一种提高高碳钢构件表面质量与性能的激光表面强化方法与流程

本发明涉及激光表面加工制造领域，具体涉及一种提高高碳钢构件表面质量与性能的激光表面强化方法。

背景技术：

高碳钢因价格便宜，具有较高的强度和硬度，在工模具等工业生产领域有十分广泛的应用。然而服役过程中高碳钢构件表面易产生裂纹、磨损等表面损伤，由于构件含碳量高，淬硬倾向大，焊补后热影响区内易形成马氏体组织，导致焊后构件的塑性和韧性大大下降。传统电弧焊补修复由于热源尺寸较大，存在焊接过程中母材过多熔化于焊缝之中影响焊缝质量，并使得构件热影响区范围较大，且需进行预热缓冷热处理防止裂纹形成等问题。因此，探究新型高碳钢构件激光表面熔覆工艺及材料，提高高碳钢构件表面质量；并对已形成的构件表面损伤进行快速、精确修复获得熔覆区质量优异、热影响区小的高碳钢构件尤为重要。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本发明提出一种提高高碳钢构件表面质量与性能的激光表面强化方法，提供了一种工艺简单、切实可行的表面强化及修复方法，延长了高碳钢构件的寿命、降低了成本。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种提高高碳钢构件表面质量与性能的激光表面强化方法，包括以下步骤：

在高碳钢构件整体铺设一层1cr13v不锈钢粉末，并对粉末进行压实处理；

对高碳钢构件整体进行预热处理，待预热处理结束后，采用激光熔覆工艺熔化预铺粉末，得到一层沉积层；

重复上述步骤，直至达到预设高度要求。

另外，根据本发明上述提高高碳钢构件表面质量与性能的激光表面强化方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，还包括以下步骤:

在铺设1cr13v不锈钢粉末之前对高碳钢构件整体进行预处理；

在完成高碳钢构件的表面处理之后对高碳钢构件进行后处理。

根据本发明的一个实施例，所述预处理包括以下步骤：

去除所述高碳钢构件整体的杂质并进行清洗。

根据本发明的一个实施例，所述预处理包括以下步骤：

针对高碳钢构件表面损伤进行损伤评估，确定待熔覆区域位置及大小，然后开设待熔覆凹槽以去除表面损伤，随后去除待熔覆凹槽内的杂质。

根据本发明的一个实施例，所述预处理之后还包括以下步骤：

对高碳钢构件的待熔覆凹槽进行坡口加工以去除表面损伤，随后去除待熔覆凹槽内的杂质，以形成高碳钢构件整体。

根据本发明的一个实施例，所述坡口角度在30-45°。

根据本发明的一个实施例，所述后处理包括以下步骤：

将高碳钢构件缓慢冷至室温，并对高碳钢构件的熔覆区域进行探伤。

根据本发明的一个实施例，所述1cr13v不锈钢粉末由1cr13不锈钢粉末经淬火、低温回火热处理制备得到。

根据本发明的一个实施例，所述激光熔覆工艺的激光功率以及扫描速度为2500-3000w，1000-1200mm/min。

根据本发明的一个实施例，所述激光熔覆工艺的多道扫描搭接率为30％-50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、1cr13v不锈钢粉末碳含量较低，并添加微量v元素合金化，较低的碳含量保证了其优异的激光熔覆成形性能，由于1cr13v不锈钢粉末对碳元素具有一定的固溶能力，可以有效防止高碳钢构件的碳元素溶入后碳化物的形成导致熔覆区开裂；v元素的加入可形成少量碳化物防止晶粒粗化，降低过热倾向，并起到二次硬化的作用，有利于形成性能优异的高碳钢构件表面熔覆层；

2、以激光代替传统电弧热源，利用激光熔化的方法可以有效减小熔覆过程中的热输入，减小热影响区范围降低开裂倾向。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例1中高碳钢构件表面强化示意图；

图2为本发明实施例2中高碳钢构件表面修复示意图；

图3为本发明实施例2中修复后高碳钢构件界面处的组织形貌图1；

图4为本发明实施例2中修复后高碳钢构件界面处的组织形貌图2。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

激光表面熔覆(lasersurfacecladding)，是指以激光为热源，在待熔覆区域以不同的添料方式添加合适的熔覆材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成与基体材料呈冶金结合的熔覆层。按照材料的添加方式可分为预置粉末法和同步送粉法。激光熔覆工艺由于光斑尺寸小、能量集中，可实现极低稀释率、小热影响区表面强化层及熔覆区的制备。而影响激光熔覆区质量的主要因素为熔覆工艺和熔覆材料的选择，针对高碳钢构件高强度、高硬度性能需求，选择低碳马氏体型不锈钢粉末作为熔覆材料可在保证高强高硬性能的同时，有效防止裂纹形成，实现高碳钢构件的表面强化及在表面损伤区获得性能优异的熔覆区。

实施例1

本实施例提供了一种高碳钢构件进行表面处理的方法，值得一提的是，本实施例的表面处理指的是对高碳钢构件进行表面强化处理，包括如下步骤：

1.表面预处理

对高碳钢构件整体进行预处理，具体包括利用角磨机进行手工打磨去除表面的铁锈、氧化膜并清洗表面。

2.铺粉

如图1所示，在高碳钢构件整体铺设一层1cr13v不锈钢粉末，1cr13v不锈钢粉末是1cr13不锈钢粉末经淬火+低温(230℃-370℃)回火热处理制备得到的，1cr13不锈钢粉末为常用马氏体型不锈钢，价格便宜易获得，1cr13v不锈钢粉末的性能与高碳钢性能相当，抗拉强度高于1000mpa，布氏硬度可达360hbw，但其焊接性能较差，主要是过热倾向大和淬硬倾向大。

由表1可以看到，1cr13v不锈钢粉末进一步降低碳含量，并添加微量v元素合金化。较低的碳含量保证了其优异的激光熔覆成形性能，由于其为超低碳马氏体型不锈钢，对碳元素具有一定的固溶能力，可以有效防止高碳钢基体碳元素溶入后碳化物的形成导致熔覆区开裂；v元素的加入可形成少量碳化物防止晶粒粗化，降低过热倾向，并起到二次硬化的作用，有利于形成性能优异的高碳钢表面熔覆层。本发明中以激光代替传统电弧热源，采用预置粉末的方式利用激光熔化的方法可以有效减小熔覆过程中的热输入，减小热影响区范围降低开裂倾向。

表1添加材料化学成分(wt％)

3.压实

利用滚筒、压板对粉末层进行反复压实降低粉末内空隙，压实后利用刮板、毛刷等除去多余粉末，控制单层铺粉厚度在1.0mm左右。

4.激光熔覆

可利用火焰加热的方式对构件进行预热处理，主要针对待处理区域周围进行预热加热，预热结束后设置调整激光熔覆工艺参数，采用激光熔覆工艺熔融预铺粉末，得到一层沉积层。

值得一提的是，激光熔覆工艺参数主要需调控激光功率p(w)以及扫描速度v(mm/s)，激光熔覆工艺参数需保证：(1)熔覆区内粉末充分熔化防止气孔、未熔合等缺陷的产生；(2)较小的稀释率。激光熔覆过程中熔化的基材表层会对熔覆层产生一定的稀释作用，稀释率γ可由以下公式计算得到

γ＝s2/(s1+s2)×100％

其中，s2表示基材熔化区横截面积，mm²；s1表示熔覆区横截面积，mm²

稀释率过大，高碳钢内碳元素大量溶入熔覆区内导致碳含量上升，热裂倾向增大；但稀释率太小，形成不了良好的结合面，熔覆区结合强度低。针对高碳钢构件确定稀释率在10％左右可保证良好的界面结合强度，并保证熔覆区质量。引入线能量密度e＝p/v为综合参数，当线能量密度为150j/mm时，熔覆区致密度高，无孔洞等缺陷产生，熔覆区与界面结合强度高。因此可选择的激光功率-扫描速度参数为：3000w-1200mm/min，2800w-1100mm/min，2500w-1000mm/min等工艺参数，对于多道扫描搭接率选择30％-50％。完成一层熔覆后重复上述工艺，进行铺粉-压实-激光熔覆直至完成整个熔覆区的修复，达到预设高度要求。

5.熔覆后处理

将高碳钢构件快速转移至保温箱内让其缓冷至室温，防止构件开裂。

实施例2

本实施例提供了一种高碳钢构件进行表面处理的方法，值得一提的是，本实施例的表面处理指的是针对具有表面损伤如磨损、表面裂纹的高碳钢构件进行的表面修复，与实施例1相比，本实施例包括以下步骤：

1.表面预处理

针对高碳钢构件表面损伤如磨损、表面裂纹等首先进行损伤评估，确定待熔覆区域位置及大小后，利用机械加工的方式粗加工出待熔覆凹槽以去除表面损伤，随后利用角磨机对待熔覆加工凹槽进行打磨去除铁锈、氧化膜。

2.坡口加工

对高碳钢构件的待熔覆凹槽进行坡口加工以去除表面损伤，坡口加工需满足较小的基材稀释率以及良好的界面结合强度。如图2所示为高碳钢构件激光熔覆示意图，若假设激光熔覆过程中，当激光束与待熔覆区域成90°时单位面积所接受的激光能量为e，则在损伤边缘坡口处时，由于坡口的存在将使得此时单位面积能受到的激光辐照能量降低至损伤边缘激光面能量密度将随着坡口角度的减小而减小。当激光面能量密度降低至一定值后由于输入能量的降低将导致边缘界面结合强度降低，甚至产生孔洞、裂纹等缺陷。但是，随着坡口角度的增加，待熔覆区域增大，热输入增加由此又将导致热影响区范围增大，并使成本升高。因此，为保证良好的界面结合强度以及较小的热影响区，坡口角度可以为30-45°。确定好坡口角度后，由于加工深度较浅直接利用角磨机进行坡口打磨，打磨完毕后利用水、酒精溶液等清洗凹槽去除油污并及时用吹风机吹干，清洗后试样需及时进行激光熔覆处理，防止放置过久表面二次氧化。

3.铺粉

与实施例1中的铺粉步骤相同，在此不一一赘述。

4.压实

与实施例1中的压实步骤相同，在此不一一赘述。

5.激光熔覆

与实施例1中的激光熔覆步骤相同，在此不一一赘述。

图3、4为采用上述工艺激光熔覆修复后修复区界面处组织形貌图，可以看到熔覆区与高碳钢构件呈良好冶金结合，未形成孔洞、裂纹等缺陷。

5.熔覆后处理

本实施例的熔覆后处理除了包括实施例1中的熔覆后处理步骤之外，还包括以下步骤：

利用超声波无损探伤仪对熔覆区域进行表面及内部探伤，若探伤结果显示无裂纹、孔洞等缺陷后即可按照构件实际服役要求对构件表面进行机加工处理以满足实际需求，若探伤结果显示存在缺陷则需重新进行上述激光熔覆步骤并优化工艺参数以获得无缺陷高碳钢构件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。