CN113416952A - 一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法 - Google Patents

一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，涉及铸铁件再制造技术领域。本发明的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，金属基合金粉末以Co为基本成分，加入Ni、C、Si、Cr、Fe和W元素组成的合金粉末，掺杂Ti的质量百分数为3.0％～10.0％，使得粉末能够很好的熔覆于球墨铸铁基体，无裂纹、气孔等缺陷；使用行星球磨机将掺杂的Ti与金属基合金粉末混合均匀，采用同步送粉的方式进行激光熔覆，以获得成型良好的激光熔覆层，熔覆再制造基体为球墨铸铁，对苛刻工况下工作的球墨铸铁件专项设计，使得熔覆层较球墨铸铁件的硬度及高温耐磨性能大大提高。

Description

一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及 其制备方法
技术领域
本发明涉及铸铁件再制造技术领域，更具体地说是一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法。
背景技术
球墨铸铁具有较高的强度，一定的韧性和塑性，同时还具有耐磨、减震、易切削、对缺口不敏感等特性，可代替碳钢和合金钢制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件，如曳引轮、曲轴、缸套、轧辊等，所以在工业中得到了广泛应用。球墨铸铁件在高温，剧烈磨损等苛刻的使用环境中，经常因表面受磨损而导致失效，因此，对不同工况条件下球墨铸铁件出现的磨损、腐蚀、疲劳失效等损伤进行再制造，不仅可以对其进行回收利用，而且经再制造的球墨铸铁件性能要高于原部件的性能。传统再制造技术如热喷涂、热喷焊、堆焊等工艺复杂，效率低，能耗高。与传统表面改性技术相比激光熔覆技术具有许多优点：激光能量高度集中，工件受热区小、变形小；熔覆层与基体呈冶金结合，结合强度高；用于球墨铸铁件的再制造具有很大优势。
目前激光熔覆材料范围相当广泛，铸铁表面熔覆的自熔性合金粉末主要包括钴基、镍基、铁基。铁基合金耐高温性能较差；镍基合金与球墨铸铁基体热膨胀系数差别较大，在高能激光束的作用下很容易产生热应力和相变应力，熔覆时容易产生裂纹；钴基合金粉末制备的熔覆层耐高温，耐磨损性能良好，硬度较低，抵抗硬物压入其表面的能力较差；纯金属基合金粉末所制备的熔覆层性能提升较为局限，已经无法满足铸铁件的苛刻服役条件。碳化物陶瓷相增强金属基复合涂层具有良好的热稳定性、高硬度、高强度和优异的耐高温、耐磨损性能。选择添加碳化物增强金属基可以有效的改善熔覆层的性能，考虑到所添加碳化物与基础材料的相容性问题，选用密度与热膨胀系数与金属基合金粉末更为匹配的纯金属Ti，利用Ti容易与C发生原位反应生成TiC陶瓷增强相的特点，选用纯金属Ti作为掺杂粉末。因此可以推广掺杂钛的金属基合金复合粉末用于球墨铸铁件的激光熔覆再制造。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中球墨铸铁件在激光熔覆时缺少性能优良的熔覆材料，本发明提出了一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，制成的TiC增强金属基复合合金粉末是针对球墨铸铁件苛刻工作环境的专项设计，激光熔覆再制造成型之后的熔覆层与球墨铸铁件呈良好的冶金结合，熔覆层的硬度、高温耐磨性能较基体也有了很大提升。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为1.0％～4.0％，C为0.6％～1.0％，Si为1.1％～1.5％，Cr为28.0％～30.0％，Fe为1.0％～4.0％，W为4.0％～6.0％，余量为Co，掺杂Ti的量质量百分数为：3.0％～10.0％；金属基合金粉末以Co为基本成分，加入Ni、C、Si、Cr、Fe和W元素组成的合金粉末，且Ti的质量百分数为3.0％～10.0％，使得粉末能够很好的熔覆于球墨铸铁基体，无裂纹、气孔等缺陷。
进一步的技术方案，所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为2.0％，C为0.8％，Si为1.2％，Cr为28.0％，Fe为2.0％，W为4.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为3.0％。
进一步的技术方案，所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为5.0％。
进一步的技术方案，所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为10.0％。
一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、混粉：使用行星球磨机将掺杂的Ti与金属基合金粉末混合均匀，混粉时间为2h，转速为250r/min，球料比为2:1；
步骤二、形成熔覆层：利用光纤耦合全固态激光器，同时采用侧向同步送粉设备，将所述TiC增强金属基复合合金粉末送到激光光斑所对准的球墨铸铁件待熔覆表面，在球墨铸铁件表面连续熔覆形成熔覆层，采用同步送粉的方式进行激光熔覆，以获得成型良好的激光熔覆层。
进一步的技术方案，步骤一中，所述金属基合金粉末和Ti粉均为为球形，粉末粒径分别为53μm～150μm和15～45μm，金属基粉末和Ti粉均为球形，具有很好的流动性。
进一步的技术方案，步骤二中，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为1400～1600W，扫描速度为100～140mm/min，以防止扫描速度过小，组织粗大；送粉速度为4～6g/min，以保证熔覆层与基体的良好冶金结合；光斑直径为6mm，以保证熔覆层裂纹率最低，熔覆层性能最佳；搭接率为35％，以保证熔覆层表面成型良好。
进一步的技术方案，熔覆再制造基体为球墨铸铁件，针对苛刻工况下工作的球墨铸铁件专项设计，使得熔覆层较球墨铸铁件的硬度及高温耐磨性能大大提高。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，金属基合金粉末以Co为基本成分，加入Ni、C、Si、Cr、Fe和W元素组成的合金粉末，使得粉末能够很好的熔覆于球墨铸铁基体，无裂纹、气孔等缺陷；由上述元素制成的TiC增强金属基复合合金粉末是针对球墨铸铁件苛刻工作环境的专项设计，激光熔覆再制造成型之后的熔覆层与球墨铸铁件呈良好的冶金结合，熔覆层的硬度、高温耐磨性能较基体也有了很大提升；
(2)本发明的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，通过向金属基合金粉末中添加质量百分数为3.0％～10.0％的纯Ti粉，在激光熔覆过程中发生原位反应生成TiC陶瓷相硬质颗粒，细化了熔覆层的组织，提高了熔覆层的硬度和高温耐磨性；
(3)本发明的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，金属基粉末和Ti粉均为球形，具有很好的流动性，通过采用同步送粉的方式进行激光熔覆，获得成型良好的激光熔覆层；
(4)本发明的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末及其制备方法，熔覆再制造基体为球墨铸铁件，针对苛刻工况下工作的球墨铸铁件专项设计，使得熔覆层较球墨铸铁件的硬度及高温耐磨性能大大提高。
附图说明
图1为扫描电镜下本发明的TiC增强金属基复合合金粉末的微观形貌图；
图2为本发明的TiC增强金属基复合合金粉末熔覆后的宏观形貌图；
图3为熔覆层截面金相组织图；
图4为本发明的TiC增强金属基复合涂层的截面显微硬度分布图；
图5为本发明的TiC增强金属基复合涂层的磨损表面SEM形貌图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，如图3所示，所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为1.0％～4.0％，C为0.6％～1.0％，Si为1.1％～1.5％，Cr为28.0％～30.0％，Fe为1.0％～4.0％，W为4.0％～6.0％，余量为Co，掺杂Ti的量质量百分数为：3.0％～10.0％；金属基合金粉末以Co为基本成分，加入Ni、C、Si、Cr、Fe和W元素组成的合金粉末，且Ti的质量百分数为3.0％～10.0％，使得粉末能够很好的熔覆于球墨铸铁基体，无裂纹、气孔等缺陷。
本实施例中，掺杂的Ti在激光熔覆过程有一部分与C发生原位反应生成TiC硬质相，产生弥散强化作用，抑制组织生长，使组织细化，熔覆层硬度和高温耐磨性能得到大幅提高，部分未反应的Ti也起到封闭γ相区的作用，影响γ-Co在快速凝固时作为初生相析出，改变了γ-Co的生长形态；金属基合金粉末中加入W元素是为了提高熔覆层的高温耐磨性，W固溶在Co的面心立方晶体中，能使晶格发生大的畸变，显著强化合金基体，提高基体的高温耐磨性和红硬性；金属基合金粉末中加入一定量的Si元素还可以脱氧，共同生成熔点低、粘度小，易上浮的熔渣，覆盖于熔覆层表面，防止夹渣与气孔；在金属基合金粉末中加入一定量的Fe、Ni元素，Fe元素与球墨铸铁件成分接近，可以提高粉末与基体的相容性，Ni元素可以抑制球墨铸铁件界面区域的碳元素向熔覆层中扩散，从而抑制界面白口产生的倾向。
实施例2
本实施例的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为2.0％，C为0.8％，Si为1.2％，Cr为28.0％，Fe为2.0％，W为4.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为3.0％。
实施例3
本实施例的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，基本结构同实施例2，不同和改进之处在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为5.0％。
实施例4
本实施例的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，基本结构同实施例3，不同和改进之处在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为10.0％。
实施例5
本实施例的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末的制备方法，基本结构同实施例4，不同和改进之处在于：包括如下步骤：
步骤一、混粉：使用行星球磨机将掺杂的Ti与金属基合金粉末混合均匀，混粉时间为2h，转速为250r/min，球料比为2:1；
步骤二、形成熔覆层：利用光纤耦合全固态激光器，同时采用侧向同步送粉设备，将所述TiC增强金属基复合合金粉末送到激光光斑所对准的球墨铸铁件待熔覆表面，在球墨铸铁件表面连续熔覆形成熔覆层，采用同步送粉的方式进行激光熔覆，以获得成型良好的激光熔覆层。
本实施例中，图1为扫描电镜下本发明的TiC增强金属基复合合金粉末的微观形貌图，步骤一中，所述金属基合金粉末和Ti粉均为为球形，粉末粒径分别为53μm～150μm和15～45μm，金属基粉末和Ti粉均为球形，具有很好的流动性；
步骤二中，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为1400～1600W，扫描速度为100～140mm/min；送粉速度为4～6g/min；光斑直径为6mm；搭接率为35％；在控制其他参数不变的情况下，将激光功率设置在1400～1600W，发现激光功率相对较低的情况下，熔覆层的组织更趋于致密均匀分布，晶粒相对细小，组织细小可以使熔覆层的硬度提高，随着激光功率的进一步增大，组织变得粗大，反而不利于硬度的增加，经过试验分析，激光功率在1400～1600W时，熔覆层性能最佳；激光扫描速度是影响熔覆层性能的另一个重要因素，通过将激光扫描速度控制在100～140mm/min,在其他参数不变时，扫描速度大的时候组织细小，光束辐照在样品表面时间短，涂层材料吸收的激光能量较少，扫描速度小的时候组织会***大。这主要是因为激光熔覆的过程中，扫描速度较快的条件下，吸收能量少，冷却速度快，熔池中的对流时间短，大量的晶核来不及进一步长大就凝固，所以其枝晶组织较细，扫描速度较慢时，激光束停留时间长，吸热较多，熔池凝固时间延长，晶核有充足的时间长大，显微组织呈粗大状；通过将送粉速度控制在4～6g/min，在相同工艺条件下，送粉速度越大，透光率越小，从而基体吸收的能量越少，使熔池深度变小，甚至于不能使基体表面熔化，此时熔覆层与基体不能达到良好的冶金结合，熔覆便不能实现，为保证熔覆层与基体的良好冶金结合，将送粉速度控制在4～6g/min；将光斑直径控制在6mm，当激光功率、扫描速度和送粉速度一定时，随光斑直径增加，激光比能量会逐渐减小，而熔覆层的裂纹率却逐渐增加，开裂倾向增加，但另一方面，激光光斑直径的增大会降低熔覆层的稀释率，增加熔覆层的硬度，提高熔覆层的表面质量，经过试验分析，将光斑直径控制在6mm，所得熔覆层裂纹率最低，熔覆层性能最佳；通过将搭接率控制在35％，形成了冶金结合良好的熔覆层，在搭接区未出现疏松夹杂等缺陷，且表明高度一致，而搭接率过小时，熔覆层质量较差，有孔洞产生，搭接区域出现凹陷，表面高度不一致且粗糙，为保证熔覆层表面成型良好，本发明将搭接率控制在35％。
进一步的，图2为高温耐磨合金粉末熔覆后的宏观形貌图；图3为熔覆层截面金相组织图；熔覆再制造基体为球墨铸铁QT600-3，针对苛刻工况下工作的球墨铸铁件专项设计，使得熔覆层较球墨铸铁件的硬度及高温耐磨性能大大提高。
TiC增强金属基复合涂层的截面显微硬度分布如图4所示，CZ为熔覆层区，从熔覆层顶部到底部硬度基本呈降低趋势，硬度在540HV0.2～830HV0.2之间变化；HAZ为热影响区，硬度又出现了升高的现象，主要是因为热影响区出现了大量的高碳马氏体组织，高碳马氏体组织具有较高的硬度和强度；SUB为基体区，硬度在400HV0.2～450HV0.2。熔覆层硬度较基体有了较大提升。
TiC增强金属基复合涂层的高温耐磨性能，具体数据见表1，数据为复合涂层在摩擦磨损试验机上，试验载荷为20N，转速为364r/min条件下，进行1h干摩擦磨损试验获得。掺杂质量分数为5％的Ti使熔覆层高温耐磨性能提高了一倍多。
表1TiC增强金属基复合涂层的高温耐磨性能
Figure BDA0003125639410000061
图5为TiC增强金属基复合涂层的磨损表面SEM形貌。图5(a)为未掺杂Ti的熔覆层摩擦磨损试验图磨损表面SEM形貌，磨损表面产生大量磨屑，部分块状磨屑粘附于磨痕表面，图5(b)为掺杂质量分数为5％的Ti的熔覆层摩擦磨损试验磨损表面SEM形貌，整个磨损表面明显变得较为平滑，说明高温耐磨性提高。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，其特征在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为1.0％～4.0％，C为0.6％～1.0％，Si为1.1％～1.5％，Cr为28.0％～30.0％，Fe为1.0％～4.0％，W为4.0％～6.0％，余量为Co，掺杂Ti的量质量百分数为：3.0％～10.0％。
2.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，其特征在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为2.0％，C为0.8％，Si为1.2％，Cr为28.0％，Fe为2.0％，W为4.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为3.0％。
3.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，其特征在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为5.0％。
4.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，其特征在于：所述金属基合金粉末组成成分及其质量百分数为：Ni为3.0％，C为1.0％，Si为1.4％，Cr为30.0％，Fe为3.0％，W为6.0％，余量为Co，掺杂Ti的质量百分数为10.0％。
5.根据权利要求1至4任一所述的TiC增强金属基复合合金粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、混粉：使用行星球磨机将掺杂的Ti与金属基合金粉末混合均匀，混粉时间为2h，转速为250r/min，球料比为2:1；
步骤二、形成熔覆层：利用光纤耦合全固态激光器，同时采用侧向同步送粉设备，将所述TiC增强金属基复合合金粉末送到激光光斑所对准的球墨铸铁件待熔覆表面，在球墨铸铁件表面连续熔覆形成熔覆层。
6.根据权利要求5所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末，其特征在于：步骤一中，所述金属基合金粉末和Ti粉均为为球形，粉末粒径分别为53μm～150μm和15～45μm。
7.根据权利要求5所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中，进行激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为1400～1600W，扫描速度为100～140mm/min，送粉速度为4～6g/min，光斑直径为6mm，搭接率为35％。
8.根据权利要求5所述的一种球墨铸铁件激光熔覆用TiC增强金属基复合合金粉末的制备方法，其特征在于：熔覆再制造基体为球墨铸铁件。
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