CN114672720A - 一种合金粉末、零件表面处理的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面工程技术领域，具体而言，涉及一种合金粉末、零件表面处理的方法及其应用。所述的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：Ti 20％～28％，Al 12％～18％，B 6.5％～8.5％，C 2.0％～2.5％，余量为Fe。所述的合金粉末，能够用于熔覆层的制备，不仅可以改善零件的耐磨性能，还能够修复受损零件，原料成本低，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体而言，涉及一种合金粉末、零件表面处理的方法及其应用。
背景技术
磨损是机械零件失效的主要方式之一。随着现代工业的发展，对机械零部件的表面性能要求越来越高。与此同时，技术的更新换代也带来了机电产品的大量报废，鉴于环境和资源的双重压力，迫切需要发展绿色可持续的循环再制造技术。熔覆技术通过在零件表面制备强化熔覆层，可以改善产品表面性能，同时也可以用于修复由于磨损失效的零件，是一种广泛应用且仍在快速发展的绿色表面技术。
金属基复合材料(MMCs)由于韧性金属与硬质陶瓷的结合，在耐磨零部件领域具有广泛的应用前景。在各种金属基复合材料中，铁基金属基复合材料涂层因其制造成本低、刚度和弹性模量高以及各向同性性能好而被广泛应用于耐磨损和耐腐蚀领域。近年来，为了提升铁基复合涂层的性能，多元合金化和多种增强相的结合的研究方向逐渐引起重视。其中，TiC和TiB2陶瓷颗粒作为增强相，具备高硬度(TiC：3000HV，TiB2：3370HV)、高熔点(TiC：3065℃，TiB2：2980℃)和化学稳定性好的特点，因而得到广泛的关注。但是在制备过程中，外加增强相与金属基体结合不好，易产生缺陷，原位自生增强相也存在增强颗粒分布不合理等技术问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个方面，涉及一种合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 20％～28％，Al 12％～18％，B 6.5％～8.5％，C 2.0％～2.5％，余量为Fe。
所述的合金粉末，能够用于熔覆层的制备，不仅可以改善零件的耐磨性能，还能够修复受损零件。
本发明的另一个方面，还涉及所述的合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将含有各元素的组分混匀；
优选地，所述混匀的搅拌速度为30～50r/min；更优选地，所述混匀的搅拌时间为1.5～2h。
所述的合金粉末的制备方法，方法简单，易操作，无需复杂的制备工艺，能够保证制备得到的合金粉末具有很好的均匀度。
本发明的另一个方面，还涉及一种零件表面处理的方法，包括以下步骤：
将所述的合金粉末和粘结剂的混合物涂覆在所述零件的表面，加热熔化所述混合物，在所述零件表面形成熔覆层；
优选地，在所述零件表面涂覆的所述合金粉末的厚度为0.5～2mm。
所述的零件表面处理的方法，方法简单，无需特殊的工艺，具有广泛的应用前景，经过表面处理后的零件耐磨性能明显提高，使用寿命延长。
本发明的另一个方面，还涉及一种钢结构零件的加工方法，包括所述零件表面处理的方法。
所述的钢结构零件的加工方法，采用所述零件表面处理的方法，对零件进行加工或修复，得到的零件具有较好的耐磨性能，使用寿命长。
本发明的另一个方面，还涉及一种钢结构零件，由所述的钢结构零件的加工方法制备得到。
所述的钢结构零件，具有较好的耐磨性能，使用寿命长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的合金粉末，各组分和用量配比合理，成本低廉，用于制备熔覆层时，既可以提高新产品的耐磨性能，也可以对废旧零件进行修复，具有广泛的应用前景。
(2)本发明提供的零件表面处理的方法，方法简单，无需特殊的工艺，利用氩弧熔覆技术在低碳钢和低合金结构钢零件表面制成复合增强的熔覆层，提高零件的耐磨性，从而延长零件的使用寿命；该方法既可以用于提高新产品的耐磨性能，也可以用于废旧零件的修复，具有广泛的应用前景。
(3)本发明提供的钢结构零件的加工方法，采用所述零件表面处理的方法，对零件进行加工或修复，得到的零件具有较好的耐磨性能，使用寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的熔覆层的表面图；
图2为本发明实施例提供的熔覆层的金相观察图；
图3为本发明实施例提供的熔覆层表面至母材的微观组织观察图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面，涉及一种合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 20％～28％，Al 12％～18％，B 6.5％～8.5％，C 2.0％～2.5％，余量为Fe。
在一些具体的实施方式中，按质量百分数计，Ti例如可以为，但不限于20％、22％、24％、26％或28％；Al例如可以为，但不限于12％、13％、14％、15％、16％或18％；B例如可以为，但不限于6.5％、7.0％、7.5％、8.0％或8.5％；C例如可以为，但不限于2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％或2.5％。
所述的合金粉末，各组分和用量配比合理，成本低廉，用于制备熔覆层时，既可以提高新产品的耐磨性能，也可以对废旧零件进行修复，具有广泛的应用前景。
所述的合金粉末，可以是各元素单质粉混合，也可以是合金粉混合，各元素的质量比例在所限定的范围内即可。
优选地，所述的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 21％～26％，Al 14％～16％，B 7.0％～8.0％，C 2.1％～2.4％，余量为Fe。
本发明的另一个方面，还涉及所述的合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将含有各元素的组分混匀；
优选地，所述混匀的搅拌速度为30～50r/min；更优选地，所述混匀的搅拌时间为1.5～2h。
在一些具体的实施方式中，所述混匀的搅拌速度例如可以为，但不限于30r/min、33r/min、35r/min、37r/min、40r/min、43r/min、45r/min、47r/min或50r/min。
在一些具体的实施方式中，所述混匀的搅拌时间例如可以为，但不限于1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h。
所述的合金粉末的制备方法，方法简单且易操作，无需复杂的制备工艺，能够保证制备得到的合金粉末具有很好的均匀度。
本发明的另一个方面，还涉及一种零件表面处理的方法，包括以下步骤：
将所述的合金粉末和粘结剂的混合物涂覆在所述零件的表面，加热熔化所述混合物，在所述零件表面形成熔覆层；
优选地，在所述零件表面涂覆的所述合金粉末的厚度为0.5～2mm。
在一些具体的实施方式中，在所述零件表面涂覆的所述合金粉末的厚度例如可以为，但不限于0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.7mm、1.9mm或2mm。
所述的零件表面处理的方法，方法简单，无需特殊的工艺，利用氩弧熔覆技术在低碳钢和低合金结构钢零件表面制成复合增强的熔覆层，提高零件的耐磨性，从而延长零件的使用寿命；该方法既可以用于提高新产品的耐磨性能，也可以用于废旧零件的修复，具有广泛的应用前景。
本发明将含有Fe、Ti、Al、B、C五种元素的合金粉末涂覆在零件表面，然后采用钨极惰性气体保护焊接技术制成熔覆层。可以大幅提升现有的低碳钢和低合金结构钢零部件的耐磨性和使用寿命。通过利用熔池冶金反应原位生成TiC和TiB2增强相，二者的熔点高且密度相对较低，因此在零件表面形成的熔覆层，由表层向内层增强相的数量呈梯度下降的趋势，这样的梯度下降趋势，既能保证熔覆层表面具有高硬度和高耐磨性，又能缓解熔覆层与零件表面的组织性能的差异，减少熔覆层的残余应力和缺陷，降低熔覆层服役过程开裂和剥离的风险，使零件的耐磨性大大改善。
Al元素的添加能够增加熔池存在的时间，促进熔池反应充分有效进行，保证熔覆层能够良好的成形。
优选地，所述零件在涂覆所述合金粉末和所述粘结剂前，进行预处理。
优选地，所述预处理具体包括：用酒精或丙酮清洗去除油污，机加工使所述零件表面尺寸规则，对所述零件表面进行喷砂或者砂纸打磨，达到除锈和粗化表面的目标。
优选地，所述加热熔化包括采用钨极惰性气体保护焊接。
优选地，所述钨极惰性气体保护焊接的电源采用直流正接；所述钨极惰性气体保护焊接的钨极直径为2.0～4.0mm(例如2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm或4.0mm)；所述钨极惰性气体保护焊接的电流为150～200A(例如150A、160A、170A、180A、190A或200A)；所述钨极惰性气体保护焊接采用纯度≥99.9％的氩气作保护气体；所述钨极惰性气体保护焊接的气体流量为10～15L/min(例如10L/min、11L/min、12L/min、13L/min、14L/min或15L/min)；所述钨极惰性气体保护焊接的焊枪行走速度为150～500mm/min(例如150mm/min、200mm/min、250mm/min、300mm/min、350mm/min、400mm/min、450mm/min或500mm/min)。
优选地，所述零件的材质包括低碳钢和/或低合金结构钢。
优选地，所述混合物中，所述合金粉末与所述粘结剂的体积比为(70～90)：(10～30)(例如70:30、75：25、80：20、85：15或90：10)。
粘结剂的用量需要控制在一定范围内。用量过少，粘结剂和合金粉末的混合物不容易涂抹在零件表面；用量过多，容易产生气孔，从而影响熔覆层的结构。
优选地，所述粘结剂包括水玻璃、水玻璃粘结剂、聚乙烯醇类胶水、树脂溶液胶、碳水化合物胶粘剂或天然胶粘剂中的至少一种。
优选地，在涂覆所述混合物后，在所述加热熔化前，对所述零件表面进行干燥。
优选地，所述干燥的温度为75～85℃(例如75℃、77℃、79℃、80℃、81℃、83℃或85℃)。
更优选地，所述干燥的时间为2～3h(例如2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h或3h)。
干燥去除所述混合物中的水分。
优选地，所述加热熔化后还包括冷却的步骤。
优选地，所述冷却采用空冷。
本发明的另一个方面，还涉及一种钢结构零件的加工方法，包括所述零件表面处理的方法。
所述的钢结构零件的加工方法，采用所述零件表面处理的方法，对零件进行加工或修复，得到的零件具有较好的耐磨性能，使用寿命长。
本发明的另一个方面，还涉及一种钢结构零件，由所述的钢结构零件的加工方法制备得到。
下面将结合实施例和对比例对本发明的实施方案进行详细描述。
实施例1
本实施例提供的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 8％，Al 12％，B 6.5％，C 2.5％，Fe 71％。
实施例2
本实施例提供的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 20％，Al 18％，B 8.5％，C 2.0％，Fe 51.5％。
实施例3
本实施例提供的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 21％，Al 16％，B 8.0％，C 2.4％，Fe 52.6％。
实施例4
本实施例提供的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 26％，Al 14％，B 7.0％，C 2.1％，Fe 50.9％。
实施例5
本实施例提供的合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 21％，Al 15％，B 7.6％，C 2.3％，Fe 64％；
其中，B和C以B4C粉末的形式混入。
实施例6
本实施例提供的零件表面处理的方法，包括以下步骤：
1、以Q235钢板作为零件母材，Q235钢板的化学成分和力学性能见表1和表2；
表1Q235碳钢的化学组成(wt.％)
表2Q235钢的力学性能
2、采用实施例5的合金粉末，将所需要的粉末原料用电子分析天平称重后，通过机械搅拌混合均匀；
3、向混合后的合金粉末中滴入胶水(7wt％～10wt％聚乙烯醇水溶液)作为粘结剂，合金粉末和粘结剂的体积比为85：15，用玻璃棒搅拌均匀成糊状；
4、在清理好的Q235钢板试样表面，人工压制出0.5～1.2mm厚的预涂覆层，随后将涂覆好的试样置于烘干箱中，80℃烘干2.5h，除去涂层中的结晶水及吸附的水分；
5、采用YC-300WX4 N型TIG焊机作为熔覆的热源，直流正接；钨极直径为2.0mm，引弧方式为无脉冲引弧方式，焊接电流为150A，起始电流为50A，收弧电流为60A，空冷方式，纯度为99.9％的氩气为保护气，气流量为10L/min，焊枪固定在行走小车上，可以实现无极调速，调节范围50～750mm/min。
试样熔覆后空冷至室温，熔覆层的表面图如图1所示，可以看出，熔覆焊缝成形良好，表面平整且没有裂纹等可见缺陷。对熔覆层剖面进行金相观察，如图2所示。图2中可以看出熔覆生成的强化相比较均匀的镶嵌在金属基体中，形成了金属陶瓷复合结构。利用扫描电子显微镜观察微观组织(SEM)，从熔覆层表面向Q235钢板母材方向依次取照片，如图3所示，可以观察到明显梯度过渡组织特征，靠近表面的强化相很多，越靠近母材一侧，强化相越少。这样的梯度组织特征，既能保证表面的高硬度和高耐磨性，又能缓解熔覆层与母材的组织性能差异，减少熔覆层的残余应力和缺陷，降低熔覆层服役过程开裂和剥离的风险。
采用HVS-1000A型数显显微硬度仪测量硬度，熔覆层表面以下100～200微米层多次测量记录后取平均值硬度为1289HV，向母材一侧靠近则硬度逐渐降低，母材硬度约150HV。熔覆层硬度比母材Q235钢板提升8倍。涂层试样和母材试样分别在MM-200型滑动磨损试样机上进行了耐磨性实验，采用环-块滑动摩擦方式，试验施加力为150N，磨损时间为5h，磨轮材料为GCr15钢，表面硬度为400HV，转速为200r/min。熔覆试样和Q235钢磨损失重对比，熔覆试样5h磨损仅5.8mg，而同条件下Q235钢磨损失重达到263mg。熔覆后试样相对于Q235钢耐磨性提高了约50倍，性能提升效果显著。
实施例7
本实施例提供的零件表面处理的方法，包括以下步骤：
1～2、同实施例6；
3、向混合后的合金粉末中滴入胶水(10wt％聚乙烯醇水溶液)作为粘结剂，合金粉末和粘结剂的体积比为70：30，用玻璃棒搅拌均匀成糊状；
4、在清理好的Q235钢板试样表面，人工压制出0.5～2mm厚的预涂覆层，随后将涂覆好的试样置于烘干箱中，82℃烘干2h，除去涂层中的结晶水及吸附的水分；
5、采用YC-300WX4 N型TIG焊机作为熔覆的热源，直流正接；钨极直径为3.0mm，引弧方式为无脉冲引弧方式，焊接电流为200A，起始电流为50A，收弧电流为60A，空冷方式，纯度为99.9％的氩气为保护气，气流量为13L/min，焊枪固定在行走小车上，可以实现无极调速，调节范围50～750mm/min。
实施例8
本实施例提供的零件表面处理的方法，包括以下步骤：
1～2、同实施例6；
3、向混合后的合金粉末中滴入胶水(水玻璃)作为粘结剂，合金粉末和粘结剂的体积比为90：10，用玻璃棒搅拌均匀成糊状；
4、在清理好的Q235钢板试样表面，人工压制出0.5～2mm厚的预涂覆层，随后将涂覆好的试样置于烘干箱中，78℃烘干3h，除去涂层中的结晶水及吸附的水分；
5、采用YC-300WX4 N型TIG焊机作为熔覆的热源，直流正接；钨极直径为4.0mm，引弧方式为无脉冲引弧方式，焊接电流为180A，起始电流为50A，收弧电流为60A，空冷方式，纯度为99.9％的氩气为保护气，气流量为15L/min，焊枪固定在行走小车上，可以实现无极调速，调节范围50～750mm/min。
对比例1
本对比例提供的零件表面的处理方法，与实施例6相比，区别仅在于步骤3中，合金粉末和粘结剂的体积比为50：50。
粘结剂过多，易产生气孔缺陷，成形不良。采用HVS-1000A型数显显微硬度仪测量硬度，熔覆层表面以下100～200微米层多次测量记录后取平均值硬度为579HV。涂层试样在MM-200型滑动磨损试样机上进行了耐磨性实验，采用环-块滑动摩擦方式，试验施加力为150N，磨损时间为5h，磨轮材料为GCr15钢，表面硬度为400HV，转速为200r/min，熔覆试样5h磨损116mg。
对比例2
本对比例提供的零件表面的处理方法，与实施例6相比，区别仅在于合金粉末中未添加Al。
未添加Al，熔覆层冶金反应不充分且易产生裂纹缺陷。采用HVS-1000A型数显显微硬度仪测量硬度，熔覆层表面以下100～200微米层多次测量记录后取平均值硬度为732HV。涂层试样在MM-200型滑动磨损试样机上进行了耐磨性实验，采用环-块滑动摩擦方式，试验施加力为150N，磨损时间为5h，磨轮材料为GCr15钢，表面硬度为400HV，转速为200r/min。熔覆试样5h磨损69mg。
对比例3
本对比例提供的零件表面的处理方法，与实施例6相比，区别仅在于合金粉末中组分含量不同，按质量百分数计，具体包括：Ti 32％，Al 25％，B 4％，C 1％，余量为Fe。
采用HVS-1000A型数显显微硬度仪测量硬度，熔覆层表面以下200微米层多次测量记录后取平均值硬度为605HV。涂层试样在MM-200型滑动磨损试样机上进行了耐磨性实验，采用环-块滑动摩擦方式，试验施加力为150N，磨损时间为5h，磨轮材料为GCr15钢，表面硬度为400HV，转速为200r/min。熔覆试样5h磨损57mg。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种合金粉末，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 20％～28％，Al 12％～18％，B 6.5％～8.5％，C 2.0％～2.5％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：
Ti 21％～26％，Al 14％～16％，B 7.0％～8.0％，C 2.1％～2.4％，余量为Fe。
3.如权利要求1或2所述的合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含有各元素的组分混匀；
优选地，所述混匀的搅拌速度为30～50r/min；更优选地，所述混匀的搅拌时间为1.5～2h。
4.一种零件表面处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1或2所述的合金粉末和粘结剂的混合物涂覆在所述零件的表面，加热熔化所述混合物，在所述零件表面形成熔覆层；
优选地，在所述零件表面涂覆的所述合金粉末的厚度为0.5～2mm。
5.根据权利要求4所述的零件表面处理的方法，其特征在于，所述加热熔化包括采用钨极惰性气体保护焊接；
优选地，所述钨极惰性气体保护焊接的电源采用直流正接；所述钨极惰性气体保护焊接的钨极直径为2.0～4.0mm；所述钨极惰性气体保护焊接的电流为150～200A；所述钨极惰性气体保护焊接采用纯度≥99.9％的氩气作保护气体；所述钨极惰性气体保护焊接的气体流量为10～15L/min；所述钨极惰性气体保护焊接的焊枪行走速度为150～500mm/min。
6.根据权利要求4所述的零件表面处理的方法，其特征在于，所述零件的材质包括低碳钢和/或低合金结构钢。
7.根据权利要求4所述的零件表面处理的方法，其特征在于，所述混合物中，所述合金粉末与所述粘结剂的体积比为(70～90)：(10～30)；
优选地，所述粘结剂包括水玻璃粘结剂、聚乙烯醇类胶水、树脂溶液胶、碳水化合物胶粘剂或天然胶粘剂中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的零件表面处理的方法，其特征在于，在涂覆所述混合物后，在所述加热熔化前，对所述零件表面进行干燥；
优选地，所述干燥的温度为75～85℃；更优选地，所述干燥的时间为2～3h；
优选地，所述加热熔化后还包括冷却的步骤。
9.一种钢结构零件的加工方法，包括权利要求4-8任一项所述零件表面处理的方法。
10.一种钢结构零件，由权利要求9所述的钢结构零件的加工方法制备得到。
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|---|---|---|---|---|
| CN115401195A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-11-29 | 中国化学工程第十一建设有限公司 | 一种颗粒增强高熵合金粉末及其制备方法和应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5637816A (en) * | 1995-08-22 | 1997-06-10 | Lockheed Martin Energy Systems, Inc. | Metal matrix composite of an iron aluminide and ceramic particles and method thereof |
| CN102249682A (zh) * | 2011-05-16 | 2011-11-23 | 山东交通学院 | 一种铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料及其制备方法 |
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2022
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Patent Citations (2)
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| 冷菊等: "氩弧熔覆技术制备TiC-TiB_2复合陶瓷涂层力学性能的研究", 《佛山陶瓷》 * |
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