專利名稱：一種挖掘機斗齒的表面強化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工程機械部件的制造方法，特別是涉及一種使用激光熔覆技術對挖掘機斗齒進行表面強化處理的工藝方法，屬于激光熔覆技術領域。
背景技術：
挖掘機斗齒是挖掘機上的重要部件，也是易損件，是由齒座和齒尖組成的組合斗齒，二者靠銷軸連接。由于斗齒磨損失效部分是齒尖，只要更換具尖即可。斗齒在不同的工作條件下服役受到不同程度的磨損和沖擊而發(fā)生不同程度、不同形式的失效。常見的斗齒在正常工作條件下僅使用數(shù)天便失效，無論從經(jīng)濟角度還是從使用角度，都不合乎要求。一般表現(xiàn)為，斗齒前工作表面有較明顯的犁溝狀劃痕，尖部有少量的塑性變形，沒有裂紋，前工作面(與地面接觸的面)最薄。經(jīng)過分析認為斗齒工作面與被挖掘物相接觸，在一個完整的挖掘過程中不同的工作階段其受力情況不同。齒尖部位首先接觸物料表面時，由于速度較快，斗齒尖部分受到較強烈的沖擊。若斗齒的屈服強度低，將會在尖部產生塑性變形。隨著挖掘深度的加大，斗齒受力情況會有所改變。當斗齒切割物料時，斗齒與物料發(fā)生相對運動，在表面產生很大的正擠壓力，從而在斗齒工作面和物料之間產生較大的摩擦力。如果物料為較硬的巖石塊、混凝土等，摩擦力將是很大的。這個過程反復作用的結果在斗齒工作面產生不同程度的表面磨損，進而產生深度較大的犁溝。前工作面的正壓力明顯大于后工作面，前工作面磨損嚴重， 可以判斷出正壓力和摩擦力是斗齒失效的主要外部力學因素，在失效產生的過程中起主要作用。目前國內通常采用鑄造高錳鋼制造斗齒，比較常用的是ZGMnl3鋼。而ZGMnl3鋼經(jīng)過水韌處理后的組織為單一的奧氏體，具有較高的韌、塑性，硬度一般為180" 220HB范圍。在受到劇烈的沖擊載荷和嚴重摩擦力(壓應力)作用下，使受力表層發(fā)生塑性變形，造成加工硬化，使硬度提高，從而提高了耐磨性。但是水韌處理高錳鋼目前仍存在許多問題。若水韌處理后的ZGMnl3鋼的組織未達到單相奧氏體，則鑄件韌性較差。若出現(xiàn)單相奧氏體的晶粒粗大(晶粒度大于5級)，則鑄件的屈服強度顯著下降。出現(xiàn)此類問題的斗齒在使用過程中會出現(xiàn)磨損極度不均勻，甚至是掉塊的現(xiàn)象，嚴重影響使用壽命。而且由于水韌處理的高錳鋼需要一個逐漸的沖擊強化過程，使得斗齒經(jīng)常出現(xiàn)初期磨損過快的現(xiàn)象，從而限制其使用壽命的上限。另外，水韌處理的ZGMnl3高錳鋼在再次受熱超過250°C時可能會沿晶界析出碳化物，使材料的韌性大大下降，嚴重損害高錳鋼的性能。導致斗齒無法用傳統(tǒng)方式修復，熱處理和表面強化。以上存在的問題和缺陷都對斗齒的使用效果和使用壽命有著極大的影響。因此，選擇適當?shù)膶ν诰驒C斗齒進行表面強化處理的工藝方法，是所屬領域亟待解決的課題。激光熔覆技術是利用大功率激光束聚集能量極高的特點，瞬間將被加工件表面微熔，同時使零件表面預置或與激光束同步自動送置的合金粉完全熔化，獲得與基體結合的致密覆層，形成一種新型的復合材料或恢復工件原設計尺寸形態(tài)和表面涂層強化的性能。 激光熔覆層與基體為冶金結合，結合強度高、基體熱影響區(qū)極小，激光加工后熱變形極小。目前，關于利用激光熔覆工藝強化設備部件表面的專利和報道很多例如，公開號為CN101205598的中國發(fā)明專利申請給出的《一種沉沒輥軸套及其制造方法》，由不銹鋼基體1和鈷基激光熔覆層2兩部分組成，鈷基激光熔覆層2覆蓋在不銹鋼基體1之上，其制造方法，如下1.加工不銹鋼基體1 ；2.機械加工；3.激光熔覆，在不銹鋼基體1外圓上，先熔覆打底層，再熔覆功能層；激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率3000 5000W， 光斑直徑為2 5匪，掃描速度2 10MM/S ；4.機械加工至設計尺寸。公開號為CN 1932079的中國發(fā)明專利申請給出的《一種冶金熱軋輥表面激光納米陶瓷合金化工藝》，其特征在于它包括以下工藝過程(1)機加工軋輥去掉表面疲勞層，得到所需尺寸和形狀，然后對激光將要輻照處理的一面進行研磨，去油污和適當?shù)那逑矗?2) 用酚醛樹脂粘接劑將納米碳化物陶瓷涂料混合均勻，然后均勻地涂在預處理后的軋輥表面，預涂厚度為0.01 0. 05MM，然后風干；C3)選用高功率C02激光器對軋輥外表面預涂的納米陶瓷涂料層進行快速掃描；工藝參數(shù)如下激光功率P = 1000 10000W，掃描速度V =1. 5 20M/MIN，搭接率為15 ；35%，光斑直徑為D = 0. 6 5MM。公開號為CN101457378的中國發(fā)明專利申請給出的《一種激光成型電鍍鋅線導電輥及其制造方法》，包括基體，基體表面上覆蓋有激光熔覆層，激光熔覆層的厚度為3 10MM，激光熔覆層與基體為冶金結合，所述的激光熔覆層為鎳基合金粉末層或鈷基合金粉末層或鎳基合金粉末層與鈷基合金粉末層的結合體。其的制造方法工序如下A.制作導電輥基體；B.激光熔覆中間過渡層先用橫流連續(xù)C02激光器在導電輥基體上熔覆一層鎳基合金或鈷基合金粉末打底，作為中間過渡層；經(jīng)機械加工去除表面激光熔覆氧化皮后，再用橫流連接C02激光器在中間過渡層上熔覆耐磨性和耐蝕性能較好的鎳基合金或鈷基合金粉末作為表面功能層。公開號為CN101204757的中國發(fā)明專利申請給出的《一種薄壁圓筒件的激光熔覆工藝》，其工藝參數(shù)是熔池尺寸直徑為2 5匪、掃描速度是15 40MM/S，功率2000 5000W ；按螺旋線進行熔覆；其特征在于每條螺旋線的始點按圓周分區(qū)交替進行，區(qū)域順序保持盡量大的夾角。這樣，熔覆過程中加熱時間極短，熱量輸入分布相對分散，而冷卻時間長，因此零件的變形較小。現(xiàn)有技術給出的上述技術方案雖能利用激光熔覆工藝對部分設備部件表面進行強化處理，取得一定的技術效果。但對其他特定的設備部件，例如像挖掘機斗齒這樣的特定結構，現(xiàn)有激光熔覆工藝所提供的工藝參數(shù)已明顯不能適應。經(jīng)本申請人檢索查證采用激光熔覆工藝對挖掘機斗齒表面進行強化處理，國內尚無先例，國外也沒有見到相關報道。因此，尋找出適當?shù)募す馊鄹布夹g對挖掘機斗齒表面進行強化處理的工藝參數(shù)，仍需所屬領域的技術人員進一步作出創(chuàng)造性的研究工作。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，通過反復研究實驗，提出了一種新的挖掘機斗齒的表面強化方法。該方法利用激光熔覆將一種耐磨性能極好，且有不錯的韌性的碳化鎢合金粉末在斗齒上熔覆冶金結合的致密涂層。該涂層的耐磨性能遠高于高錳鋼，且可以為高錳鋼基體提供預沖擊的保護，使其接受沖擊強化的同時又沒有磨損。由此可以極大的提升斗齒的使用壽命。本發(fā)明給出的技術方案是這種挖掘機斗齒的表面強化方法，其特點是工藝步驟如下(1)挖掘機斗齒的表面去除表面氧化層和油污異物；(2)將挖掘機斗齒放在由同步送粉器、六軸五聯(lián)動加工機床以及C02橫流氣體激光發(fā)生器組成的C02橫流氣體激光加工系統(tǒng)中進行激光熔覆，將一種耐磨性能極好，且有不錯的韌性的碳化鎢合金粉末在斗齒上熔覆冶金結合的致密涂層，其中熔覆過程的工藝參數(shù)為功率1000 4000W，光斑直徑1 5mm，置粉厚度0. 5 4mm，掃描速度3 25mm/ s，搭接率20% 80%，碳化鎢合金粉末的化學組成為C 0. 1-4Ν :12-35Fe :0. 5_8Si :1_4B :0. 5-2W 余本發(fā)明使用激光對挖掘機斗齒進行表面強化處理的專業(yè)設備為現(xiàn)有的由同步送粉器、六軸五聯(lián)動加工機床以及C02橫流氣體激光發(fā)生器組成的C02橫流氣體激光加工系統(tǒng)，其中六軸五聯(lián)動加工機床為沈陽大陸設備制造有限公司制造，型號為DL-HL-T5000。該系統(tǒng)使用六軸五聯(lián)動加工機床通過編制程序可以實現(xiàn)對斗齒較復雜型面的任意空間位置和軌跡的激光輻照，同步送粉器可以保證在任何位置均能將粉末用氣體吹送的方式送至光斑熔池之內。本發(fā)明提供的碳化鎢合金粉末，系通過以不同比例的碳化鎢和一種合金粉末混合，得到的一種全新的耐磨性能極好，且有較好韌性的碳化鎢合金粉末。本發(fā)明使用激光對挖掘機斗齒進行表面強化處理的工藝方法，可以在不影響原基材性能的情況下，在斗齒上熔覆了具有極好耐磨性能的碳化鎢合金涂層，并為基材提供預沖擊強化，使斗齒的使用壽命極大的提高。本發(fā)明使用激光熔覆的工藝特點如下熱影響區(qū)激光熔覆的熱影響區(qū)一般為0. 1 0. 2mm ；傳統(tǒng)工藝(如氬弧焊)的熱影響區(qū)一般大于1mm。應力激光熔覆的應力一般情況下為IOMpa 50Mpa之間，不會造成斗齒內部的熱引力積累；而傳統(tǒng)工藝，如氬弧焊接的應力約在是200Mpa 450Mpa之間，會造成大量的熱應力在斗齒內部積累，從而為使用埋下隱患。加工溫度激光熔覆過程中工件的溫度一般可以保持在60°C左右，不會對斗齒基材的組織造成影響；傳統(tǒng)工藝在加工過程中工件的溫度可達300°C以上，嚴重影響斗齒的使用性能。結合處金相組織激光熔覆基體與熔覆層結合處均為奧氏體組織，且熔鑄層及其界面組織致密，無晶粒長大現(xiàn)象；傳統(tǒng)工藝，如氬弧焊的焊材與基體結合處組織成份復雜， 會出現(xiàn)馬氏體、屈氏體等有害組織，且晶粒粗大。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是熱影響區(qū)小(一般為0. 1 0. 2mm)、熱源小(熱源直徑只有1 5mm)、能量密度高(可達到103 105J/mm2，是傳統(tǒng)熱加工方式的 5 10倍)、應力小(一般情況下為IOMpa IOOMpa之間)、熱輻射面積小。
具體實施例方式實施例1某型號挖掘機用斗齒，其材質為ZGMnl3，采用40%碳化鎢混合合金粉末，該合金粉末的化學組成為C :2Ni :32Fe :3Si :1. 5B :1W 余激光熔覆過程中的工藝參數(shù)為激光熔覆功率2000W ；光斑直徑3mm ；置粉厚度1. 2mm ；掃描速度18mm/s，搭接率50% ；熔覆層厚度1. 0mm。具體工藝步驟如下1、入廠檢測及表面清理(去除表面氧化層和油污異物)；2、對斗齒表面形狀進行測繪，根據(jù)測繪的數(shù)據(jù)制圖并進行數(shù)控編程；3、選定工藝參數(shù)，對斗齒進行熔覆；4、檢測熔覆層硬度、厚度及熔覆后斗齒的型面尺寸是否合格；5、包裝、出廠。實施例2某型號挖掘機用斗齒，其材質為ZG33MnH，采用70%碳化鎢混合合金粉末，該合金粉末的化學組成為C :3Ni :20Fe :2Si :2B :0. 5ff 余激光熔覆過程中的工藝參數(shù)為激光熔覆功率3000W ；光斑直徑4mm ；置粉厚度2. 3mm ；掃描速度15mm/s，搭接率30% ；熔覆層厚度2. 0mm。具體工藝步驟如下1、入廠檢測及表面清理(去除表面氧化層和油污異物)；2、對斗齒表面形狀進行測繪，根據(jù)測繪的數(shù)據(jù)制圖并進行數(shù)控編程；3、選定工藝參數(shù)，對斗齒進行熔覆；4、檢測熔覆層硬度、厚度及熔覆后斗齒的型面尺寸是否合格；5、包裝、出廠。
權利要求
1.一種挖掘機斗齒的表面強化方法，其特征在于有以下工藝步驟(1)挖掘機斗齒的表面去除表面氧化層和油污異物；(2)將挖掘機斗齒放在由同步送粉器、六軸五聯(lián)動加工機床以及CO2橫流氣體激光發(fā)生器組成的(X)2橫流氣體激光加工系統(tǒng)中進行激光熔覆，將一種耐磨性能極好，且有不錯的韌性的碳化鎢合金粉末在斗齒上熔覆冶金結合的致密涂層，其中熔覆過程的工藝參數(shù)為功率1000 4000W，光斑直徑1 5mm，置粉厚度0. 5 4_，掃描速度3 25mm/s， 搭接率20% 80% ；碳化鎢合金粉末的化學組成以質量百分數(shù)計為 C 0. 1-4, Ni :12-35, Fe :0. 5-8、Si :1_4、B :0. 5_2、W 余量。
2.根據(jù)權利要求1所述的挖掘機斗齒的表面強化方法，其特征在于較好的碳化鎢合金粉末的化學組成以質量百分數(shù)計為C :2Ni :32Fe :3Si :1. 5B :lff :余量。
3.根據(jù)權利要求1所述的挖掘機斗齒的表面強化方法，其特征在于較好的碳化鎢合金粉末的化學組成以質量百分數(shù)計為C :3Ni :20Fe :2Si :2B :0. 5ff :余量。
全文摘要
一種挖掘機斗齒的表面強化方法，其特點是工藝步驟如下(1)挖掘機斗齒的表面去除表面氧化層和油污異物；(2)將挖掘機斗齒放在由同步送粉器、六軸五聯(lián)動加工機床以及CO2橫流氣體激光發(fā)生器組成的CO2橫流氣體激光加工系統(tǒng)中進行激光熔覆，將一種耐磨性能極好，且有不錯的韌性的碳化鎢合金粉末在斗齒上熔覆冶金結合的致密涂層。本發(fā)明在不影響斗齒基體性能的前提下，在斗齒表面熔覆涂層，該涂層的耐磨性能遠高于斗齒基體，不僅為斗齒延長了使用壽命，而且通過涂層為基體提供預沖擊強化，同時又不損傷基體。
文檔編號C22C29/08GK102453911SQ20101052847
公開日2012年5月16日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權日2010年11月2日
發(fā)明者姜涵之, 張靜波 申請人:沈陽大陸激光技術有限公司