，余量为Ni。

本发明实施例中采用激光熔覆制备方法获得耐蚀层(即熔覆层)，镍基粉末与球墨铸铁基体在激光热源的作用下熔化并产生冶金结合，熔敷层及基体结合强度高，致密性好，不存在分层现象，耐磨，熔敷层厚度可控，不存在机加工时熔敷层脱落的问题。结合镍基粉末的合理设计，提高了耐蚀层的耐腐蚀性，提高了基体耐氯离子的腐蚀性能，在酸性环境下也不会出现开裂、脱落的缺陷。采用的本专利所述的激光熔覆工艺还可有效降低基体的稀释率，熔覆层的化学成分受到基体的影响较小，保证了其原有的良好性能，而且激光熔覆方法热输入远低于电弧堆焊，可显著降低基体变形程度。

且采用同轴送粉的方式具有较好的粉末利用率及空间适应性，可实现复杂结构表面、内孔的耐蚀层制备。

在一些可选的实施例中，镍基粉末的粒径为20～50μm。

在一些可选的实施例中，所述干燥处理为烘干，烘干温度为100～120℃，保温时间1～1.5h。

在一些可选的实施例中，激光熔覆所采用的激光器为光纤激光器，激光光斑为圆形光斑，光斑直径为1～3mm，圆形光斑及光斑直径匹配选取可有效保证送进粉末均匀熔化，形成连续美观的熔覆层。

在一些可选的实施例中，激光熔覆过程的工艺参数为：激光功率：1600～2100W，送粉速率：10～15g/min，送粉载气流量：2.0～3.5L/min，扫描速率：250～350mm/min。

在一些可选的实施例中，采用单层多道次熔敷的方式进行熔敷层制备，道次间的搭接率为30～50％，道间温度控制在100～150℃，每一熔敷道次的激光扫描方向保持一致。

本发明实施例中，通过合理控制工艺参数及搭接率，所得到的熔覆层与基体结合良好，并未出现空隙、界面微裂纹等缺陷，熔覆层组织均匀，晶粒细小。

在一些可选的实施例中，熔覆层的厚度为0.8～1.5mm。

在一些可选的实施例中，采用铣削加工的方法对熔敷层进行减薄加工，铣削加工后熔敷层厚度0.4～0.5mm，表面粗糙度为Ra 0.8等级。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种球墨铸铁激光熔覆层材料为镍基粉末，通过对镍基粉末进行合理设计，消除了镍基粉末与球墨铸铁在结合时会产生金属间化合物，克服了镍基与球磨铸铁冶金相容性不好的技术难题。

本发明实施例提供的一种球磨铸铁表面耐蚀层制备方法，通过利用巧妙设计的镍基粉末，并利用激光熔覆技术，合理控制激光熔覆工艺参数，使熔敷层及基体结合强度高，致密性好，不存在分层现象，耐磨，耐蚀层的耐腐蚀性强，在酸性环境下也不会出现开裂、脱落的缺陷。

具体为：

(1)与现有的喷涂方法相比，本发明使得粉末及球墨铸铁基体在激光热源的作用下熔化并产生冶金结合，熔敷层及基体结合强度高，且熔敷层厚度可控，不存在机加工时熔敷层脱落的问题。

(2)与传统电弧堆焊方法相比，本发明实施例所采用的激光熔敷方法可有效降低基体的稀释率，因此熔敷层的化学成分受到基体的影响较小，保证了其原有的良好性能，而且激光熔敷方法热输入远低于电弧堆焊，可显著降低基体变形程度。

(3)与现有的预置粉末激光熔敷方法相比，本发明实施例的同轴送粉方式具有较好的粉末利用率及空间适应性，可实现复杂结构表面、内孔的耐蚀层制备。

(4)通过合理控制工艺参数及搭接率，本发明实施例所得的熔敷层与基体结合良好，并未出现空隙、界面微裂纹等缺陷，熔敷层组织均匀，晶粒细小。

(5)本发明实施例所得的熔敷层致密性较好，不存在分层现象，且熔敷层硬度达到400Hv，远高于基体200Hv，可有效提高基体材料的耐磨性。

(6)本发明实施例采用镍基粉末制得耐蚀层，显著提高了基体耐氯离子腐蚀性能，满足实际使用工况要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为实施例1中获得的机加工前的熔覆层的宏观结构图。

图2为实施例1中获得的机加工前熔覆层的宏观金相图。

图3为实施例1中获得的机加工前熔覆层界面处微观金相图。

图4为实施例1中获得的机加工前熔覆层表面的金相组织图。

图5为实施例1中获得的机加工前熔覆层与基体在界面化学处的化学成分分布图。

图6为实施例1中获得的机加工前熔覆层硬度测试结果图。

图7为实施例1中获得的机加工前熔覆层的耐腐蚀性测试结果图。

图8为实施例1中获得的机加工前熔覆涂层树枝晶组织典型形貌元素能谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

镍基粉末为：C：0.02％，Cr：15.6％，Mo：16％，Fe：2.5％，Mn：0.9％，V：0.3％，Si：0.3％，S：0.01％，O：0.05％，W：3.0％，余量为Ni。镍基粉末的粒径为20微米。

球磨铸铁表面耐蚀层制备方法，采用以下步骤：

(1)将镍基粉末放入烘干设备进行干燥处理，烘干温度110℃，烘干时间60min，烘干后进行封存备用。

(2)使用打磨设备对基体表面进行打磨，并使用无水乙醇进行擦拭，以去除表面锈迹及油污等。

(3)设置激光熔覆参数如下：

激光功率：1700W，激光器光斑直径：3mm，送粉速率：10g/min；送粉载气流量：3.5L/min；扫描速率：250mm/min，载粉气体为高纯氩气(99.999％)。采用载气式同轴送粉方法。

(4)采用单层多道次熔敷的方式进行熔敷层制备，道次间的搭接率设置为40％，道间温度控制为150℃，每一熔敷道次的激光扫描方向保持一致。获得如图1所示的熔敷层。熔覆层的厚度为0.8mm。

(5)采用铣削加工方法对熔敷层进行减薄加工，铣削加工后熔敷层厚度0.4mm，表面光滑，无机加工痕迹，控制表面粗糙度为Ra0.8等级。

实施例2：

镍基粉末为：C：0.15％，Cr：16.5％，Mo：18％，Fe：3.8％，Mn：0.7％，V：0.8％，Si：0.7％，S：0.01％，O：0.05％，W：5.0％，余量为Ni。镍基粉末的粒径为40微米

球磨铸铁表面耐蚀层制备方法，采用以下步骤：

(1)将镍基粉末放入烘干设备进行干燥处理，烘干温度120℃，烘干时间90min，烘干后进行封存备用。

(2)使用打磨设备对基体表面进行打磨，并使用无水乙醇进行擦拭，以去除表面锈迹及油污等。

(3)设置激光熔覆参数如下：

激光功率：1600W，激光器光斑直径：1mm，送粉速率：15g/min；送粉载气流量：2.0L/min；扫描速率：300mm/min，载粉气体为高纯氩气(99.999％)。采用载气式同轴送粉方法。

(4)采用单层多道次熔敷的方式进行熔敷层制备，道次间的搭接率设置为30％，道间温度控制为130℃，每一熔敷道次的激光扫描方向保持一致。获得如图1所示的熔敷层。熔覆层的厚度为1.5mm。

(5)采用铣削加工方法对熔敷层进行减薄加工，铣削加工后熔敷层厚度0.45mm，表面光滑，无机加工痕迹，控制表面粗糙度为Ra0.8等级。

实施例3：

镍基粉末为：C：0.1％，Cr：16.0％，Mo：14％，Fe：3.5％，Mn：1.6％，V：0.5％，Si：0.45％，S：0.01％，O：0.05％，W：4.1％，余量为Ni。镍基粉末的粒径为40微米

球磨铸铁表面耐蚀层制备方法，采用以下步骤：

(1)将镍基粉末放入烘干设备进行干燥处理，烘干温度115℃，烘干时间80min，烘干后进行封存备用。

(2)使用打磨设备对基体表面进行打磨，并使用无水乙醇进行擦拭，以去除表面锈迹及油污等。

(3)设置激光熔覆参数如下：

激光功率：2100W，激光器光斑直径：1.5mm，送粉速率：15g/min；送粉载气流量：3.0L/min；扫描速率：350mm/min，载粉气体为高纯氩气(99.999％)。采用载气式同轴送粉方法。

(4)采用单层多道次熔敷的方式进行熔敷层制备，道次间的搭接率设置为30％，道间温度控制为150℃，每一熔敷道次的激光扫描方向保持一致。获得如图1所示的熔敷层。熔覆层的厚度为1.2mm。

(5)采用铣削加工方法对熔敷层进行减薄加工，铣削加工后熔敷层厚度0.45mm，表面光滑，无机加工痕迹，控制表面粗糙度为Ra0.8等级。

测试例：

1、进行渗透试验

取实施例1所获得的熔覆后的球磨铸铁工件，进行渗透试验，渗透试验为常规的无损检测方法。结果见图1所示。

结果表明，实施例获得的工件上的熔覆层无裂纹、气孔等缺陷。

2、进行金相检验

取实施例1所获得的熔覆后的球磨铸铁工件，进行渗金相实验。

实施例1机加工前的熔覆层横截面宏观金相图片如图2所示，熔敷层厚度约1.5mm，界面处微观金相照片如图3所示，可见熔敷层与基体结合良好，未发现裂纹缺陷。熔覆层表面的金相组织图见图4，表明熔覆层组织为典型的树枝晶形貌，晶粒细小，组织中无气孔、裂纹、夹杂等缺陷。

又研究了熔覆层与基体在界面化学处的化学成分分布，见图5，可见界面处Fe、Ni、Mo和Cr元素存在渐进过渡。

3、硬度测试

取实施例1所获得的熔覆后的球磨铸铁工件，进行硬度实验测试。实施例1的结果见图6中所示，可见熔敷层硬度高于350Hv，远高于基体硬度150Hv。结合强度高，耐磨性好。

4、耐腐蚀性测试

取实施例1熔覆后的球磨铸铁工件，进行盐雾试验，将未进行熔敷的铸铁母材作为对比试样，结果如图7所示，相同腐蚀条件下，母材试样的腐蚀增重远高于熔敷试样，表明熔敷层的存在可显著提高基体耐氯离子腐蚀性。

采用扫描电子显微镜对涂层的树枝晶组织进行观察，其结果如图8所示，树枝晶组织中典型形貌(sp1，sp2，sp3)的元素能谱结果如表1所示。可知熔覆层中树枝晶组织主要由富Ni固溶体为基体(sp1)和网状共晶组织(sp2和sp3)组成。网状共晶组织由富Ni固溶体和富Mo碳化物组成。该种组织结构对于材料耐腐蚀性能提升具有较好的促进作用。

表1：树枝晶组织中典型形貌(sp1，sp2，sp3)的元素能谱(wt％)结果

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。