CN110172693A

CN110172693A - 一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110172693A
Application number: CN201910402952.9A
Authority: CN
Inventors: 姚成武; 黄坚; 聂璞林
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-08-27

Abstract

本发明公开一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，涉及金属材料技术领域，为Fe‑C‑M‑j合金系材料，包括Fe、C、碳化物形成元素M、碳活度调控元素j，所述碳化物形成元素M为Cr、Mo、W、V、Ti和Nb，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B。本发明还公开晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法为激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊和快速凝固的铸造方法中的一种。本发明通过充分添加碳活度调控元素极大降低了铸态组织晶界碳化物偏析程度，从而获得枝晶间或晶界处主要为奥氏体韧化相的高硬度铁基耐磨材料。

Description

一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法。

背景技术

高硬度铁基耐磨材料是工程应用使用量最大的重要耐磨材料，然而与其它类型材料一样，铁基耐磨材料随着硬度的提高，其韧性将明显降低，强韧性难以兼顾尤为明显。目前国内外高硬度铁基耐磨材料主要有过共析、亚共晶、共晶或过共晶Fe-C-M 合金系材料，其中M为Cr、Mo、V等强碳化物形成元素，大多数采用激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊或离心铸造等方法制备。这些材料的铸态组织特征为晶内高碳马氏体和硬质增强相，晶界处析出网状、链状或颗粒状碳化物，晶界脆性高于晶内。由于晶内高碳马氏体韧性差，晶界碳化物脆性更大，造成铸态组织的高硬度铁基耐磨材料断裂韧性仍无法超越甚至远低于同类材料的锻件水平。

近年来，高硬度铁基耐磨材料强韧化方法主要集中于细化晶粒、复相组织、第二相颗粒、晶界强化等，但这些方法还不能有效突破具有铸态组织特征的高硬度铁基材料晶间或晶界脆性对提高其强韧性的限制，因而这些高硬度铁基耐磨合金材料韧性一直较低。

文献CN101381869A公开一种激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末，其熔覆层虽然具有一定塑韧性，但由于较低含碳量，涂层难以生成较多体积分数颗粒增强相而获得高硬度。文献CN101298119A公开一种激光熔敷合金焊粉，其本质类似于1Cr13 或2Cr13不锈钢类的焊接材料，其涂层碳含量较低而无法大量生成颗粒增强相，因而难以获得优异的涂层耐磨性能。文献CN109023355A公开一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法，等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，在铁基自熔合金粉末内混合添加Cr₃C₂、Ti和Y₂O₃粉末，这些颗粒增强相体积分数高而大幅度提高了涂层硬度，但这种涂层的晶界相主要为共晶碳化物，难以获得高韧性。文献 CN108374115A公开一种基于(V、Ti)C颗粒增强的铁基复合耐磨钢及其制造方法，碳含量高达2.0～3.0％，尽管耐磨性显著提高，但同样涂层枝晶间或晶界处碳化物偏析严重而造成材料韧性差。文献CN104674213A公开一种VC-TiC-VB强化铁基复合涂层及其制备方法，大量的VC、TiC、VB硬质相增强涂层基体，但也存在同样的问题，即这些硬质相在枝晶间或晶界处数量更多而降低了涂层韧性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，通过充分添加碳活度调控元素极大降低铸态组织晶界碳化物偏析程度，从而获得枝晶间或晶界处主要为奥氏体韧化相的高硬度铁基耐磨材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可调控枝晶间或晶界处奥氏体韧化相含量的高硬度铁基耐磨合金材料成分配方，以应用于类似冷轧辊、冲压模具等高载荷摩擦磨损应用场合的机械零件整体制造、表面强化或修复。

为实现上述目的，本发明提供了一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，为Fe-C-M-j合金系材料，包括Fe、C、碳化物形成元素M、碳活度调控元素j，所述碳化物形成元素M为Cr、Mo、W、V、Ti和Nb，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、 Al和B。

进一步地，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B中的三种以上。

进一步地，所述Fe-C-M-j合金系材料中各组分的重量百分比含量依次为：0.50％～ 2.00％的C，2.00％～8.00％的Ni，2.00％～8.00％的Co，0.50％～2.50％的Si，1.00％～ 3.00％的Cu，0.50％～2.00％的Al，0.70％～1.50％的B，碳化物形成元素Cr、Mo、W、 V、Ti和Nb的总重量百分比为7.0％～20.0％，Fe为余量。

进一步地，所述Fe-C-M-j合金系材料中所述各组分的重量百分比含量依次为：1.80％的C，3.50％的Ni，5.5％的Co，0.90％的Si，1.0％的Al，1.30％的B，7.00％的 Cr，2.00％的Mo，1.50％的W，1.20％的V，0.60％的Ti，0.50％的Nb，Fe为余量。

本发明还提供了晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，所述方法为激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊和快速凝固的铸造方法中的一种。

进一步地，所述激光熔覆包括以下步骤：

步骤一、按照重量百分比含量称取以下组分：0.50％～2.00％的C粉末，2.00％～8.00％的Ni粉末，2.00％～8.00％的Co粉末，0.50％～2.50％的Si粉末，1.00％～3.00％的Cu粉末，0.50％～2.00％的Al粉末，0.70％～1.50％的B粉末，碳化物形成元素Cr、 Mo、W、V、Ti和Nb的总重量百分比为7.0％～20.0％，Fe粉末为余量，混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末；

步骤二、以激光为热源，将所述铁基合金粉末熔覆在42CrMo钢基体上，形成所述铁基耐磨材料。

进一步地，步骤一中的所述铁基合金粉末还可通过以下方法得到：

按照步骤一中的所述重量百分比含量称取金属材料轧碎成小料，在冶炼炉中冶炼成液体，以氮气为雾化介质进行雾化，在无氧或低氧环境下冷却至室温，然后进行粉末筛分。

进一步地，步骤一中采用所述Ni粉末、所述Co粉末、所述Si粉末、所述Cu粉末、所述Al粉末和所述B粉末中的三种以上。

进一步地，步骤一中所述C粉末，所述Ni粉末，所述Co粉末，所述Si粉末，所述Cu粉末，所述Al粉末，所述B粉末和所述Fe粉末的粒度均为150～300目。

进一步地，所述激光为YAG固体激光，CO₂气体激光，半导体激光或光纤激光中的一种。

与现有技术相比，本发明提供的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，通过充分添加碳活度调控元素极大降低铸态组织晶界碳化物偏析程度，从而获得枝晶间或晶界处主要为奥氏体韧化相的高硬度铁基耐磨材料，特别适用于高载荷工作状态下、有高韧性要求的铁基合金零件的激光熔覆强化和修复，如冷轧辊的辊面激光熔覆强化和修复。

以下将对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

具体实施方式

本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

对于本发明提供的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法，其具体实施方式如下：

实施例1

本发明的激光熔覆铁基合金粉末，由C、Si、Ni、B、Cu、Co、Cr、Mo、W、V、 Ti、Nb和Fe组成，其中各组分按重量百分比含量依次为：0.80％的C，0.90％的Si， 2.50％的Ni，0.70％的B，1.00％的Cu，5.5％的Co，5.50％的Cr，1.50％的Mo，1.50％的W，0.70％的V，0.25％的Ti，0.30％的Nb，余量为Fe。

采用上述配方，将粒度为150～300目的上述元素对应的粉末混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末。采用激光为热源，激光为YAG固体激光，CO₂气体激光，半导体激光或光纤激光中的一种，将铁基合金粉末熔覆在42CrMo钢基体上，获得的熔覆层硬度为HRC64，屈服强度为1960MPa。

实施例2

本发明的激光熔覆铁基合金粉末，由C、Si、Ni、Co、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb 和Fe组成，其中各组分按重量百分比含量为：1.3％的C，1.50％的Si，5.0％的Ni，7.5％的Co，6.50％的Cr，2.00％的Mo，5.00％的W，0.80％的V，0.35％的Ti，0.30％的Nb，余量为Fe。

采用上述配方，将粒度为150～300目的上述元素对应的粉末混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末。采用激光为热源，激光为YAG固体激光，CO₂气体激光，半导体激光或光纤激光中的一种，将铁基合金粉末熔覆在42CrMo钢基体上，获得的熔覆层硬度为HRC65，屈服强度为2246MPa。

实施例3

本发明的激光熔覆铁基合金粉末，由C、Si、Ni、Co、Al、B、Cr、Mo、W、V、 Ti、Nb和Fe组成，其中各组分按重量百分比含量为：1.80％的C，0.90％的Si，3.50％的Ni，5.5％的Co，1.0％的Al，1.30％的B，7.00％的Cr，2.00％的Mo，1.50％的W， 1.20％的V，0.60％的Ti，0.50％的Nb，余量为Fe。

采用上述配方，将粒度为150～300目的上述元素对应的粉末混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末。采用激光为热源，激光为YAG固体激光，CO₂气体激光，半导体激光或光纤激光中的一种，将铁基合金粉末熔覆在42CrMo钢基体上，，获得的熔覆层硬度为HRC67，屈服强度为2360MPa。

实施例4

本发明的等离子堆焊铁基合金粉末，由C、Si、Ni、Co、Al、B、Cr、Mo、W、 V、Ti、Nb、和Fe组成，其中各组分按重量百分比含量为：1.95％的C，1.10％的Si， 4.50％的Ni，2.5％的Co，0.7％的Al，1.30％的B，5.00％的Cr，2.00％的Mo，1.50％的W，1.20％的V，余量为Fe。

采用上述配方，将粒度为150～300目的上述元素对应的粉末混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末。采用等离子弧为热源，将铁基合金粉末熔化在 42CrMo钢基体上，获得的熔覆层硬度为HRC62，屈服强度为1725MPa。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，其特征在于，为Fe-C-M-j合金系材料，包括Fe、C、碳化物形成元素M、碳活度调控元素j，所述碳化物形成元素M为Cr、Mo、W、V、Ti和Nb，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B。

2.如权利要求1所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，其特征在于，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B中的三种以上。

3.如权利要求1所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，其特征在于，所述Fe-C-M-j合金系材料中各组分的重量百分比含量依次为：0.50％～2.00％的C，2.00％～8.00％的Ni，2.00％～8.00％的Co，0.50％～2.50％的Si，1.00％～3.00％的Cu，0.50％～2.00％的Al，0.70％～1.50％的B，碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti和Nb的总重量百分比为7.0％～20.0％，Fe为余量。

4.如权利要求3所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，其特征在于，所述Fe-C-M-j合金系材料中所述各组分的重量百分比含量依次为：1.80％的C，3.50％的Ni，5.5％的Co，0.90％的Si，1.0％的Al，1.30％的B，7.00％的Cr，2.00％的Mo，1.50％的W，1.20％的V，0.60％的Ti，0.50％的Nb，Fe为余量。

5.如权利要求1所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述方法为激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊和快速凝固的铸造方法中的一种。

6.如权利要求5所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆包括以下步骤：

步骤一、按照重量百分比含量称取以下组分：0.50％～2.00％的C粉末，2.00％～8.00％的Ni粉末，2.00％～8.00％的Co粉末，0.50％～2.50％的Si粉末，1.00％～3.00％的Cu粉末，0.50％～2.00％的Al粉末，0.70％～1.50％的B粉末，碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti和Nb的总重量百分比为7.0％～20.0％，Fe粉末为余量，混合得混合粉末，经过机械球磨得到铁基合金粉末；

7.如权利要求6所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一中的所述铁基合金粉末还可通过以下方法得到：

8.如权利要求6所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一中采用所述Ni粉末、所述Co粉末、所述Si粉末、所述Cu粉末、所述Al粉末和所述B粉末中的三种以上。

9.如权利要求6所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述C粉末，所述Ni粉末，所述Co粉末，所述Si粉末，所述Cu粉末，所述Al粉末，所述B粉末和所述Fe粉末的粒度均为150～300目。

10.如权利要求6所述的晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述激光为YAG固体激光，CO₂气体激光，半导体激光或光纤激光中的一种。