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        激光增材技術在大功率推土機上的應用

        2020-05-13 04:19:28馮顯磊率秀清王忠王孟謝玲珍李中元
        金屬加工(熱加工) 2020年3期
        關鍵詞:推土機大功率增材

        馮顯磊,率秀清,王忠,王孟,謝玲珍,李中元

        山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

        激光增材技術為一種綠色環(huán)保技術,目前主要集中用在航空航天、汽車等領域[1],未來在工程機械行業(yè)領域具有較大推廣價值及應用前景。

        目前,電鍍工藝因環(huán)保問題,已被逐步淘汰。針對大功率推土機需要鍍鉻的工件面臨無廠家可加工的瓶頸問題。

        同時,大功率推土機作業(yè)環(huán)境極其惡劣,尤其是彈簧筒局部暴露在腐蝕環(huán)境中,同時承受較大摩擦及碰撞問題,鍍鉻層極易脫落,難以保證使用壽命,需要新的工藝替代。

        利用激光高功率密度束,在基體表面形成很薄的微熔層,同時以預置或同步方式添加特定成分的直熔合金粉,如鎳基、鈷基、鐵基合金等,使它們以熔融狀態(tài)均勻地鋪展在零件表面,與微熔基體層形成良好的冶金結合,并且兩者之間有很小的稀釋度,在隨后的快速冷卻過程中,在零件表面形成與基體不同的、具有預定特殊性能的熔覆層,可以獲得極高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫等特性[2]。

        1 大功率彈簧筒激光增材方案

        激光增材區(qū)域設計:根據(jù)產(chǎn)品工作狀態(tài)要求,如圖1粗實線部位為激光增材區(qū)域,尺寸φ400mm×400mm。

        激光增材設備采用西安光機所的6000kW激光器,光斑尺寸為5mm×30mm。

        彈簧筒加工流程設計:鑄造→正火→調(diào)質(zhì)→粗加工→激光增材→磨削加工→檢測→成品。

        設備采用全自動化,生產(chǎn)過程中彈簧筒繞軸心自動旋轉(zhuǎn),激光器同步送粉增材熔覆。

        2 激光增材參數(shù)設計

        增材合金粉末主要成分配比:wC=0.14%,wCr=16.9%,wNi=2.6%,wB=3.16%。粒度0.048~0.075mm(200~300目)。

        激光增材技術要求:表面硬度52~60HRC,增材硬化層設計要求:≥1.1mm。激光器工藝參數(shù)設置見表1。

        圖1 大功率推土機彈簧筒激光增材區(qū)域

        表1 激光器工藝參數(shù)設置

        3 激光增材樣件檢測與分析

        對激光增材的樣件進行檢測,圖2為表面硬度檢測,結果見表2。對激光增材層不同熔覆狀態(tài)層的硬度梯度檢測,如圖3所示,A面為搭接區(qū),B面為未搭接區(qū),兩個面的硬度梯度檢測結果分別如圖4、圖5所示。

        圖2 激光增材層表面硬度檢測

        由硬度梯度檢測結果來看,激光增材并磨削加工后,剖檢硬化層均在1.1mm以上,達到預定設計要求。

        對試驗樣件剖檢,激光增材層金相檢測如圖6、圖7所示,圖8為激光增材層與基體熔合區(qū)金相。

        激光增材層硬度梯度及金相組織檢測結果分析:在檢測A面試樣制樣時,宏觀A面表層增材層白亮與熱影響區(qū)有明顯的界限,熱影響區(qū)域與過渡區(qū)、基體有較明顯的色差。說明熔覆層與基材互溶性極小,熱影響區(qū)發(fā)生了明顯的組織變化。微觀金相分析:50倍下可見4區(qū)的明顯差別,增材區(qū)白亮厚度1.11mm;熱影響區(qū)1.5mm,過渡區(qū)1.5mm。500倍下熱影響區(qū)為條塊狀鐵素體+塊狀分布珠光體,未見魏氏組織。A面為激光增材搭接區(qū),由于前道激光增材層未來得及冷卻,已進行重疊增材,造成熱影響區(qū)吸收熱量過多,而冷卻又緩慢導致。從宏觀檢測來看與硬度梯度檢測完全吻合。

        表2 激光增材表面硬度檢測表

        圖3 激光增材層不同熔覆狀態(tài)層的硬度梯度檢測

        圖4 激光增材未搭接區(qū)(B面)硬度梯度

        圖5 激光增材搭接區(qū)(A面)硬度梯度

        圖6 激光增材層A面金相檢測

        圖7 激光增材層B面金相檢測

        圖8 激光增材層與基體熔合區(qū)

        在檢測B面試樣制樣時,宏觀B面表層涂覆層白亮,與淬硬區(qū)有明顯的界限,淬硬區(qū)域與熱影響區(qū)、過渡區(qū)色差不明顯,說明熔覆層與基材互溶性極小,淬硬區(qū)域到基體為逐步過渡。微觀金相分析:50倍下可見熔覆區(qū)白亮厚度0.94mm;淬硬區(qū)1.2mm,熱影響區(qū)0.57mm、過渡區(qū)0.91mm。100倍下硬化區(qū)可見羽毛狀貝氏體,貝氏體由粗大狀逐步轉(zhuǎn)向短羽毛狀。熱影響區(qū)主要是部分貝氏體+細化后未熔鐵素體+珠光體的混合組織。基體網(wǎng)狀鐵素體+索氏體6級以上。500倍下淬硬區(qū)為明顯的羽毛貝氏體。B面為激光熔覆區(qū),由于基體加熱迅速、冷卻適中,淬硬區(qū)形成大量貝氏體,其檢測結果和硬度梯度吻合。

        激光熔覆過程中存在疊加區(qū)域,從檢測結果及側剖面驗證了推測A、B兩面性。在軸向表現(xiàn)為基體的軟硬交替性,但熔覆層由于散熱較快,加上金屬粉末中添加了一定的硼元素等促進淬透性元素,快熱、快冷淬硬效果較好。即熔覆層硬度完全達到技術要求,在軸向不存在交替現(xiàn)象。A面由于熱影響區(qū)的存在,使其硬度梯度在該交界處發(fā)生了急劇降低情況,而且熱影響區(qū)的硬度低于基體硬度;B面由于淬硬區(qū)的存在,硬度緩慢下降、逐步過渡。激光增材層與基體熔合率≤5%。

        電鍍試樣鍍層厚度58μm,鍍層硬度為700HV,經(jīng)檢測附著力1級,磨損試驗0.024mg/次,鍍層孔隙率5.12%;激光增材試樣,增材層厚425μm,鍍層硬度700HV,經(jīng)檢測附著力0級,磨損量0.009mg/次,鍍層孔隙率1.09%。試驗結果表明,激光增材明顯優(yōu)于電鍍鍍鉻工藝。

        目前,該技術已批量在大功率推土機彈簧筒上成功應用,替代鍍鉻工藝,如圖9所示。

        圖9 彈簧筒激光增材批量生產(chǎn)產(chǎn)品

        4 結束語

        大功率推土機彈簧筒等產(chǎn)品采用激光增材替代鍍鉻+前期感應熱處理工藝,可提升大功率推土機彈簧筒的壽命3倍以上,提升了大功率推土機在國際工程機械行業(yè)中的競爭力。激光增材技術為綠色環(huán)保、低耗能、高密度的現(xiàn)代加工手段,目前在國內(nèi)高精端設備制造中起著舉足輕重的作用,解決了常規(guī)加工手段難以解決的技術難題。本次在大功率推土機上的成功應用,將為該技術向工程機械領域拓展起到示范作用。

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