耐磨件金属纤维增强复合制作工艺的制作方法
【专利摘要】一种耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，根据耐磨件基体的形状，激光束聚焦辐照在耐磨件基体表面上形成微型的熔池；合金粉末在氩气或氦气等惰性气体的吹动下注入熔池熔化；金属纤维在氩气或氦气等惰性气体的吹动下直接注入熔池，金属纤维的熔点远高于熔池温度，当激光束移开后，熔池中的液态金属迅速凝固、冷却，将金属纤维包裹其中，形成单道金属纤维增强复合材料覆层；调整激光头的位置，进行第二道金属纤维增强覆层的成形，前后两道覆层搭接；重复搭接，得到一定厚度及面积的强化层；在已成形的强化层上再堆积新的强化层，直到达到规定的高度，从而得到金属纤维增强的磨损件。
【专利说明】耐磨件金属纤维增强复合制作工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种耐磨件的制作，尤其是涉及一种适合耐磨件制造及表面强化中使用的金属纤维增强复合材料及其制作工艺。
【背景技术】
[0002]破碎机锤头、齿板、轧白壁、破碎壁，挖掘机铲齿，采煤机和掘进机截齿等磨料磨损件，一般属于中小零部件，不像发动机、车身、机架等体积尺寸较大的部件那样在设计及制造中容易引起重视。但是由于这些磨损件大都位于工作装置上，并直接接触工作介质，整机的性能及工作效率等要通过这些磨损件的工作来体现。因此，磨损件质量的好坏影响着整机的性能、寿命、工作效率和工程成本。与外观质量相比，上述磨料磨损件的产品质量更主要地取决于其制造材料和内部组织结构。外形、尺寸、型号、规格完全相同的产品，材料、组织等内在质量不同，使用寿命可以相差几倍、十几倍。
[0003]上述磨损件的制造材料最早广泛使用Mnl3系奥氏体高锰钢。高锰钢韧性好，但耐磨性不足，尤其是在冲击负荷和接触应力不大的情况下，高锰钢不能充分显示其加工硬化的优越性，铸件的使用寿命很低。随后发展起来的镍硬铸铁因为价格较高，未能广泛得以应用。高铬铸铁是高锰钢、镍硬铸铁之后公认的第三代抗磨材料，其硬度高，但不耐冲击，容易开裂，影响耐磨件的使用安全。因此，必须研究新型的耐磨、耐冲击的高性能材料，以提高磨损件的使用寿命。
[0004]目前公开有关磨损件表面增强的方法，如专利号为CN201010017158.1的一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置，该专利中公开在磨损件表面通过激光加热熔化磨损件表面形成熔池，在熔池内送入金属粉末和金属丝，而送入熔池内的金属粉末和金属丝均熔化在熔池内，这样对磨损件表面很难起到良好的防开裂和增韧作用。而申请号为CN201010616580.9的一种激光表面熔覆工艺熔覆层裂纹控制方法，该方法中采用处理好的直径在0.2 mm~0.3 mm网丝紧敷在`金属表面，然后采用熔覆加工将网丝熔覆在金属表面内，网丝起到吸收裂纹扩展的作用，但该方法中的金属丝网受其直径影响所限，是难以实现织网的，成本极高；而该网丝直径相比金属纤维来说又属于较大直径的；在熔覆加工中，因网丝直径较大，由于冷却收缩后网丝与金属之间产生的空隙较大，导致内部结构无法致密，在网丝与金属间极易产生微型间隙，易产生松动和开裂，因此防裂效果并不理想；另外，该方法的网丝只能在熔覆网丝所在的网丝平面层上起到一定强化效果，也就是说强化作用仅能作用于网丝所存在的那一平面层上，并且网丝的厚度又很小，这样，工件整体的立体强度无法得到加强，易导致金属表面很容易破坏；此外，申请号为CN201010616580.9的文献所记载的方法理论上得出的材料性能是不均匀的，材料属于“各向异性材料”，即材料在各个方向上性能不一样，影响应用。
【发明内容】
[0005]本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种金属纤维增强复合制作工艺，该工艺操作简单，不但具备全方位的高硬度、高耐磨性，还将具有高韧性，可大大提高耐磨件的使用寿命。
[0006]本发明解决其技术问题采用的技术方案:这种耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，制作工艺如下步骤:
(1)将耐磨件基体安装在数控机床上，根据耐磨件基体的形状，通过数控编程确定激光头的运行轨迹； (2)采用CO2高能激光束按照特定工艺参数在耐磨件基体表面进行扫描辐照，激光束聚焦辐照在耐磨件基体表面上形成微型的熔池；
(3)合金粉末在氩气或氦气等惰性气体的吹动下，沿着同轴送粉喷嘴的内部流道运动，在喷嘴下部呈倒置圆锥形喷出，合金粉末在空气中飞行一极短时间后汇聚注入熔池熔化；
(4)金属纤维在氩气或氦气等惰性气体的吹动下，进入与熔池水平面成45度夹角的侧向喷嘴，侧向喷嘴下部对准熔池，金属纤维从侧向喷嘴喷出后，直接注入熔池，金属纤维的熔点远高于熔池温度，当激光束移开后，熔池中的液态金属迅速凝固、冷却，将金属纤维包裹其中，形成单道金属纤维增强复合材料覆层；
(5)调整激光头的位置，紧挨着步骤(4)已成形的单道金属纤维增强复合材料覆层，进行第二道金属纤维增强覆层的成形，前后两道覆层搭接；
(6)重复步骤(5)，实现大面积搭接，得到一定厚度及面积的强化层；
(7)—层强化层堆积完后，激光头上升一个强化层厚度的距离，重复步骤(1)到(6)的过程，在已成形的强化层上再堆积新的强化层，直到达到规定的高度，从而得到金属纤维增强的磨损件。
[0007]激光束经聚焦后，辐照到耐磨件基体上，形成表面微型熔池。合金粉末在载气流的吹动下，从同轴送粉喷嘴下部喷出，注入熔池熔化；同时金属纤维在载气流的吹动下，从侧向喷嘴下部喷出，注入熔池。因为金属纤维的熔点远高于合金粉的熔点，通过控制激光功率密度和扫描速度，可使熔池温度介于耐磨件基体(如高铬铸铁合金一般1550摄氏度左右)和金属纤维熔点(如钥纤维熔点2610摄氏度)之间，因而金属纤维不发生熔化，当激光束移开后，熔池中的液态金属迅速凝固、冷却，将金属纤维包裹其中，形成金属纤维增强复合材料。通过控制激光束的运行轨迹，并调整送粉机构，可以在磨损件表面得到不同形状的强化层；通过单道熔覆、多道搭接、多层堆积，最终可得到金属纤维增强的耐磨件，其性能大大提升。
[0008]金属纤维的尺寸(如钥纤维，直径大约1.5um，长度150微米)，金属纤维很细，并且长度大约是直径的100倍，金属纤维比较容易输送，可在载气的输送下直接注入熔池，而实现均匀分布，由于金属纤维很细，进入金属内后与金属紧密接触，结合后的内部结构致密，不易产生间隙。在金属纤维加入耐磨件后，阻碍晶界、位错的运动，增加材料强度、硬度和耐磨性；其次，弥散分布的金属纤维还起到类似蜘蛛网的效应，局部受到的冲击力经金属纤维的传导向周围扩散，因此，不会发生局部受力超过材料的强度而开裂，从而提高材料的抗冲击能力，即增加材料的韧性；此外，将金属纤维注入熔池后，金属纤维起到激冷作用，使耐磨件基体金属的过冷度增大，促进非均匀形核，使晶体形核率大大增加；冷却速度增大，阻止晶粒长大，使晶粒大大细化，晶粒细化后材料的强度、硬度、耐磨性和塑性、韧性都得到提升。
[0009]合金粉末中合金元素的质量百分比为:C 2.5%~4.5%、Cr 23%~30%、Si 0.5%~1.5%、Mn 0.5%~2%、B 0.5~1%。合金粉中含Cr和C量高，可形成大量碳化物，从而增加耐磨性。
[0010]金属纤维为钥丝、钛纤维、钨纤维及高熔点不锈钢纤维中的一种，平均直径1.平均长度150Mm。
[0011]激光功率为2.0 X IO3~8.0 X IO3W,激光束半径为5~15_，送粉速度为5~15g/min，激光扫描速度为0.2~0.8m/min，搭接系数为35%~45%。
[0012] 其中耐磨件基体为破碎机锤头、齿板、轧白壁、破碎壁或挖掘机铲齿。
[0013]本发明有益的效果是:本发明耐磨材料及其制备工艺，既可以进行磨损件的表面强化，也可以对磨损件进行修复，甚至直接制造金属纤维强化零件，强化金属内部结构，不仅限于金属表面或一个平面上。金属纤维加入后，一方面阻碍晶界、位错的运动，增加材料强度、硬度、耐磨性；另一方面弥散分布的金属纤维还起到类似蜘蛛网的效应，即具部受到的冲击力经金属纤维的传导向周围扩散，因此，不会发生局部受力超过材料的强度而开裂，从而提高材料的抗冲击能力，即增加耐磨件基体的韧性。通过本工艺制备而成的材料均匀，各向同性，各个方向性能一致，应用效果非常好。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明金属纤维增强复合材料制作示意图；
附图标记说明:工作台1，锤头2，金属纤维增强复合材料覆层3，侧向喷嘴4，激光头5，合金粉末入口 6，同轴送粉喷嘴7，激光束8。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明作进一步说明:
参照附图:以破碎机锤头为例，其形状如图1所示。这种耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，制作工艺如下步骤:
(1)在工作台I上，用卡盘、夹具将锤头2固定，并使之可随卡盘转动。根据锤头2表面的形状，通过数控编程确定激光头的运行轨迹；
(2)调整激光头与锤头2表面的距离，使激光束8正好聚焦到锤头2的表面上，采用CO2高能激光束按照(I)中确定的激光头运行轨迹在耐磨件基体表面进行扫描辐照，在锤头2表面形成圆形熔池；
(3)合金粉末在IS气或氦气等惰性气体的吹动下,从粉末载气入口6进入同轴送粉喷嘴7，沿着同轴送粉喷嘴7的内部流道运动，在喷嘴下部呈倒置圆锥形喷出，合金粉末在空气中飞行一极短时间后汇聚注入熔池熔化。合金粉末中合金元素的质量百分比为:C
2.5 ~4.5%、Cr 23 ~30%、Si 0.5 ~1.5%、Mn 0.5 ~2%、B 0.5~1% ；
(4)平均直径1.5微米，平均长度150微米的金属钥纤维在氩气或氦气等惰性气体的吹动下，进入与熔池水平面成45度夹角的侧向喷嘴4，侧向喷嘴通过支架固定在同轴送粉喷嘴上，其下部对准熔池，金属纤维从侧向喷嘴4喷出后，直接注入熔池，金属纤维的熔点远高于熔池温度，当激光束移开后，熔池中的液态金属迅速凝固、冷却，将金属纤维包裹在其中，形成单道金属纤维增强复合材料覆层3 ；
(5)调整激光头5的位置，紧挨着步骤(4)已成形的单道金属纤维增强复合材料覆层3，进行第二道金属纤维增强覆层的成形，前后两道覆层搭接，搭接率为35~45% ；
(6)重复步骤(5)，实现大面积搭接，得到一定厚度及面积的强化层；
(7)—层强化层堆积完后，激光头上升一个强化层厚度的距离，重复步骤(1)到(6)的过程，在已成形的强化层上再堆积新的强化层，直到达到规定的高度，从而得到金属纤维增强的磨损件。
[0016]激光功率为2.0 X IO3~8.0 X IO3W,激光束半径为5~15mm，送粉速度为5~15g/min，激光扫描速度为0.2^0.8m/min，搭接系数为35%~45%。耐磨件基体为破碎机锤头、齿板、轧臼壁、破碎壁或挖掘机铲齿。
[0017]金属增强复合材料的性能参数对比如下(对比组一采用合金粉末和金属丝熔覆在 耐磨件表面形成高铬铸铁；对比组二采用金属网丝熔覆在金属表面形成；实施例一采用本
发明的加工方法，以钥纤维增韧高铬铸铁材料):
【权利要求】
1.一种耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，其特征是:所述制作工艺如下步骤: (1)将耐磨件基体安装在数控机床上，根据耐磨件基体的形状，通过数控编程确定激光头的运行轨迹； (2)采用CO2高能激光束按照(I)中确定激光头的运行轨迹在耐磨件基体表面进行扫描辐照，激光束聚焦辐照在耐磨件基体表面上形成微型的熔池； (3)合金粉末在氩气或氦气等惰性气体的吹动下，沿着同轴送粉喷嘴的内部流道运动，在喷嘴下部呈倒置圆锥形喷出，合金粉末在空气中飞行一极短时间后汇聚注入熔池熔化； (4)金属纤维在氩气或氦气等惰性气体的吹动下，进入与熔池水平面呈45度夹角的侧向喷嘴，侧向喷嘴下部对准熔池，金属纤维从侧向喷嘴喷出后，直接注入熔池，金属纤维的熔点远高于熔池温度，当激光束移开后，熔池中的液态金属迅速凝固、冷却，将金属纤维包裹在其中，形成单道金属纤维增强复合材料覆层； (5)调整激光头的位置，紧挨着步骤(4)已成形的单道金属纤维增强复合材料覆层，进行第二道金属纤维增强覆层的成形，前后两道覆层搭接； (6)重复步骤(5)，实现大面积搭接，得到一定厚度及面积的强化层； (7)—层强化层堆积完后，激光头上升一个强化层厚度的距离，重复步骤(1)到(6)的过程，在已成形的强化层上再堆积新的强化层，直到达到规定的高度，从而得到金属纤维增强的磨损件。
2.如权利要求1所述的金属纤维增强复合材料制作工艺，其特征是:所述合金粉末中合金元素的质量百分比为:C 2.5~4.5%、Cr 23~30%、Si 0.5~L 5%、Mn 0.5~2%、B0.5~1%。
3.如权利要求1所述的耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，其特征是:所述金属纤维为钥丝、钛纤维、钨纤维及高熔点不锈钢纤维中的一种，平均直径1.5Mm，平均长度150Mm。
4.如权利要求1所述的耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，其特征是:所述激光功率为2.0X IO3~8.0X IO3W,激光束半径为5~15mm，送粉速度为5~15g/min，扫描速度为0.2~0.8m/min，搭接率为35~45%。
5.如权利要求1所述的耐磨件金属纤维增强复合制作工艺，其特征是:所述耐磨件基体为破碎机锤头、齿板、轧白壁、破碎壁，挖掘机铲齿，采煤机和掘进机截齿。
【文档编号】C23C24/10GK103572279SQ201310483545
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】张伟 申请人:浙江机电职业技术学院