42CrMo齿圈的激光熔覆方法以及42CrMo齿圈与流程

本发明涉及激光熔覆
技术领域：
，具体而言，本发明涉及42crmo齿圈的激光熔覆方法以及42crmo齿圈。
背景技术：
：激光熔覆是一种金属材料表面改性技术，其工作原理是将熔覆材料添加到基材表面，利用大功率、高密度激光束对熔覆材料和基材表面进行加热，使其发生冶金熔合，并同时快速冷凝，形成性能优良的熔覆层。相比于传统金属材料表面改性技术，激光熔覆主要有熔覆层性能好、结合强度高、几何形态好、便于自动化控制等优点，被广泛运用于航空航天、军事、汽车等工业领域。42crmo钢多用于履带车的主动齿轮圈的制造。因其工作环境恶劣、受力情况复杂，使得主动轮齿圈齿面磨损严重，导致履带跳动增大，从而降低了车辆传动效率和行驶稳定性，同时还恶化了诸如履带销耳胶、负重轮橡胶等其他行动系统零部件的服役状况，从而增加了整车全寿命维护的费用。相比于传统的齿面中频感应淬火的热处理工艺，激光熔覆更能显著地提高齿面的硬度和耐磨性。但是齿圈的激光熔覆工艺流程并不完善，还存在诸多问题，有待进一步改善。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技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出42crmo齿圈的激光熔覆方法以及42crmo齿圈，本发明既保证了齿圈表面熔覆层质量，避免了因熔覆粉末体系及工艺参数不佳而导致的熔覆层质量差(例如熔覆层内部出现裂纹和大量气孔等)的问题，且避免了齿圈的浪费，节约了成本，又确保了齿圈尺寸的精确性，避免了因多次机加工而带来的装夹误差，缩短了制造周期，节约了时间成本。在本发明的一个方面，本发明提出了一种42crmo齿圈的激光熔覆方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)对42crmo平板进行模拟试验，以便确定合适的激光熔覆材料及工艺参数；(2)在齿圈的齿根处铣出凹槽，以备进行激光熔覆，在所述齿圈的其他部位预留一定的加工余量，以备熔覆后进行精加工；(3)对所述齿圈进行装夹和定位；(4)采用所述模拟试验得到的所述激光熔覆材料及工艺参数进行激光熔覆，以便得到熔覆层；(5)按照齿圈工件的尺寸要求，去除所述熔覆层表面的多余部分以及步骤(2)留出的所述加工余量，以便得到齿圈工件。根据本发明上述实施例的42crmo齿圈的激光熔覆方法，先进行平板模拟试验，由此确定合适的激光熔覆粉末体系及工艺参数，以备获得性能优异的熔覆层，后续针对相同材质的齿圈时可直接进行齿圈激光熔覆，由此保证了齿圈表面熔覆层质量，避免了因熔覆粉末体系及工艺参数不佳而导致的熔覆层质量差(例如熔覆层内部出现裂纹和大量气孔等)的问题，且避免了齿圈的浪费，节约了成本。在激光熔覆前对大型齿圈进行第一次机加工，在最容易磨损的轮齿两侧处铣出凹槽，以备进行激光熔覆，其余地方留有充分的加工余量，以备熔覆完成后再进行机加工时，可一次性完成精密加工和定尺寸，由此确保了齿圈尺寸的精确性，避免了因多次机加工而带来的装夹误差，缩短了制造周期，节约了时间成本。另外，根据本发明上述实施例所述的42crmo齿圈的激光熔覆方法还可以具有如下附加的技术特征：在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述模拟试验的具体过程如下：(1-1)选取多种可用于42crmo齿圈的激光熔覆的材料；(1-2)以激光功率、熔覆速度、光斑半径和送粉量为激光熔覆工艺参数，分别对每种所述激光熔覆的材料进行四因素的正交试验，分别进行激光熔覆；(1-3)对所述正交试验所得的每个熔覆层横截面进行金相分析，选取无孔洞和裂纹的熔覆层对应的工艺参数和材料，作为后续齿圈的熔覆材料和工艺参数。在本发明的一些实施例中，在步骤(1-3)中，选取的熔覆材料为t15钢粉末。在本发明的一些实施例中，在步骤(1-3)中，选取的工艺参数为：激光功率为2000w，熔覆速度为7mm/s，光斑半径为1.2mm，送粉量为12g/min。在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述凹槽沿齿圈径向方向的厚度d1为3～5mm。在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述加工余量沿齿圈径向方向的厚度d2为0.4～0.6mm。在本发明的一些实施例中，在对所述齿圈进行装夹和定位之前还包括：对所述齿圈的凹槽处进行预处理，以备在所述凹槽处进行激光熔覆，包括如下步骤：采用电磨或砂纸对所述凹槽处进行打磨，以便去除所述凹槽处表面的铁锈及氧化物；采用有机溶剂对所述凹槽处进行清洗，以便去除所述凹槽处表面的油污杂质；对所述凹槽周边进行局部预热处理，以便避免后续熔覆层开裂。在本发明的一些实施例中，所述有机溶剂选自无水乙醇、甲醇和丙酮中的至少之一。在本发明的一些实施例中，在去除所述熔覆层表面的多余部分以及步骤(2)留出的所述加工余量之前，还包括：采用液体渗透检测法对步骤(4)熔覆后的所述齿圈表面进行探伤处理，如果所述熔覆层表面无裂纹，则进行后续步骤，否则不能进行后续步骤。在本发明的另一方面，本发明提出了一种42crmo齿圈，根据本发明的实施例，所述42crmo齿圈是采用以上实施例所述的激光熔覆方法处理得到的。由此，该42crmo齿圈的熔覆层的质量较好，熔覆层内部不会出现裂纹和大量气孔等现象，同时，该42crmo齿圈的尺寸的精确性较高。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本发明实施例的42crmo齿圈的激光熔覆方法流程图。图2是根据本发明实施例的对齿圈机加工的尺寸示意图。图3是本发明实施例1的齿圈毛坯的结构示意图。图4是本发明实施例1的齿圈的熔覆层表面无裂纹的示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。发明人发现，齿圈的激光熔覆工艺流程存在诸多问题，其问题主要包括以下两点：一是熔覆层的质量较差，熔覆层内部出现裂纹和大量气孔等，并且齿圈体积过大，成本较高，不能多次反复进行试验。二是齿圈的尺寸精度问题，齿圈在熔覆前后均需要机加工，会有装夹误差。针对缺点一，本发明在首次面对大型齿圈时设计了平面全模拟试验，由此确定合适的激光熔覆粉末体系及工艺参数，以备获得性能优异的熔覆层，后续针对相同材质的齿圈时可直接进行齿圈激光熔覆，由此，极大程度上避免了因熔覆粉末体系及工艺参数不佳而导致的熔覆层质量差(例如熔覆层内部出现裂纹和大量气孔等)的问题，且避免了齿圈的浪费，节约了成本。针对缺点二，本发明设计了不同要求的两次机加工，在激光熔覆前对大型齿圈进行第一次机加工，在最容易磨损的轮齿两侧处铣出凹槽，以备进行激光熔覆，其余地方留有充分的加工余量，以备在熔覆完成后再进行机加工时，可一次性完成精密加工和定尺寸，从而确保了齿圈尺寸的精确性，同时又避免因多次机加工而带来的装夹误差，缩短了制造周期，节约了时间成本。有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种42crmo齿圈的激光熔覆方法，参考附图1，所述方法包括如下步骤：s100：对42crmo平板进行模拟试验在该步骤中，对42crmo平板进行模拟试验，以便确定合适的激光熔覆材料及工艺参数，以备获得性能优异的熔覆层，后续针对相同材质的齿圈时可直接进行齿圈激光熔覆，由此，极大程度上避免了因熔覆粉末体系及工艺参数不佳而导致的熔覆层质量差(例如熔覆层内部出现裂纹和大量气孔等)的问题，且避免了齿圈的浪费，节约了成本。根据本发明的一个具体实施例，所述模拟试验的具体过程如下：s101：选取多种可用于42crmo齿圈的激光熔覆的材料，例如可以选取t15钢粉末、401钢粉末、103钢粉末三种粉末，t15钢粉末的成分如表1所示，401钢粉末的成分如表2所示，103钢粉末的成分如表3所示。表1表2元素feccrmoni其他wt.％bal.0.14～0.1617.5～18.50.45～0.552.45～2.55＜7表3s102：以激光功率、熔覆速度、光斑半径和送粉量为激光熔覆工艺参数，分别对每种所述激光熔覆的材料进行四因素的正交试验，分别进行激光熔覆；s103：对所述正交试验所得的每个熔覆层横截面进行金相分析，选取熔覆层组织细密、无孔洞和裂纹的熔覆层对应的工艺参数和材料，作为后续齿圈的熔覆材料和工艺参数。根据本发明的再一个具体实施例，最终选取的熔覆材料为t15钢粉末，t15钢粉末的硬度和耐磨性方面较优，更加能提高齿圈表质量。根据本发明的又一个具体实施例，最终选取的工艺参数为：激光功率为2000w，熔覆速度为7mm/s，光斑半径为1.2mm，送粉量为12g/min，由此，该参数组合获得的熔覆层几何形状合适，组织致密，且生产效率较高。s200：在齿圈的齿根处铣出凹槽，以备进行激光熔覆，在所述齿圈的其他部位预留一定的加工余量，以备熔覆后进行精加工在该步骤中，在齿圈的齿根处铣出凹槽，以备进行激光熔覆，在所述齿圈的其他部位预留一定的加工余量，以备熔覆后进行精加工，该过程为第一次机加工。发明人经过对以往磨损严重的齿圈分析发现，齿圈齿的两侧磨损最严重，是最应该进行强化的地方。因此，对铸造后的齿圈毛坯进行机加工，齿根处铣出凹槽，以备进行激光熔覆。特别注意，在其余齿圈周边留有一定的加工余量，以备在熔覆完成后再进行机加工时，可一次性完成精密加工和定尺寸，从而确保了齿圈尺寸的精确性，同时又避免因多次机加工而带来的装夹误差，缩短了制造周期，节约了时间成本。根据本发明的又一个具体实施例，参考附图2，所述凹槽沿齿圈径向方向的厚度d1为3～5mm。发明人发现，如果厚度d1小于3mm，会造成熔覆层过薄，容易在后期使用时完全被磨损掉，起不到保护齿圈的作用，如果厚度d1大于5mm，会造成熔覆层体积过大，浪费材料，生产效率低，生产成本高；由此，将凹槽沿齿圈径向方向的厚度d1限定在上述范围内，既能很好地起到保护齿圈的作用，又能避免熔覆层体积过大导致浪费材料的问题。根据本发明的又一个具体实施例，参考附图2，所述加工余量沿齿圈径向方向的厚度d2为0.4～0.6mm。发明人发现，如果厚度d2小于0.4mm，会造成加工余量的厚度过薄，万一存在表面孔洞等缺陷，无法通过机加工来去除，如果厚度d2大于0.6mm，会造成加工余量的厚度过厚，需要多次机加工，浪费时间，成本增加，总之加工余量只留机加工一次的厚度就行；由此将加工余量沿齿圈径向方向的厚度d2限定在上述范围内，刚好够机加工一次的厚度，既能通过机加工来有效去除表面孔洞等缺陷，又能避免厚度过大需要多次机加工的问题。s300：对所述齿圈进行装夹和定位在该步骤中，将齿圈装到专用的齿圈夹具上固定，并调整熔覆面与激光头的相对位置，以达到较高的熔覆效率和熔覆质量。s400：采用所述模拟试验得到的所述激光熔覆材料及工艺参数进行激光熔覆在该步骤中，采用kuka机器人控制激光头运动，选用平板模拟试验得到的熔覆材料和工艺参数对42crmo齿圈进行激光熔覆，以便得到熔覆层。其中，激光熔覆方式为同轴送粉。s500：按照齿圈工件的尺寸要求，去除所述熔覆层表面的多余部分以及步骤(2)留出的所述加工余量在该步骤中，按照齿圈工件的尺寸要求，去除所述熔覆层表面的多余部分以及步骤(2)留出的所述加工余量，以便得到齿圈工件，该过程为第二次机加工。若熔覆层无质量问题，对齿轮齿圈进行最后的机加工处理，包括铣削和人工磨抛。按照齿圈尺寸要求，一次性去除熔覆层表面多余部分、留出的加工余量以及探伤检测中遗留的渗透液和显像剂，获得最终的齿圈工件。根据本发明的又一个具体实施例，在对所述齿圈进行装夹和定位之前还包括：s250：对所述齿圈的凹槽处进行预处理，以备在所述凹槽处进行激光熔覆在该步骤中，对所述齿圈的凹槽处进行预处理，以备在所述凹槽处进行激光熔覆，由此，避免因凹槽处的杂质影响激光熔覆的质量。该步骤又包括如下步骤：采用电磨或砂纸对所述凹槽处进行打磨，以便去除所述凹槽处表面的铁锈及氧化物；采用有机溶剂对所述凹槽处进行清洗，以便去除所述凹槽处表面的油污杂质；对所述凹槽周边进行局部预热处理，以便避免后续熔覆层开裂。在本发明的实施例中，所述有机溶剂的具体种类并不受特别限制，本领域人员可根据实际情况随意选择，作为一种优选的方案，所述有机溶剂选自无水乙醇、甲醇和丙酮中的至少之一。根据本发明的又一个具体实施例，在去除所述熔覆层表面的多余部分以及步骤s200留出的所述加工余量之前，还包括：s450：采用液体渗透检测法对步骤s400熔覆后的所述齿圈表面进行探伤处理在该步骤中，采用液体渗透检测法对步骤s400熔覆后的所述齿圈表面进行探伤处理，如果所述熔覆层表面无裂纹，则进行后续步骤，否则不能进行后续步骤，由此保证熔覆后齿轮齿圈表面无明显缺陷，熔覆质量较高。在本发明的另一个方面，本发明提出了一种42crmo齿圈，根据本发明的实施例，所述42crmo齿圈是采用以上实施例所述的激光熔覆方法处理得到的。由此，该42crmo齿圈的熔覆层的质量较好，熔覆层内部不会出现裂纹和大量气孔等现象，同时，该42crmo齿圈的尺寸的精确性较高。下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。实施例1本实施例是对最大半径为676.6mm，厚度为30mm的齿圈进行激光熔覆。发明人发现，齿根两侧为最容易磨损的地方，为提高齿圈的使用寿命，需对该处进行激光熔覆，提高表面硬度和耐磨性。具体步骤如下：1.进行平板实验。本实施例采用t15、401、103三种粉末，以激光功率、熔覆速度、光斑半径、送粉量为主要工艺参数，对于每一种粉末，进行四因素四水平的正交试验。表4是对t15钢粉末进行四因素四水平的正交试验结果，采用同样的方法对401粉末和103粉末进行同样的正交试验，由于401粉末和103粉末的测试结果劣于t15粉末，因此在此不再列出401粉末和103粉末的正交试验结果。熔覆后，对熔覆层进行切割、打磨、抛光，用4wt.％硝酸酒精溶液进行腐蚀，用渗透探伤进行表面裂纹检测，用zeissgmbh37081型金相显微镜进行金相观察熔熔覆层几何形状，结果显示，最优的粉末为t15钢粉末，最优的激光熔覆工艺参数为10号所采用的参数组合：激光功率：2000w，熔覆速度：7mm/s，光斑半径：1.2mm，送粉量：12g/min。表4熔覆层的几何形状判断标准，主要看熔深大小：差：0～0.1mm，较差：0.1～0.2mm，较好：0.2～0.3mm，好：0.3～0.4mm。2.对齿圈毛坯进行第一次机加工。将齿圈毛坯径面一次性铣到所需尺寸，齿圈毛坯轴面先全部留有0.5mm的加工余量，再在齿根处铣出4.5mm深的凹槽，以备进行激光熔覆填充。详细尺寸如附图3所示，单位为mm。3.齿圈激光熔覆表面预处理。首先，用200目砂纸对熔覆凹槽进行打磨，去除其表面铁锈及氧化物。接着，使用无水乙醇进行清洗，去除油污杂质。最后，对凹槽周边进行局部预热处理至300℃，避免熔覆层开裂。4.齿圈装夹与定位。将齿圈装到专用的齿圈夹具上固定，并调整熔覆面与激光头的相对位置，以达到较高的熔覆效率和熔覆质量。5.激光熔覆。熔覆之前，对t15钢粉末进行干燥，在真空干燥箱中加热到100℃，保温10分钟，在箱内冷却到室温。根据熔覆的几何形状，用kuka机器人编程，控制激光头运动，选用干燥好的t15钢粉末和平板实验所得较优的工艺参数(即激光功率：2000w，熔覆速度：7mm/s，光斑半径：1.2mm，送粉量：12g/min)进行激光熔覆实验。6.熔覆层无损探伤。熔覆完成后，用角磨机打磨掉熔覆表面的氧化皮之类的杂质。采用液体渗透检测法对熔覆后的齿轮齿圈表面进行探伤处理，以保证熔覆后齿轮齿圈表面无明显缺陷，熔覆质量较高。7.齿圈二次机加工。经探伤检测后，若熔覆层表面无裂纹，如图4所示，对齿轮齿圈进行最后的机加工处理，包括铣削和人工磨抛。按照齿圈尺寸要求，一次性去除熔覆层表面多余部分、留出的0.5mm加工余量以及探伤检测中遗留的渗透液和显像剂，获得最终的齿圈工件。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页12