激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面用合金粉末的制作方法

本发明属于铸铁工件损伤修复技术领域，涉及球墨铸铁轧辊表面损伤的修复，特别是涉及一种基于激光熔覆的球墨铸铁轧辊表面损伤修复用熔覆合金粉末材料。

背景技术：

球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，综合性能接近于钢。正是基于球墨铸铁的优异性能，其已经成功应用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，并迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。

球墨铸铁轧辊是将铁水用镁进行球化处理后，浇入衬砂冷型或冷型内制成的一种轧辊。由于进行了球化处理，铸铁内部的石墨碳由片状变为球状，消除了片状石墨引起的石墨尖端应力集中现象，使铸铁强度显著提高。球墨铸铁轧辊的强度与铸钢轧辊相近，而耐磨性却比铸钢轧辊高得多。

然而，在实际应用中，由于球墨铸铁轧辊的表面长期受到复杂载荷，使得球墨铸铁轧辊表面容易受到损伤，致使其失去功能。

目前一般采用手工电弧焊的方式对球墨铸铁轧辊表面损伤进行修复。哈工大早在1959年就用手工电渣焊焊补球墨铸铁件，针对不同裂缝、缩孔部分进行焊补，可以对不同的缺陷进行修复。但这种传统修复方式工艺复杂，焊接时需要先预热，同时，由于该方法的热输入量过大，对基材的热影响极大，修补层残余应力过大，修补层与基材界面处极易出现白口组织，导致界面出现裂纹，修补层极易开裂。另外，焊接时熔池中气泡在凝固时未能逸出而形成空穴，也容易导致焊接球墨铸铁表面出现脱落现象。

激光表面淬火修补方式是以激光束直接对工件进行淬火，较难控制激光功率大小，可能对球墨铸铁表面造成损坏。罗旦等(球墨铸铁qt600-3表面激光多道淬火工艺的研究[d].湖南大学,2013)采用半导体激光器对球墨铸铁qt600-3材料进行激光表面淬火，表面硬度值一般在49～60hrc，而且激光表面多道淬火后，硬化层显微组织中含有大量的针状马氏体组织，在一定程度上提高了球墨铸铁材料的表面硬度。但随着扫描间距的逐渐增大，在硬化层出现了不均匀的回火马氏体，且平均显微硬度呈现先升高后降低的趋势，硬度值不够稳定。由于球墨铸铁常在高温条件下使用，针状马氏体变成回火马氏体，其硬度会显著下降。

激光熔覆技术是一种在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而在金属工件表面获得具有硬度大、耐磨、耐腐蚀、耐高温等优异性能涂层的技术，适合于对材料的表面改性和修复。激光熔覆可以在低成本材料上制备高性能涂层，又不改变基材的基本性能。

与传统表面修复技术相比，激光熔覆的激光束能量极高，熔覆层为快速凝固组织，对基材的热影响较小；加之激光熔覆涂层与基材呈冶金结合，不仅界面结合较好，残余应力小，而且涂层厚度可控，表面光滑平整，组织均匀，己经在许多高价值零件如航空发动机涡轮叶片等的修复、再制造以及零件表面性能的提高等方面得到很好的应用。

近年来，也有研究者尝试利用激光熔覆修复球墨铸铁材料。cn103290405a公开的在球墨铸铁表面激光熔覆制取高速钢涂层的方法中，通过激光辐照作用使高速钢粉末熔化在球墨铸铁表面，凝固形成冶金结合的高速钢涂层，涂层具有高硬度、良好的热稳定性、淬透性、耐磨性、抗热疲劳性。然而在使用过程中发现，由于高速钢涂层的韧性较差，涂层容易脱落。cn106048606a公开了球墨铸铁表面tic/钴基合金复合涂层及其激光熔覆制备工艺和应用，利用激光熔覆制备了tic/钴基合金复合涂层，能显著提高零件的耐磨和减磨性能。但其在激光熔覆过程中需要采用电阻加热方式对球墨铸铁进行辅助加热，实施过程的工序复杂。

以上修复方法虽然采用硬度高的高速钢和陶瓷tic/钴基合金复合涂层，使球墨铸铁在硬度、热稳定性、耐磨性等方面性能有所提升，但是没有考虑到球墨铸铁在高温强烈摩擦下的韧性，导致球墨铸铁涂层容易脱落，不易进一步在工业应用中的使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面用合金粉末。以本发明所述合金粉末激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面，能显著提高球墨铸铁轧辊的耐磨性和韧性，特别是高温强烈磨损下的耐磨性能。

本发明所述的激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面用合金粉末按质量百分含量计，由15～25%ni粉、60～80%b4c粉末和5～10%石墨烯粉末混合组成。

组成所述合金粉末的各种粉末材料中，所述ni粉和b4c粉末的粒度优选为100～300目，石墨烯粉末的粒度优选为200～300目。

本发明所述的合金粉末是将所述各种粉末材料在球磨机中充分混合后得到的，所述混合时间应不少于2小时。

本发明所述的合金粉末中，所添加的ni粉起到了粘结剂的作用；而b4c是最硬的人造磨料，其硬度仅次于金刚石，具有耐高低温、耐磨力强、自润性好等特点，使用b4c可以提高球墨铸铁轧辊的表面硬度、耐高温性和耐磨性；石墨烯则具有很好的柔韧性，可以增加涂层表面的韧性。

使用本发明所述合金粉末进行激光熔覆以修复球墨铸铁轧辊表面的一种方法是：利用激光器的同轴载气送粉装置将所述合金粉末送到激光器所对准的轧辊待熔覆表面，同时激光器射出的激光束同步辐照于所述待熔覆表面，将合金粉末熔化形成熔滴；所述激光器在设定范围的球墨铸铁轧辊表面进行连续扫描，完成该设定范围球墨铸铁轧辊表面的连续熔覆形成熔覆涂层。

其中，所述同轴载气送粉装置的载气量优选为10～20ml/min。

本发明还可以采用另一种方法以所述合金粉末激光熔覆修复球墨铸铁轧辊表面：在所述合金粉末中加入无水乙醇并混合成糊状，用压力喷壶将混合好的糊状粉末均匀喷涂到球墨铸铁轧辊设定范围的待熔覆表面上，激光器对设定范围的球墨铸铁轧辊待熔覆表面进行连续扫描，将合金粉末熔化，完成该设定范围球墨铸铁轧辊表面的连续熔覆，以形成熔覆涂层。

其中，优选将糊状粉末喷涂在球墨铸铁轧辊表面形成厚度0.5～1mm的粉末涂层。

本发明所述修复方法中，优选设定所述激光器的激光功率为1700～1900w，扫描速度0.048～0.068mm/s。

采用本发明所述修复方法对球墨铸铁轧辊表面进行激光熔覆修复后，还需要检查确认球墨铸铁轧辊熔覆表面已经不存在裂纹，之后再进行机械加工处理，以去除熔覆表面外边突出的涂层。

本发明提供了一种适用于球墨铸铁轧辊表面激光熔覆涂层的合金粉末材料，将其用于球墨铸铁轧辊表面激光熔覆，并配合合适的激光熔覆工艺，能够得到基体仍然是针状贝氏体组织，无裂纹、耐磨性能优良的高硬度激光熔覆涂层。

本发明得到的激光熔覆涂层可以在不改变球墨铸铁基体组织性能的前提下，修复覆盖球墨铸铁轧辊表面裂纹，增强球墨铸铁轧辊的表面硬度、韧性和磨损性能，并减小球墨铸铁轧辊在高温强烈磨损工况下的磨损量。

附图说明

图1是实施例1待修复球墨铸铁轧辊的表面裂纹。

图2是实施例1球墨铸铁轧辊表面修复后的表面探伤图。

图3是高温磨损工况下实施例1球墨铸铁轧辊表面熔覆涂层与球墨铸铁轧辊基材的磨损损失量对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和效果能够更充分体现和更容易理解，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。所述实施例并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1。

采用德国ldf-4000-100半导体激光器对直径330mm的球墨铸铁轧辊表面裂纹进行修复。所述球墨铸铁轧辊的主要成分为nicrmo无限冷硬球铁，组织呈针状贝氏体，硬度值45～50hrc。轧辊表面裂纹如图1所示。

称取粒度200目的ni粉25g，200目的b4c粉末70g，300目的石墨烯5g，加入球磨机中混合2h，得到激光熔覆用合金粉末。

对球墨铸铁轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污，无水乙醇清洗、晾干后，将球墨铸铁轧辊放置在变位机上，设定变位机的旋转频率为150hz。

在上述激光熔覆用合金粉末中加入10ml无水乙醇，混合均匀成糊状，得到球墨铸铁激光熔覆用熔覆材料。

用压力喷壶将上述混合好的糊状球墨铸铁激光熔覆用熔覆材料均匀喷涂到球墨铸铁轧辊设定范围的待熔覆表面上，晾干后，形成厚度约为0.6mm的粉末涂层。

设定半导体激光器的激光功率1800w，光斑直径1.25mm，扫描速度0.064mm/s。将激光器的激光头对准待熔覆工件表面，将喷涂的合金粉末熔化，形成熔覆涂层；激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。

熔覆结束后，使熔覆处理后的球墨铸铁轧辊冷却至室温，检查是否有裂纹缺陷。检查熔覆表面无裂纹后，进行机械加工处理，去除外边突出的涂层。

用里氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的球墨铸铁轧辊三个不同熔覆层表面的硬度，分别为54hrc、58hrc、56hrc，平均值56hrc。与球墨铸铁基材45～50hrc的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。

在熔覆层表面喷yr-t清洗剂，对熔覆层表面进行彻底清洗并干燥后，施加yp-t渗透剂，并保留10～15分钟。用喷有yr-t清洗剂的擦拭布将熔覆层表面多余的渗透剂擦干净，将yd-t显像剂距熔覆层表面20～30cm处薄薄、均匀地喷洒在熔覆层表面，观察显色情况。如果熔覆层表面存在缺陷，缺陷部分将会以鲜亮的红色显示在白色的显像剂背景上。显色结果如图2，在图中未能看到鲜亮的红色，说明熔覆层无裂纹。

沿球墨铸铁轧辊直径，从修复好的球墨铸铁轧辊上切取相同大小的三个试样，使用mmw-1型高温摩擦磨损试验机，以cr12mov为摩擦副，在载荷100n、转速300r/min和300℃、500℃、700℃条件下进行高温磨损实验，磨损30min，计算磨损损失量。

球墨铸铁轧辊表面熔覆涂层与球墨铸铁轧辊基材的磨损损失量对比实验结果如图3所示。图中从左至右每组方框分别为在300℃、500℃和700℃磨损的实验数据，每组方框中左边的方框是球墨铸铁轧辊表面熔覆涂层的损失量，右边的方框是球墨铸铁基材的损失量。由图可见，在700℃条件下，磨损30min后，熔覆涂层磨损损失量约0.153g，修复涂层的主要磨损方式为磨粒磨损，涂层磨损损失量约为基材的20%。

实施例2。

采用德国ldf-4000-100半导体激光器对直径330mm的球墨铸铁轧辊表面裂纹进行修复。所述球墨铸铁轧辊的主要成分为nicrmo无限冷硬球铁，组织呈针状贝氏体，硬度值45～50hrc。

称取粒度100目的ni粉25g，100目的b4c粉末70g，200目的石墨烯5g，加入球磨机中混合2h，得到激光熔覆用合金粉末。

对球墨铸铁轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污，无水乙醇清洗、晾干后，将球墨铸铁轧辊放置在变位机上，设定变位机旋转频率为150hz。

设定半导体激光器的激光功率1800w，光斑直径1.25mm，扫描速度0.064mm/s。将激光器的激光头对准待熔覆工件表面，利用同轴载气送粉装置，以10ml/min的载气量向激光头对准的工件表面均匀送入所述激光熔覆用合金粉末。激光器射出激光束辐照于熔覆表面并熔化合金粉末形成熔滴。激光头在预设范围的工件表面按预定轨迹连续熔覆待熔覆工件表面形成熔覆涂层。

熔覆结束后，使熔覆处理后的球墨铸铁轧辊冷却至室温，用里氏便捷式硬度仪测量三个不同熔覆层表面的硬度，平均值54.7hrc。

在熔覆表面喷涂着色剂，检查熔覆表面没有裂纹缺陷。

实施例3。

采用德国ldf-4000-100半导体激光器对直径330mm的球墨铸铁轧辊表面裂纹进行修复。所述球墨铸铁轧辊的主要成分为nicrmo无限冷硬球铁，组织呈针状贝氏体，硬度值45～50hrc。

称取粒度200目的ni粉20g，200目的b4c粉末72g，300目的石墨烯8g，加入球磨机中混合2h，得到激光熔覆用合金粉末。

对球墨铸铁轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污，无水乙醇清洗、晾干后，将球墨铸铁轧辊放置在变位机上，设定变位机旋转频率为150hz。

在上述激光熔覆用合金粉末中加入10ml无水乙醇，混合均匀成糊状，得到球墨铸铁激光熔覆用熔覆材料。

用压力喷壶将上述混合好的糊状球墨铸铁激光熔覆用熔覆材料均匀喷涂到球墨铸铁轧辊设定范围的待熔覆表面上，晾干后，形成厚度约为0.8mm的粉末涂层。

设定半导体激光器的激光功率1700w，光斑直径1.25mm，扫描速度0.052mm/s。将激光器的激光头对准待熔覆工件表面，将喷涂的合金粉末熔化，形成熔覆涂层；激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。

熔覆结束后，使熔覆处理后的球墨铸铁轧辊冷却至室温，用里氏便捷式硬度仪测量三个不同熔覆层表面的硬度，平均值55.3hrc。

在熔覆表面喷涂着色剂，检查熔覆表面没有裂纹缺陷后，对熔覆涂层进行机械加工处理，去除损伤部位外表面凸层。