CN103233224B

CN103233224B - 一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法

Info

Publication number: CN103233224B
Application number: CN201310161230.1A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋业华; 乔虹; 雷永平; 刘洪喜
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN103233224A

Abstract

一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，其特征在于先用Fe-Cr-B粉和WC粉、镍包石墨粉、高碳铬铁粉以及钒铁粉混合均匀，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为80-82%，WC粉的加入质量分数为5.5-6.0%，镍包石墨粉的加入质量分数为1.0-1.2%，高碳铬铁粉的加入质量分数为8-10%，钒铁粉的加入质量分数为2.5-3.5%。利用光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率12-15 g/min，激光功率为2.0-2.5KW，扫描速度为4-6 mm/s，熔覆层数为4-6层。最后获得硬度高、耐磨性好、表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高铬耐磨合金激光熔覆层。

Description

一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法

技术领域

本发明公开了一种激光熔覆制备合金方法，特别涉及一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，属于表面技术领域。

背景技术

在冶金、矿山、水泥、火力发电等工业领域，耐磨材料消耗在整个能量消耗和经济成本中占有相当大的比例。2009 年中国工程院咨询研究报告显示，2006 年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金为9500 亿元，占国民生产总值GDP的4.5%。仅破碎设备及采掘机衬板、渣浆泵等损失，每年不少于200亿，其中，磨球不少于100 亿，衬板不少于40 亿，锤头不少于40 亿，衬板不少于30 亿。按照材料消耗重量讲，国内每年消耗金属耐磨材料约达400 万吨以上，其中磨球消耗近250 万吨，衬板消耗近50万吨。然而，材料的磨损一般仅发生在工件表面，若采用激光熔覆方法，对易磨损工件表面进行强化，则有望提高工件表面硬度，延长工件使用寿命。

目前，国内外对耐磨部件的表面激光处理已进行了研究，中国发明专利CN1081721公开了一种在金属表面激光熔覆耐磨层的方法。该工艺采用粒度为0.5-1.2mm（或500-1200μm)的烧结碳化钨颗粒作为硬质相，Fe基、Ni基或Co基自熔合金作为粘结相，利用大功率CO₂激光器作为热源，将粗颗粒碳化钨金属陶瓷层涂覆于金属表面，其中，碳化钨的重量百分比不小于50％。该工艺的特点是：碳化钨颗粒在涂层中分布均匀且基本无烧损，从而保持其原有高硬度和高耐磨性，激光熔覆粗颗粒碳化钨金属陶瓷层的方法可应用于磨粒磨损很高的工况，例如矿山、石油、农机的采掘工具等。中国发明专利CN102962447A还公开了一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法，所述碳化钛金属陶瓷粉末由碳化钛、氧化镧和镍60组成。所述方法为：将碳化钛金属陶瓷粉末放入球磨机中球磨15小时~20小时，将球磨后的粉末烘干；将烘干后的粉末和水玻璃混合成糊状粉末；将糊状粉末涂敷到试块的待熔覆表面上压平，让其自然风干；用脉冲激光机对试块上风干后的糊状粉末进行熔覆；将熔覆后的试块磨平，再对其熔覆表面进行抛光处理，然后用无水乙醇将其清洗干净；对试块做硬度测试和磨损测试。本发明得到的熔覆层具有耐高温能力强、耐磨性强、硬度高、组织致密均匀、厚度均匀、晶粒细化、气孔和裂纹少、表面质量好等优点。中国发明专利CN102965664A还公开了一种石墨烯增强镍基复合涂层材料及其激光熔覆工艺，属于材料表面改性技术领域。其特征是是以镍基自熔性合金为熔覆层基质材料，以体积百分比0.5-20%的石墨烯为增强相，利用激光熔覆技术在钢和合金基体上制备具有优异耐磨和减磨性能的复合涂层。本发明的优点是石墨烯含量变化范围大，涂层组织均匀致密，耐磨和减磨性能优异，与基体之间具有良好的冶金结合，可满足碳钢、合金钢构件在不同工况条件下对摩擦磨损性能要求，且涂层制备过程规模化和自动化程度高，可广泛应用于航空航天、机械、汽车和军工等领域。中国发明专利CN102978444A还公开了纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料与激光熔覆工艺。其特征是以Ni65.83-Cr15-B3.0-Si3.5-C0.7-Fe12镍基自熔性合金粉末为基质材料，以0.5-20vol.%的纳米碳包碳化钛为增强相，利用激光熔覆技术在钢和合金基体上制备纳米增强镍基复合涂层。该发明的优点是涂层组织均匀致密，韧性好，耐蚀性和耐磨性能优异，与基体之间具有良好的冶金结合，可满足碳钢、合金钢构件在不同工况条件下对摩擦磨损性能要求，且涂层制备过程规模化和自动化程度高，可广泛应用于航空航天、机械、汽车和军工等领域。中国发明专利CN101519704还公开了一种高炉风口表面激光熔覆钴基高温合金层的方法；其包括如下步骤：1) 高炉风口出风口表面预处理；2) 出风口表面喷涂预沉积打底合金；3) 高炉风口工件送入CO₂激光器前的预热处理，4) CO₂激光器采用逆向同步式或同轴式送粉方式，在经气体氩弧焊预沉积的高炉风口的出风口工作层多道次熔覆钴基合金粉末；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；5) 后续处理。该发明在不影响铜基体导热能力的前提下，涂层具有高硬度、耐磨损、耐高温氧化，与基体为牢固的冶金结合等性能特点，可显著延长高炉风口使用寿命，其制备成本低，可应用于报废高炉风口的局部修复等优点。中国发明专利CN101994114A还公开了一种热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层方法，其特点是：首先对限动芯棒的油污及锈层进行表面清理；然后选择钴基合金粉末，采用激光设备和自动送粉装置，在限动芯棒表面进行激光熔覆加工，使之形成0.2--2mm的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层；最后在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。该发明的激光熔覆合金涂层均匀、致密，具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。中国发明专利CN102021559A还公开了用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其组成包括有Cr、W、Co、Zr、Hf，其特点是还包括有Ni、Mn、Si、C，其中各组分的质量百分数为：C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；Co：余量。该发明通过激光熔覆的加工方式熔覆在失效的汽轮机末级叶片上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的钴基合金覆层，从而解决了汽轮机末级叶片修复的技术难题。中国发明专利201210164871.8还公开了一种轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料，包括过渡层材料和功能层材料；过渡层材料：C0.03-0.08%，Cu22-25%，Cr1.0-3.0%，Fe0.5-1.5%，Si1.5-2.5%，B0.6-1.6%，Ce0.2-0.6%，其余为Ni；功能层材料：C1.2-1.6%，Si1.0-1.5%，Cr28-32%，W8.0-10.0%，Ni3.0-4.5%，Fe2.0-3.0%，Hf0.2-0.6%，其余为Co。这种复合合金材料是通过激光熔覆的加工方式，在失效的H型钢轧机铸铁牌坊工作面上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的复合合金覆层。中国发明专利CN102465293A还公开了一种带有蛇皮纹模具的激光熔覆修复方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：把模具固定在工作台上，打磨模具磨损处表面的氧化层，并修整成规则的几何形状，用丙酮清洗待熔覆区域；根据熔覆的位置编写机床程序，设定工艺参数，启动激光器用熔覆材料进行熔覆；冷却后进行着色检查是否有裂纹缺陷，合格后将熔覆层磨平；在磨平的熔覆层表面重新生成蛇纹皮。该发明选用与模具材质相近的丝材作为熔覆材料，确保熔覆区与未熔覆区硬度分布均匀，且生成的蛇纹效果一样。激光熔覆后模具变形小，熔覆过程中没有飞溅，对其它区域的蛇皮纹没有影响，激光熔覆丝材填充受损区可以控制好熔覆层的厚度。延长了模具的使用寿命，降低了生产成本。

但是，上述激光熔覆技术存在熔覆层与基体材料结合强度低，熔覆层易出现裂纹以及熔覆层硬度低和耐磨性差等不足。本发明是采用光纤激光器，在Cr12MoV钢的基体材料上，激光熔覆高硬度的高铬耐磨合金，熔覆层无裂纹，与基体材料是良好的冶金结合，熔覆层组织细小，硬度高，具有良好的耐磨性和抗疲劳性能。

发明内容

本发明目的可以通过以下方法实现。

1、先用质量分数1.65%B, 15%Cr, 1.5%Si, 0.15%C, 余量Fe的Fe-Cr-B粉和WC粉、镍包石墨粉、高碳铬铁粉以及钒铁粉混合均匀，其中粉料的颗粒尺寸为100-120μm，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为80-82%，WC粉的加入质量分数为5.5-6.0%，镍包石墨粉的加入质量分数为1.0-1.2%，高碳铬铁粉的加入质量分数为8-10%，钒铁粉的加入质量分数为2.5-3.5%。

2、将上述混合均匀的粉料，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率12-15 g/min，激光功率为2.0-2.5KW，扫描速度为4-6 mm/s，熔覆层数为4-6层。最后获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高铬耐磨合金激光熔覆层。

如上所述高碳铬铁的化学组成质量分数%：60~65Cr，6.8~7.5C，≤3.0Si, ≤0.05S，≤0.06P，Fe余量。

如上所述钒铁的化学组成质量分数%：50.0-55V, ≤2.0Si, ≤2.5Al, ≤0.05S, ≤0.05P, ≤0.1C, Fe余量。

如上所述的镍包石墨粉中镍的质量分数为60%。

上述Fe-Cr-B粉具有流动性好，易获得无裂纹的激光熔覆层。在此基础上，加入镍包石墨粉、高碳铬铁粉以及钒铁粉，主要是为了得到耐磨硬质相Cr₇C₃和VC，以改善激光熔覆层的耐磨性。进一步加入质量分数5.5-6.0%的WC粉，可以提高激光熔覆层中的耐磨硬质相数量，对于改善激光熔覆层的耐磨性，具有明显的效果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明制备的高铬耐磨合金激光熔覆层，表面无裂纹、夹杂和气孔，且表面平整，与基体材料是良好的冶金结合。

（2）本发明制备高铬耐磨合金激光熔覆层具有硬度高，硬度均匀性好等特点，其室温硬度1020-1060HV，表面硬度差小于20HV，

（3）本发明制备高铬耐磨合金激光熔覆层，工艺简便、稳定性好。

（4）本发明制备的高铬耐磨合金激光熔覆层，贵重合金元素加入量少，制备成本低。

（5）本发明制备高铬耐磨合金激光熔覆层因耐磨硬质相数量多，在相同磨损条件下，其耐磨性比淬火加低温回火的Cr12MoV钢（其硬度为60-62HRC）提高5-6倍。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，具体工艺步骤如下：

1）先用质量分数1.65%B, 15%Cr, 1.5%Si, 0.15%C, 余量Fe的Fe-Cr-B粉和WC粉、镍的质量分数为60%的镍包石墨粉、质量分数60%Cr,7.5%C, 2.44%Si, 0.026%S, 0.038%P, 余量Fe的高碳铬铁粉以及质量分数55%V, 1.36%Si, 1.47%Al, 0.018%S, 0.030%P, 0.05%C, 余量Fe的钒铁粉混合均匀，其中粉料的颗粒尺寸为100-120μm，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为80.8%，WC粉的加入质量分数为5.5%，镍包石墨粉的加入质量分数为1.2%，高碳铬铁粉的加入质量分数为10%，钒铁粉的加入质量分数为2.5%。

2、将上述混合均匀的粉料，利用IPG YLR-6000光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率12 g/min，激光功率为2.5KW，扫描速度为4 mm/s，熔覆层数为6层。最后获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高铬耐磨合金激光熔覆层。其表面硬度为1035HV，表面硬度差为18HV。

实施例2：

一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，具体工艺步骤如下：

1）先用质量分数1.65%B, 15%Cr, 1.5%Si, 0.15%C, 余量Fe的Fe-Cr-B粉和WC粉、镍的质量分数为60%的镍包石墨粉、质量分数65%Cr,6.8%C, 2.16%Si, 0.028%S, 0.041%P, 余量Fe的高碳铬铁粉以及质量分数50.0%V, 1.52%Si, 2.04%Al, 0.018%S, 0.033%P, 0.06%C, 余量Fe的钒铁粉混合均匀，其中粉料的颗粒尺寸为100-120μm，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为81.5%，WC粉的加入质量分数为6.0%，镍包石墨粉的加入质量分数为1.0%，高碳铬铁粉的加入质量分数为8%，钒铁粉的加入质量分数为3.5%。

2、将上述混合均匀的粉料，利用IPG YLR-6000光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率15 g/min，激光功率为2.0KW，扫描速度为6 mm/s，熔覆层数为4层。最后获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高铬耐磨合金激光熔覆层。其表面硬度为1046 HV，表面硬度差为12 HV。

实施例3：

一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，具体工艺步骤如下：

1）先用质量分数1.65%B, 15%Cr, 1.5%Si, 0.15%C, 余量Fe的Fe-Cr-B粉和WC粉、镍的质量分数为60%的镍包石墨粉、质量分数63.4%Cr, 7.2%C, 2.09%Si, 0.032%S, 0.054%P, 余量Fe的高碳铬铁粉以及质量分数51.8%V, 1.46%Si, 2.30%Al, 0.026%S, 0.031%P,0.08%C, 余量Fe的钒铁粉混合均匀，其中粉料的颗粒尺寸为100-120μm，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为81.1%，WC粉的加入质量分数为5.8%，镍包石墨粉的加入质量分数为1.1%，高碳铬铁粉的加入质量分数为9%，钒铁粉的加入质量分数为3.0%。

2、将上述混合均匀的粉料，利用IPG YLR-6000光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率14 g/min，激光功率为2.3KW，扫描速度为5 mm/s，熔覆层数为5层。最后获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高铬耐磨合金激光熔覆层。其表面硬度为1037 HV，表面硬度差为16 HV。

本发明高铬耐磨合金激光熔覆层硬度高，硬度均匀性好，且与基体是良好的冶金结合。在MM-200型磨损试验机上的磨损试验表明，在相同磨损条件下，其耐磨性比淬火加低温回火的Cr12MoV钢（其硬度为60-62HRC）提高5-6倍。

Claims

1.一种激光熔覆制备高铬耐磨合金方法，其特征在于步骤如下：

①先用Fe-Cr-B粉和WC粉、镍包石墨粉、高碳铬铁粉以及钒铁粉混合均匀，其中粉料的颗粒尺寸为100-120μm，Fe-Cr-B粉的加入质量分数为80-82％，WC粉的加入质量分数为5.5-6.0％，镍包石墨粉的加入质量分数为1.0-1.2％，高碳铬铁粉的加入质量分数为8-10％，钒铁粉的加入质量分数为2.5-3.5％；

②将上述混合均匀的粉料，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在Cr12MoV钢的基体材料上进行激光熔覆，送粉速率12-15g/min，激光功率为2.0-2.5KW，扫描速度为4-6mm/s，熔覆层数为4-6层；

Fe-Cr-B粉的化学组成质量分数％：1.65B,15Cr,1.5Si,0.15C,余量Fe；

高碳铬铁的化学组成质量分数％：60～65Cr，6.8～7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量；

钒铁的化学组成质量分数％：50.0-55V,≤2.0Si,≤2.5Al,≤0.05S,≤0.05P,≤0.1C,Fe余量；

镍包石墨粉中镍的质量分数为60％。