CN101709469B

CN101709469B - 等离子熔覆快速成形铁基合金粉末材料

Info

Publication number: CN101709469B
Application number: CN2009102418514A
Authority: CN
Inventors: 徐滨士; 吕耀辉; 向永华
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: CN101709469A

Abstract

本发明公开了一种等离子熔覆快速成形铁基合金，其合金成分范围为，重量百分比：C：0.05～0.15％、Ni：4～8％、Cr：10～15％、B：0.1～1％、Si：0.8～1.2％、Mo：0.8～1.2％、Nb：0.25～0.70％、混合RE(成分为(质量分数/％)Ce：47，La：26，Nd：18，Pr：5)：0.25～3.5％，余量为Fe。本发明提出的以上成分的铁基合金粉末，特别适用于等离子熔覆快速成形的需要，其熔覆层的硬度、耐磨性适中，在多层熔覆条件下，产生开裂和其它熔覆缺陷的倾向小，熔覆工艺性能良好，粉末成本低。该粉末也可在等离子单层熔覆修复过程中，用于恢复工件尺寸，或者作为功能熔覆层前的打底层，能适用于更广泛的应用需要。

Description

等离子熔覆快速成形铁基合金粉末材料

技术领域

本发明涉及一种铁基合金粉末，具体地说是一种等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉末。

背景技术

等离子粉末熔覆工艺是一种低成本的直接金属快速成形方法，在直接金属快速成形领域成为研究热点。迄今等离子熔覆直接金属快速成形合金粉末常采用热喷涂粉末及表面堆焊用合金粉末，现有等离子熔覆材料用于快速成形存在的主要问题是：现有铁基自熔剂合金粉末均含有较高的B、Si含量，易生成FeB等脆性相析集于晶界而引起裂纹，在成形厚覆层时Si、B发生脱氧作用时生成的低熔点硼硅酸盐部分残留在熔覆层内，易在熔覆层冷却过程中形成液态薄膜，产生结晶裂纹。

现有技术的合金一般有以下几种组织类型，(1)纯奥氏体结构；(2)奥氏体+铁素体结构；(3)奥氏体+马氏体结构；(4)奥氏体+铁素体+马氏体结构等。当熔覆层中存在马氏体结构时，在熔覆层凝固过程中，会由于马氏体相变产生相变应力，使熔覆层的应力状态恶化，导致裂纹敏感性增大，而单相奥氏体结构，虽然有良好的韧性，但其热膨胀系数要高开其它类型的组织，在多层熔覆情况下，会因热应力的累积导致熔覆层开裂。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术的问题，科学合理的控制熔覆层中的硬质相与韧性相之间的比例，改善等离子熔覆工艺性能，减少其在快速成形多层熔覆条件下开裂和其它缺陷的倾向，而提出一种等离子熔覆快速成形铁基合金。

本发明合金的设计原理为：为了解决现有技术的上述问题，本发明采用低的C含量及B、Si元素含量，并通过调整铬、镍元素含量合金化改变组织状态，获得奥氏体+少量铁素体的双相组织，同时加入微量元素Mo、Nb、稀土细化组织，减少熔覆层中的成分偏析，提高抗裂性，同时还提高熔覆层的强韧性，红硬性和高温抗蚀性。

为实现上述目的，本发明采取以下具体技术方案：

一种等离子熔覆快速成形铁基合金，其合金成分范围为，质量百分比：C：0.05～0.15％、Ni：4～8％、Cr：10～15％、B：0.1～1％、Si：0.8～1.2％、Mo：0.8～1.2％、Nb：0.25～0.70％、混合RE：0.25～3.5％，余量为Fe。

本铁基合金粉末采用现有技术进行制备，即采用中频感应炉熔炼，并用气雾化法雾化制粉。粉末制备工艺如下：

(1)材料准备

将工业纯铁、工业硼铁、工业硅铁、工业铬铁、工业纯镍、工业纯钼等工业原料按比例称重，将工业铌铁、混合稀土按比例称重，用不锈钢铁皮包好制成中间包待用。

(2)熔炼

将准备好的炼粉原料放入中频感应炉，开始熔炼，待完全熔清后10分钟左右，放入中间包，再过5分钟出炉，开始气雾化。

(3)气雾化

采用高压氮气气雾化，根据所需粉末的粒度范围调节雾化压力，用粉末收集器收集雾化后的粉末，粉末应在真空状态下自然冷却。

(4)粉末筛分

按照所需要的粒度要求进行粉末筛分，粒度范围应控制在150目至325目为宜，将筛分后的合格粉末打包，即完成粉末制备。

本发明的优点及有益效果是：该合金粉末在快速成形等离子多层熔覆的情况下，具有良好的成形性和抗裂性，熔覆层组织韧性好，硬度适中，具有较好的力学性能，成本低廉，易于推广。

本发明合金多层熔覆层的组织为奥氏体+铁素体结构，因为铁素体相对于有害夹杂如P、S有更大的固溶度，大大减小原来有害夹杂物P、S在晶界处的偏析，从而减小由于夹杂偏析所造成的热裂倾向。同时铁素体相的分散存在可使奥氏体相的枝晶发展受到限制，从而起到一定的细化组织和打乱枝晶方向性的作用，并造成晶界面积的增大，夹杂分布也将更均匀分散。

本发明提出的以上成分的铁基合金粉末，特别适用于等离子熔覆快速成形的需要，其熔覆层的硬度、耐磨性适中，在多层熔覆条件下，产生开裂和其它熔覆缺陷的倾向小，熔覆工艺性能良好，粉末成本低。该粉末也可在等离子单层熔覆修复过程中，用于恢复工件尺寸，或者作为功能熔覆层前的打底层，能适用于更广泛的应用需要。

以上本发明内容部分已对本发明做了充分的说明，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，本实施方式仅是本发明最佳实施方式，并非对本发明的限定。

附图说明

图1是本合金熔覆层的X衍射图。

图2是本合金的差热分析DTA曲线。

图3是本合金等离子熔覆层扫描电镜图片

图4是本合金等离子多层熔覆制备12cm高筒形零件实物及加工后照片。

具体实施方式

实施例1

等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉末成分(重量％)如下：

C：0.1％、Ni：5％、Cr：10％、B：0.5％、Si：1％、Mo：0.8％、Nb：0.4％、混合稀土0.4％，余量为Fe。

本铁基合金粉末按如下方法制备：

首先将工业纯铁(Si0.025、Mn0.15、P0.01、S0.026、C0.002、余Fe)、工业硼铁(B18.24、Si0.82、C0.4、Al0.27)、工业硅铁(Si75.25、S0.018、C0.09、P0.03、Mn0.36、Cr0.27)、工业铬铁(Cr61、C0.15、Si1.2、P0.03、S0.03)、工业纯镍(Ni99.81、Co0.02、Si0.02、Fe0.032、C0.02、P0.003、S0.011、Cu0.05)、工业钼铁(Mo60.28、Si0.49、C0.059、P0.051、S0.092)按成分比例称重组成合金配料，放入中频感应炉中熔化，熔化过程中合金熔体表面加入硼砂和石英砂配成的渣料造渣，以减少合金成分的氧化烧损。合金熔清后，用不锈钢皮包裹并用铁丝捆扎的按比例称重的铌铁(Nb63.08、Si1.15、C0.09、P0.11、S0.054)及混合稀土(Ce 47wt％，La 26wt％，Nd 18wt％，Pr 5wt％)快速压入合金熔体内，然后迅速将合金熔体侄入雾化器中间包进行雾化制粉。雾化制粉用的雾化气体为工业纯氮气。将雾化制粉得到的合金粉末通过筛分，得到粒度为+325目～-150目的合金粉末，这些合金粉末即是所需的等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉。

实施例2：

等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉末成分(重量％)如下：

C：0.15％、Ni：6％、Cr15％、B0.8％、Si1.2％、Mo1.2％、Nb0.3％、混合稀土0.3％，余量为Fe。

制备方法同实施例1。

实施例3：

等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉末成分(重量％)如下：

C：0.05％、Ni：5％、Cr：12％、B：1％、Si0.8％、Mo：0.8％、Nb：0.5％、混合稀土0.5％，余量为Fe。

制备方法同实施例1。

实施例4：

等离子熔覆快速成形专用铁基合金粉末成分(重量％)如下：

C：0.15％、Ni：7％、Cr：12％、B：1％、Si：1.2％、Mo：0.8％、Nb：0.35％、混合稀土3.5％，余量为Fe。

制备方法同实施例1。

如图1所示，图1为实施例1制备的合金粉末等离子多层熔覆组织X衍射分析，衍射分析表明，熔覆层组织主要由γ(FeNi)固溶体和(FeCrNi)固溶体组成，FeCrNi固溶体为铁素体组织，本发明奥氏体+铁素体双相组织具有优良的抗裂敏感性。

以实施例1用气雾化法制备合金粉末及粉末等离子熔覆层性能测试结果如表1、表2所示。

表1快速成形铁基合金粉末物理性能

表2快速成形铁基合金粉末熔覆层性能

图2为实施例2制备的合金粉末差热分析结果由差热分析图，可以看出，粉末在1000℃左右开始产生明显的放热峰，直到1100℃左右，这个温度区间为粉末熔化温度区间。

图3为实施例3合金粉末等离子多层熔覆层组织(SEM)，由合金粉末等离子多层熔覆层扫描电镜图片可以看出，虽然局部表现为树枝晶结构，但组织的总体方向性已被打乱，没有发现夹杂、气孔、微裂纹等冶金缺陷。

图4为实施例4合金粉末等离子多层熔覆制备12cm高筒形零件实物及加工后照片。可以看出，对合金粉末多层熔覆试验表明，该合金材料具有良好的抗裂性，如附图4所示，为采用该粉末连续等离子熔覆制备筒形试件，用时5小时，筒形零件直径为5cm，高度12cm，整个熔覆过程中和熔覆后熔覆层均未产生裂纹冶金缺陷。采用Fe60合金粉末进行了上述同样的试验，结果表明，熔覆层高度为5cm左右就发生明显的脆性断裂。通过MM200摩擦磨损试验机对该粉末熔覆层进行了磨损性能测试，测试结果表明，该粉末熔覆层与普通碳钢(A3钢)的相对耐磨性为14.9，具有良好的耐磨性。

Claims

1.一种等离子熔覆快速成形铁基合金，其特征在于，其合金成分范围为，重量百分比：C：0.05～0.15％、Ni：4～8％、Cr：10～15％、B：0.1～1％、Si：0.8～1.2％、Mo：0.8～1.2％、Nb：0.25～0.70％、混合RE：0.25～3.5％，余量为Fe；所述混合RE成分组成为：Ce 47wt％、La 26wt％、Nd 18wt％、Pr 5wt％。