混合激光熔覆组合物以及由其制成的部件的制作方法

本专利发明总体上涉及在混合激光熔覆工艺中使用的粉末状组合物，以及此类组合物的用途和制造机器部件的磨损表面的工艺。

背景技术：

在机械机器(诸如履带式牵引机、推土机或者具有连续履带的其它机器)中使用的许多零件和部件具有与机器的其它部件发生移动接触或静态接触的磨损表面或相对面表面。这样一种部件的实例为在连续履带的底盘中的履带密封系统，诸如密封唇和套管端面。这些部件的磨损表面受到结构载荷和机械载荷以及由于部件的相对运动所导致的摩擦。因为这些力的缘故，部件通常由硬质坚固材料(诸如合金钢和其它金属)制成。对于在干燥气候中运行的底盘而言，通常已知的生产履带密封系统的方法是足够的。然而，在其它环境中，用于密封系统的已知处理具有相对弱的耐腐蚀性，这导致了相对面表面的磨损加速。这会减少履带密封系统的寿命。

上述顾虑已经促使设计者针对部件提出各种复合涂覆层。从授予Jiang等人的美国专利第7,776,451号已知一种复合涂覆层。Jiang的'451专利包括一种在基底上形成复合涂覆化合物的方法，该方法包括形成混合物，该混合物包括来自第一组组分材料的至少一种组分，所述第一组组分材料包括钛、铬、钨、钒、铌和钼。混合物还包括来自包括碳和硼的第二组组分材料的至少一种组分以及来自包括硅、镍和锰的第三组组分材料的至少一种组分。然后，将所选组分材料的混合物施加到基底材料上以形成涂覆化合物。将该涂覆化合物熔合到基底上以在基底材料与涂覆化合物之间形成冶金结合。

技术实现要素：

在本发明的一方面，提供了一种用于通过混合激光熔覆工艺对钢合金部件进行表面处理的包芯线。包芯线可包括中空金属护套和芯粉末组合物。芯粉末组合物按重量百分比测量可包括约0.8％至约1.2％的碳(C)、约1％至约1.4％的锰(Mn)、约0.8％至约1％的硅(Si)、约22％至约30％的铬(Cr)、约0.5％至约2％的钛(Ti)、约0.5％至约2％的钒(V)、约0.8％至约1.2％的硼(B)、0％至约0.04％的磷(P)以及0％至约0.03％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

在另一方面，本发明提供了一种具有相对面表面的部件，该部件具有基底和利用混合激光熔覆沉积在基底上的包芯线，其中包芯线包括中空金属护套和芯粉末组合物。芯粉末组合物按重量百分比计包括约0.8％至约1.2％的碳(C)、约1％至约1.4％的锰(Mn)、约0.8％至约1％的硅(Si)、约22％至约30％的铬(Cr)、约0.5％至约2％的钛(Ti)、约0.5％至约2％的钒(V)、约0.8％至约1.2％的硼(B)、0％至约0.04％的磷(P)以及0％至约0.03％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

在本发明的又一方面，描述了一种用于制造具有相对面表面的机器部件的方法。该方法包括利用混合激光熔覆将包芯线熔化到基底上，从而使得包芯线沉积在所述基底上并使得熔化的包芯线凝固并形成结合到基底上的固体层。其中包芯线包括中空金属护套和芯粉末组合物，芯粉末组合物按重量百分比计包括约0.8％至约1.2％的碳(C)、约1％至约1.4％的锰(Mn)、约0.8％至约1％的硅(Si)、约22％至约30％的铬(Cr)、约0.5％至约2％的钛(Ti)、约0.5％至约2％的钒(V)、约0.8％至约1.2％的硼(B)、0％至约0.04％的磷(P)以及0％至约0.03％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

附图说明

图1是包括底盘和履带组件的机器的图示；

图2描绘了该机器的底盘履带组件；以及

图3是用于使用包芯线来制造机器部件的磨损表面的激光熔覆工艺的示意图。

具体实施方式

本发明涉及通过激光熔覆工艺制造机器部件的材料、组合物和方法。机器(诸如履带式牵引机或挖掘机)包括易于磨损的连续履带组件。已开发出组合物来增加易于磨损的部件的硬度以及耐磨性。所公开的组合物可被施加到各种不同的部件，这些部件接收一层熔覆材料以提供具有耐磨性和耐腐蚀性的相对面表面。

参照附图的图1，示出了与本发明一致的一种包括具有履带组件14的底盘12的机器10，履带组件14具有连续履带16。虽然在图1中仅示出了单个履带组件14，但是将理解的是，第二履带组件14可以设置在机器10的与图1所示的一侧相对的一侧上。尽管机器10是示出为履带式牵引机，但是机器10可以为包括连续履带16的任何其它类型的机器。因此，如本文所使用的，术语“机器”是指执行传动操作的移动履带式机器，所述传动操作涉及与特定行业(诸如运土、建筑、采矿、林业和农业)相关的物理性移动。本发明可应用的机器的实例包括运土车辆、挖掘机、牵引机、推土机、装载机、反铲挖土机、农业设备、物料搬运设备、采矿机器以及在工作环境中运行的其它类型的机器。图1的机器10被示出来主要用于说明的目的，以便帮助公开本发明的特征，并且因此，图1没有描绘与机器10相关的所有部件。

底盘12支撑机器10并且可操作以使机器10沿着工作表面(诸如地面、道路以及其它类型的地形)移动。如图2所示，底盘12的履带组件14可包括连续履带16、履带滚轮架18以及与连续履带16接合并引导连续履带16的由履带滚轮架18支撑的各种引导部件。引导部件可包括一个或多个驱动链轮20、惰轮22、履带滚轮组件24以及履带引导件26，但是也可以使用其它部件。

为了进一步改进部件的强度，可对磨损表面进行增加磨损表面附近的材料的硬度的附加硬化工艺。这些硬化工艺尤其可包括混合激光熔覆。

混合激光工艺包括通过混合激光熔覆将金属粉末状组合物接合到金属基底。将金属粉末状组合物接合到金属基底通常需要将金属粉末状组合物和金属基底的表面一起熔化以形成熔化金属池并使该池冷却和凝固。结果是金属粉末状组合物牢固地贴附于金属基底上。

参照图3，示出了用于沉积相对面层的示例性混合激光熔覆工艺。混合激光熔覆系统300包括激光发生器312和加热元件306。混合激光熔覆系统300产生激光束310并引导激光束310照射在基底302上，在那里，激光束310的能量使基底302熔化或者保持或限制整个熔化池302a的温度梯度。在所示的实施例中，为了产生激光束310，激光熔覆设备300可包括激光发生器312，利用电源314向激光发生器312供应电力。激光发生器312可发射相干光束或激光束310。激光发生器312可使用任何适当的放大介质(例如基于气体的介质、基于晶体的介质或者基于二极管的介质)来运作，并且可产生用于熔覆工艺的任何适当波长的激光束310。此外，激光发生器312可产生适合用于激光熔覆工艺的任何水平的输出功率，例如一千瓦至几千瓦的量级。

在一个或多个实施例中，加热元件306为焊接型焊枪头。焊接型焊枪头可包括用于气体钨电弧焊、气体金属电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊和药芯焊丝电弧焊的焊枪头。利用焊接型焊枪头，包芯线308通过电弧熔化。激光310可限制整个熔化池302a的温度梯度。在一些实施例中，加热元件306可引导激光310。在其它实施例中，激光310可引导加热元件306。进一步地，在其它实施例中，焊接型焊枪头和激光发生器可合并为一个头。

使用混合激光熔覆工艺将包芯线施加到基底302的表面上。在一个实施例中，包芯线可包括中空金属护套和芯粉末组合物。芯粉末组合物按重量百分比测量可包括约0.8％至约1.2％的碳(C)、约1％至约1.4％的锰(Mn)、约0.8％至约1％的硅(Si)、约22％至约30％的铬(Cr)、约0.5％至约2％的钛(Ti)、约0.5％至约2％的钒(V)、约0.8％至约1.2％的硼(B)、0％至约0.04％的磷(P)以及0％至约0.03％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

在另一个实施例中，芯粉末组合物按重量百分比计可包括1％的碳(C)、1.2％的锰(Mn)、0.9％的硅(Si)、25％的铬(Cr)、1％的硼(B)、0.75％的钛(Ti)、0.75％的钒(V)、0.01％的磷(P)、0.01％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

芯粉末组合物可包括残余量的镍(Ni)、钼(Mo)、铜(Cu)和钙(Ca)。例如，残余量可包括0％至0.3％的镍(Ni)、0％至0.08％的钼(Mo)、0％至0.35％的铜(Cu)和0％至0.2％的钙(Ca)。

在一些实施例中，包芯线可通过混合激光熔覆进行施加以获得具有相对面表面的机器部件，所述相对面表面具有耐腐蚀性和耐磨损性。例如，机器部件可包括底盘履带密封系统、履带接头或者其它类型的密封件。

实例

在一个示例性实施例中，芯粉末组合物按重量百分比计可包括1％的碳(C)、1.2％的锰(Mn)、0.9％的硅(Si)、25％的铬(Cr)、1％的硼(B)、0.75％的钛(Ti)、0.75％的钒(V)、0.01％的磷(P)、0.01％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。中空护套可以为低碳钢。基底可以为低合金碳锰硼钢。可以使用混合激光熔覆将包芯线施加到基底。例如，可以将包芯线施加到履带密封系统中的部件(诸如密封唇或套管端面)。

在台架试验中，相对于典型零件来说，具有所施加的包芯线的基底在磨损深度上表现出两倍或三倍的提高，而磨损稍有改进。试验化合物还表现出了改进的耐腐蚀性。

工业实用性

通过前面的描述，将容易认识到在本发明中描述的组合物和方法的工业实用性。在使用中，制造具有相对面表面的机器部件的方法包括利用混合激光熔覆将包芯线308熔化到基底302上，从而使得包芯线308沉积在基底302上以及使得熔化的包芯线308凝固并形成结合到基底302上的固体层304。包芯线包括中空金属护套和芯粉末组合物，芯粉末组合物按重量百分比计包括约0.8％至约1.2％的碳(C)、约1％至约1.4％的锰(Mn)、约0.8％至约1％的硅(Si)、约22％至约30％的铬(Cr)、约0.5％至约2％的钛(Ti)、约0.5％至约2％的钒(V)、约0.8％至约1.2％的硼(B)、0％至约0.04％的磷(P)以及0％至约0.03％的硫(S)，芯粉末组合物的其余组分主要是铁。

以上描述的组合物和方法通常可应用于新型部件和使用过的部件。例如，新型部件可制造成包括一层熔覆材料。另外，已经使用的部件可再制造成包括一层熔覆材料。

将认识到的是，前面的描述提供了所公开的组合物和方法的实例。然而，可以预料到的是，本发明的其它实现方式可与前面的实例在细节上有所不同。对本发明或其实例的所有引用旨在提及关于那一点所讨论的特定实例并且并不旨在更一般地对本发明的范围进行任何限制。