一种铸铁表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法与流程

本发明属于激光加工领域，涉及一种铸铁表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法。

背景技术：

铸铁材料是指铁、碳和硅组成的合金的总称，其具有铸造性能好、节能、易回用等特点。按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为：渗碳体白口铸铁、片状石墨灰铸铁、团絮状石墨可锻铸铁、圆球状球墨铸铁、蠕虫状蠕墨铸铁与加入适量合金元素的合金铸铁件。目前，铸铁材料因其优良的性能而广泛应用于机械加工、汽车、船舶以及石油化工等重工业领域。但在以上领域的工作环境中，长时间使用的铸铁部件易受到不同程度的冲击与磨损破坏，使用寿命急剧缩短，从而产生大量能耗、污染以及资源浪费。

为提高铸铁件耐磨耐冲击性能，对铸铁件工作表面进行强化处理。目前，普通淬火与感应淬火为主要表面处理方法，部分研究者还采用激光淬火工艺强化铸铁件工作表面性能。但由于淬火工艺无法改变基体材料的本质性能，导致耐磨耐冲击性能提升有限。采用激光熔覆技术在铸铁件表面制备金属合金涂层可以实现在原始材料表面覆着高性能材料，从而大幅提高铸铁件的耐磨耐冲击性能。然而，由于铸铁含碳量较高，特别是灰铸铁、球墨铸铁以及蠕墨铸铁含有大量石墨，在激光熔覆过程中会在金属合金涂层中产生大量气孔与夹渣，严重影响涂层与铸铁基体的结合强度，降低涂层的耐磨耐冲击性能。中国专利CN 105779997 A公开了一种蠕墨铸铁模具表面激光预热处理后熔覆镍基合金涂层的方法，其激光预处理时激光功率较低，无法从根本上消除蠕墨铸铁由于含有大量石墨而在后续熔覆过程中产生的大量缺陷。刘昊等在蠕墨铸铁上进行激光合金化后熔覆NiCoCrAlY涂层，但在激光合金化过程中蠕墨铸铁表面发生熔化再凝固，极易产生裂纹气孔等缺陷，引起后续熔覆的涂层发生开裂从而影响使用寿命。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：为了解决铸铁材料激光熔覆过程存在的气孔与夹渣等问题，提供一种铸铁表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，实现无气孔与夹渣高耐磨耐冲击性涂层的制备。

本发明技术解决方案：一种铸铁表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法，包括如下步骤：

步骤一、将金属合金粉末进行称重并真空干燥待后续激光熔覆使用；

步骤二、将铸铁表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；

步骤三、对铸铁表面进行高功率激光淬火处理，形成激光淬火层，消除铸铁表面的缺陷与孔隙并烧蚀表层存在的石墨；

步骤四、对铸铁表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸铁激光淬火层表面，在已形成的激光淬火层上进行激光熔覆金属合金打底层，其主要作为铸铁与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，使复合涂层与铸铁表面形成无气孔裂纹的良好结合；

步骤五、对铸铁表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用耐磨耐冲击性能良好的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸铁金属合金打底层表面，在已形成的金属合金打底层之上进行激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层。

进一步的，所述步骤一进一步包括：将称重后的粉末在80～90℃的真空干燥箱中干燥90～120min。

进一步的，所述步骤三进一步包括：

在铸铁表面上涂覆激光淬火用黑化涂料，而后进行激光淬火处理，所形成的淬火层深0.2～0.4mm，淬火层均匀无缺陷、无裂纹；

进一步的，所述步骤四进一步包括：

所形成的金属合金打底层厚度为0.2～0.4mm；

进一步的，所述步骤四进一步还包括：

打底层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％～0.03％、Si:0.1％～0.14％、Mn:0.4％～0.46％、Cr:15.5％～16.5％、Co:2.0％～2.8％、Mo:15.5％～16.5％、W:3.8％～4.6％、Nb:0.31％～0.37％、Fe:0.7％～0.8％、Ni:余量；

进一步的，所述步骤五进一步包括：

所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8～1.0mm；

进一步的，所述步骤五进一步还包括：

耐磨耐冲击层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％～0.34％、Si:3.5％～4.3％、Cr:10.5％～11.5％、B:2.0％～2.6％、Fe:10.0％～11.0％、Ni:余量；

进一步，步骤三中，激光功率1000～2000W，扫描速率200～350mm/min，光斑直径4～6mm；

进一步，步骤四中，激光功率1200～1700W，扫描速率200～250mm/min，送粉速率2～4g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量5～8l/h；

进一步，步骤五中，激光功率1500～2000W，扫描速率250～300mm/min，送粉速率6～8g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量6～11l/h。

本发明具有如下有益效果:

(1)在激光淬火过程中，激光可以将铁件表层绝大多数的石墨烧损掉，减少碳元素含量，可有效减少激光熔覆金属合金涂层与基体结合区的气孔、夹渣等缺陷，使铸铁基体与金属合金打底层之间形成良好的冶金结合。

(2)激光熔覆形成的金属合金打底层主要由韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末制成，其为铸铁与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，由于金属合金打底层具有良好的韧性和润湿性，在铸铁与金属合金打底层之间形成无气孔裂纹的冶金结合区，证明铸铁基材与金属合金打底层具有良好的结合效果。

(3)激光熔覆形成的金属合金耐磨耐冲击层主要由具有耐磨耐冲击性能金属合金粉末制成，因合金粉末良好的减磨与耐磨耐冲击属性，相关实验证明所形成的金属合金耐磨耐冲击层具有较好的耐磨耐冲击性能。

附图说明

图1为本发明方法工艺流程图；

图2为蠕墨铸铁表面熔覆耐磨耐冲击涂层金相图片；

图3为灰铸铁表面熔覆耐磨耐冲击涂层金相图片；

图4为球墨铸铁表面熔覆耐磨耐冲击涂层金相图片；

图5为实施例1中蠕墨铸铁不同表面处理方法条件下的平均磨损质量对比图；

图6为实施例1中蠕墨铸铁不同表面处理方法条件下的平均摩擦系数对比图；

图7为实施例1中蠕墨铸铁不同表面处理方法条件下的平均冲击功对比图；

图8为实施例1中蠕墨铸铁激光熔覆耐磨耐冲击涂层在室温时与500℃高温回火后的显微硬度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

如图1所示，本发明一种铸铁表面激光熔覆耐磨耐冲击涂层方法的具体实施步骤如下：

步骤一、将金属合金粉末进行称重后在80～90℃的真空干燥箱中干燥90～120min；

步骤二、将铸铁部件待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；

步骤三、对铸铁表面进行高功率激光淬火处理，形成激光淬火层，消除铸铁表面的缺陷与孔隙；

在铸铁表面上涂覆激光淬火用黑化涂料，而后进行激光淬火处理，其中激光淬火采用工艺参数为：激光功率1000～2000W，扫描速率200～350mm/min，光斑直径4～6mm，所形成的淬火层深0.2～0.4mm，淬火层均匀无缺陷、无裂纹；

步骤四、对铸铁表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用韧性好，润湿铺展性强的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸铁激光淬火层表面，在已形成的激光淬火层上激光熔覆金属合金打底层，其主要作为铸铁与金属合金耐磨耐冲击层的连接层，提高铸铁表面所形成的复合涂层的结合强度；

激光熔覆工艺参数为：激光功率1200～1700W，扫描速率200～250mm/min，送粉速率2～4g/min，光斑直径2～4mm，保护气流量5～8l/h，所形成的金属合金打底层厚度为0.2～0.4mm；

打底层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％～0.03％、Si:0.1％～0.14％、Mn:0.4％～0.46％、Cr:15.5％～16.5％、Co:2.0％～2.8％、Mo:15.5％～16.5％、W:3.8％～4.6％、Nb:0.31％～0.37％、Fe:0.7％～0.8％、Ni:余量；

步骤五、对铸铁表面进行激光熔覆处理，氩气作为保护气，熔覆粉末采用耐磨耐冲击性能良好的金属合金粉末，粉末通过同轴送粉方法并利用氩气作为载粉气而吹送到铸铁金属合金打底层表面，在已形成的金属合金打底层上激光熔覆金属合金耐磨耐冲击层；

激光熔覆工艺参数为：激光功率1500～2000W，扫描速率250～300mm/min，送粉速率6～8g/min，光斑直径2～4mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量6～11l/h，所形成的金属合金耐磨耐冲击层厚度为0.8～1.0mm。

耐磨耐冲击层所采用的金属合金粉末的化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％～0.34％、Si:3.5％～4.3％、Cr:10.5％～11.5％、B:2.0％～2.6％、Fe:10.0％～11.0％、Ni:余量；

实施例1

本实施例以蠕墨铸铁为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.02％、Si:0.1％、Mn:0.4％、Cr:15.5％、Co:2.0％、Mo:15.5％、W:3.8％、Nb:0.31％、Fe:0.7％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为铁基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.30％、Si:3.5％、Cr:10.5％、B:2.0％、Fe:10.0％、Ni:余量；

具体实施步骤如下：

(1)将镍基合金粉末与铁基合金粉末进行称重后在85℃的真空干燥箱中干燥两小时；

(2)将蠕墨铸铁待处理表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；

(3)在蠕墨铸铁表面上涂覆激光淬火用黑化涂料，而后进行激光淬火处理，其中激光淬火采用工艺参数为：激光功率2000W，扫描速率350mm/min，光斑直径6mm，所形成的淬火层深0.4mm，淬火层均匀无缺陷、无裂纹；

(4)待激光淬火处理结束后，在已形成的激光淬火层上激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率250mm/min，送粉速率4g/min，光斑直径4mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量8l/h，所形成的镍基合金打底层厚度为0.4mm；

(5)激光熔覆镍基合金打底层处理后，在已形成的镍基合金打底层上激光熔覆铁基合金耐磨耐冲击层，激光熔覆工艺参数为：激光功率2000W，扫描速率300mm/min，送粉速率7g/min，光斑直径3mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量8l/h，所形成的铁基合金耐磨耐冲击层厚度为0.9mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与蠕墨铸铁表面结合良好，无缺陷产生，耐磨耐冲击性测试证明：激光熔覆处理后的蠕墨铸铁的平均磨损质量比单独激光淬火和未处理的蠕墨铸铁显著减少，平均摩擦系数显著减小，冲击功增大，其耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。

实施例2

本实施例以灰铸铁为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.025％、Si:0.12％、Mn:0.43％、Cr:16％、Co:2.4％、Mo:16％、W:4.2％、Nb:0.34％、Fe:0.75％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为铁基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.32％、Si:3.9％、Cr:11、B:2.3％、Fe:10.5％、Ni:余量；

具体实施步骤如下：

(1)将镍基合金粉末与钴基合金粉末进行称重在80℃的真空干燥箱中干燥两小时；

(2)将灰铸铁表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；

(3)在灰铸铁表面上涂覆激光淬火用黑化涂料，而后进行激光淬火处理，其中激光淬火采用工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率250mm/min，光斑直径5mm，所形成的淬火层深0.3mm，淬火层均匀无缺陷、无裂纹；

(4)待激光淬火处理结束后，在已形成的激光淬火层上激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1700W，扫描速率250mm/min，送粉速率3g/min，光斑直径3mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量7l/h，所形成的镍基合金打底层厚度为0.3mm；

(5)激光熔覆镍基合金打底层处理后，在已形成的镍基合金打底层上激光熔覆镍基合金耐磨耐冲击层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率280mm/min，送粉速率6g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量6l/h，所形成的钴基合金耐磨耐冲击层厚度为0.8mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与灰铸铁表面结合良好，无缺陷产生，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与灰铸铁铸铁表面结合良好，无缺陷产生，耐磨耐冲击性测试结果与实施例1相似，耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。

实施例3

本实施例以球墨铸铁为基体，打底层材料为镍基合金粉末，化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.03％、Si:0.14％、Mn:0.46％、Cr:16.5％、Co:2.8％、Mo:16.5％、W:4.6％、Nb:0.37％、Fe:0.8％、Ni:余量；耐磨耐冲击层材料为铁基合金粉末化学成分(各元素质量百分比)为：C:0.34％、Si:4.3％、Cr:11.5％、B:2.6％、Fe:11.0％、Ni:余量；

具体实施步骤如下：

(1)将镍基合金粉末与铁基合金粉末进行称重后在90℃的真空干燥箱中干燥两小时；

(2)将球墨铸铁表面用砂纸打磨进行毛化处理，而后用丙酮清洗油污待用；

(3)在机械加工后的球墨铸铁表面上涂覆激光淬火用黑化涂料，而后进行激光淬火处理，其中激光淬火采用工艺参数为：激光功率1000W，扫描速率200mm/min，光斑直径4mm，所形成淬火层深0.2mm，淬火层均匀无缺陷、无裂纹；

(4)待激光淬火处理结束后，在已形成的激光淬火层上激光熔覆镍基合金打底层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1200W，扫描速率230mm/min，送粉速率2g/min，光斑直径2mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量5l/h，所形成的镍基合金打底层厚度为0.2mm；

(5)激光熔覆镍基合金打底层处理后，在已形成的镍基合金打底层上激光熔覆镍基合金耐磨耐冲击层，激光熔覆工艺参数为：激光功率1800W，扫描速率250mm/min，送粉速率8g/min，光斑直径4mm，保护气与载粉气均为氩气，其中保护气流量11l/h，所形成的铁基合金耐磨耐冲击层厚度为1.0mm，最后形成的激光熔覆涂层无气孔裂纹，与球墨铸铁表面结合良好，无缺陷产生，耐磨耐冲击性测试结果与实施例1相似，耐磨减磨与耐冲击性能显著提高。

如图2所示，耐磨复合涂层与蠕墨铸铁表面形成良好的冶金结合，结合部位基本无气孔、缺陷，涂层无裂纹。

如图3所示，耐磨复合涂层与灰口铸铁表面形成良好的冶金结合，结合部位基本无气孔、缺陷，涂层无裂纹。

如图4所示，耐磨复合涂层与球墨铸铁表面形成良好的冶金结合，结合部位基本无气孔、缺陷，涂层无裂纹。

如图5所示，实施例1中蠕墨铸铁在表面未处理、激光淬火处理以及激光熔覆处理的条件下平均磨损质量依次减小，磨损质量越小耐磨性能越好，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的耐磨耐冲击性。

如图6所示，实施例1中蠕墨铸铁在表面未处理、激光淬火处理以及激光熔覆处理的条件下平均摩擦系数依次减小，摩擦系数越小减磨效果越好，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的减磨性。

如图7所示，实施例1中蠕墨铸铁在激光淬火处理、表面未处理以及激光熔覆处理的条件下平均冲击功依次增大，并且冲击功越大则耐冲击性能越好，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的耐冲击性能。

如图8所示，实施例1中蠕墨铸铁激光熔覆制备的耐磨耐冲击涂层在常温下与500℃高温回火后耐磨层硬度基本无变化，激光淬火层硬度则显著下降，说明激光熔覆处理可以有效提高蠕墨铸铁表面的耐高温回火性能。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围，实验结果与实施例1接近。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。