CN101942593A - 合金粉末、球墨铸铁表面激光合金化涂料及激光合金化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金粉末，同时还公开了一种用于球墨铸铁表面激光合金化的涂料和球墨铸铁表面激光合金化方法。其中，合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C30%～35%，Fe15%～20%，Si15%～20%，Ti10%～15%，Cr5%～10%，Al5%～10%，Co4%～7%，Ni1%～3%，W3%～6%。本发明制得的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层，组织致密，具有亚微米陶瓷细晶结构，深度可达1.4mm，具有优异的抗摩擦磨损性能，其耐磨性是基材球墨铸铁的8倍。

Description

合金粉末、球墨铸铁表面激光合金化涂料及激光合金化方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种合金粉末，同时还涉及一种用于球墨铸铁表面激光合金化的涂料和球墨铸铁表面激光合金化方法。

背景技术

磨损是工程构件三种主要的失效形式之一，磨损来源于摩擦，世界上约有一半的能源消耗在克服机械零件对偶表面相互作用的摩擦上。据不完全统计，我国每年因磨损造成的损失高达数十亿元，解决材料的磨损问题是十分重要的。磨损一般是从材料表面开始的，因此对材料表面进行改性处理，以提高其表面的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能是减少磨损损失行之有效的方法。激光表面合金化技术是通过把需要合金化的物质直接或间接的结合到基体材料表面，然后在高能激光束的辐照下使得基材表面薄层和合金化物质一起快速熔化、混合，熔化层在极短的时间内形成一定厚度和化学成分的新表面合金层。激光表面合金化作为一种新型的激光表面改性技术，因其具有能量作用集中、热影响区小、合金化层组织细小致密、提高其硬度及耐磨性、耐蚀性、易实现自动化等特点，拥有广阔的市场前景。目前，钢铁表面的激光合金化技术虽然已经起步，但现有技术水平较低，尤其在陶瓷硬质相的选择、激光扫描参数控制方面需进一步研究和提高。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种合金粉末。

本发明的目的之二是提供一种球墨铸铁表面激光合金化涂料。

本发明的目的之三是提供一种球墨铸铁表面激光合金化方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种合金粉末，由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%，Fe 15%～20%，Si 15%～20%，Ti 10%～15%，Cr 5%～10%，Al 5%～10%，Co 4%～7%，Ni 1%～3%，W 3%～6%。

一种球墨铸铁表面激光合金化涂料，由合金粉末和陶瓷硬质相组成，所述合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%、Fe 15%～20%、Si 15%～20%、Ti 10%～15%、Cr 5%～10%、Al 5%～10%、Co 4%～7%、Ni 1%～3%、W 3%～6%，所述陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，所述WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的3%～6%，所述TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的10%～15%。

一种球墨铸铁表面激光合金化方法，包括以下步骤：

（1）将合金粉末和陶瓷硬质相混合，制得球墨铸铁表面激光合金化涂料，研磨所述涂料至分散均匀且平均粒径≤2μm，之后干燥、碾碎，用粘结剂调制成膏状物，备用； 

（2）将所述膏状物均匀涂覆于预处理后的球墨铸铁基体表面，涂覆厚度为0.3mm～0.4mm，晾干；

（3）对涂有所述膏状物的球墨铸铁基体表面进行激光扫描，激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为700～1000mm/min，得到球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

进一步地，所述球墨铸铁表面激光合金化涂料由合金粉末和陶瓷硬质相混合制得，所述合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%、Fe 15%～20%、Si 15%～20%、Ti 10%～15%、Cr 5%～10%、Al 5%～10%、Co 4%～7%、Ni 1%～3%、W 3%～6%，所述陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，所述WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的3%～6%，所述TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的10%～15%。

所述粘结剂为改性聚醋酸乙烯酯溶液。

所述预处理是对球墨铸铁基体表面进行打磨、清洗、吹干处理。

在球墨铸铁表面激光合金化技术中，陶瓷硬质相的选择是一个重要因素。目前采用较多的陶瓷硬质相是WC，TiC由于与铸铁的润湿性不好及容易被烧损等问题，引入作为陶瓷硬质相的难度较大，目前大多采用传统的原位合成法来引入TiC陶瓷硬质相。原位合成法的缺点是生成的TiC颗粒大小不易控制，会影响强化效果，且在生成TiC的过程中还会产生少量的Fe₂Ti、Fe₃Ti 等有害化合物。本发明在科学的合金粉末组成的基础上，引入亚微米级WC、TiC作为陶瓷硬质相，利用元素间的相互作用和元素与基体之间的反应，直接将TiC 引入到球墨铸铁的表面以达到强化目的，从而既合理利用了TiC的优异的强化性质，又避免了传统的原位合成法的缺点，达到了提高引入效率和强化效果的目的。

同时，激光扫描速度和参数的控制对激光合金化层的质量和性能有较大影响。扫描速度过慢，单位时间内作用在工件表面的能量过高，会导致大量合金元素的烧损，且扫描速度慢，冷却速度也慢，不利于晶粒的细化，会使晶粒迅速长大，形成脆性相。若激光扫描速度过高，有可能导致工件表面与激光作用时间太短，以致涂层材料和基材熔化不够，合金元素不能充分渗入基体，达不到合金化目的。在本发明中激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为700～1000mm/min，得到了质量好、性能优良的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

另外，在本发明中合金粉末和陶瓷硬质相混合后，再经研磨，二者分散均匀且平均粒径≤2μm，因此制备的膏状涂料的弥散性好，长时间不沉积，便于携带，使用方便，涂层厚度容易控制，制得的合金化层更为均匀，且灵活性高，适用于使用粉末进行激光合金化所无法完成的不规整表面。膏状涂料的制备方法简单，成本低廉，既可少量配制，也可大批量生产。

采用本发明方法制得的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层，组织致密，具有亚微米陶瓷细晶结构，深度可达1.4mm，具有优异的抗摩擦磨损性能，其耐磨性是基材球墨铸铁的8倍。本发明在价格便宜、表面性能不够优越的球墨铸铁基材表面制备出了耐磨的表面合金层，可以用这种表面激光合金化的球墨铸铁代替某些昂贵的整体合金，扩大了球墨铸铁的使用范围，同时大幅度降低了成本，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为实施例1中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的组织分析图；

图2为实施例1中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的物相分析图，其中1表示γ-Fe，2表示Fe₃C，3表示Fe₇C₃，4表示Fe_1.34Si_0.66，5表示CrFe₃Si，6表示C_0.055Fe_1.945，7表示W₃Cr₁₂Si₅，8表示Cr_2.2Ti_0.8Si，9表示Fe₆W₆C，10表示TiC，11表示C_0.12Fe_1.88，12表示WC，13表示Ti₈C₅；

图3为实施例2中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的组织分析图；

图4为实施例2中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的物相分析图，其中1表示γ-Fe，2表示Fe₃C，3表示Fe₇C₃，4表示Fe_1.34Si_0.66，5表示CrFe₃Si，6表示C_0.055Fe_1.945，7表示W₃Cr₁₂Si₅，8表示Cr_2.2Ti_0.8Si，9表示Fe₆W₆C，10表示TiC，11表示C_0.12Fe_1.88，12表示WC，13表示Ti₈C₅；

图5为实施例3中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的组织分析图；

图6为实施例3中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的合金化区的物相分析图，其中1表示γ-Fe，2表示Fe₃C，3表示Fe₇C₃，4表示Fe_1.34Si_0.66，5表示CrFe₃Si，6表示C_0.055Fe_1.945，7表示W₃Cr₁₂Si₅，8表示Cr_2.2Ti_0.8Si，9表示Fe₆W₆C，10表示TiC，11表示C_0.12Fe_1.88，12表示WC，13表示Ti₈C₅；

图7为实施例1～实施例3中得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的硬度分析图，其中“●”所示曲线代表实施例1，“▲”所示曲线代表实施例2，“▼”所示曲线代表实施例3。

具体实施方式

实施例1

合金粉末：由以下重量百分含量的组分组成：C 35%，Fe 20%，Si 15%，Ti 10%，Cr 5%，Al 5%，Co 4%，Ni 3%，W 3%。

球墨铸铁表面激光合金化涂料：由合金粉末和陶瓷硬质相组成，其中合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 35%、Fe 20%、Si 15%、Ti 10%、Cr 5%、Al 5%、Co 4%、Ni 3%、W 3%，陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的6%，TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的10%。

球墨铸铁表面激光合金化方法，包括以下步骤：

（1）将上述球墨铸铁表面激光合金化涂料置于QM-ISP4 型球磨机中，用丙酮作为研磨剂，用玛瑙磨球研磨36小时，使之分散均匀且平均粒径≤2μm，之后取出干燥并用研钵碾碎，用改性聚醋酸乙烯酯溶液作为粘结剂调制成膏状物，备用，改性聚醋酸乙烯酯溶液购自南通生达化工有限公司；

（2）将步骤（1）调制好的膏状物均匀涂覆于预处理后的球墨铸铁基体表面，涂覆厚度为0.3mm，晾干，其中预处理是指对球墨铸铁基体表面进行打磨、清洗、吹干处理；

（3）对涂有膏状物的球墨铸铁基体表面进行激光扫描，采用国产400W Nd:YAG固体激光器，激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为700mm/min，得到球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

实施例2

合金粉末：由以下重量百分含量的组分组成：C 30%，Fe 15%，Si 15%，Ti 12%，Cr 8%，Al 8%，Co 6%，Ni 1%，W 5%。

球墨铸铁表面激光合金化涂料：由合金粉末和陶瓷硬质相组成，其中合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%、Fe 15%、Si 15%、Ti 12%、Cr 8%、Al 8%、Co 6%、Ni 1%、W 5%，陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的5%，TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的15%。

球墨铸铁表面激光合金化方法，包括以下步骤：

（1）将上述球墨铸铁表面激光合金化涂料置于QM-ISP4型球磨机中，用丙酮作为研磨剂，用玛瑙磨球研磨36小时，使之分散均匀且平均粒径≤2μm，之后取出干燥并用研钵碾碎，用改性聚醋酸乙烯酯溶液作为粘结剂调制成膏状物，备用，改性聚醋酸乙烯酯溶液购自南通生达化工有限公司；

（2）将步骤（1）调制好的膏状物均匀涂覆于预处理后的球墨铸铁基体表面，涂覆厚度为0.4mm，晾干，其中预处理是指对球墨铸铁基体表面进行打磨、清洗、吹干处理；

（3）对涂有膏状物的球墨铸铁基体表面进行激光扫描，采用国产400W Nd:YAG固体激光器，激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为1000mm/min，得到球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

实施例3

合金粉末：由以下重量百分含量的组分组成：C 30%，Fe 15%，Si 20%，Ti 10%，Cr 10%，Al 5%，Co 4%，Ni 3%，W 3%。

球墨铸铁表面激光合金化涂料：由合金粉末和陶瓷硬质相组成，其中合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%、Fe 15%、Si 20%、Ti 10%、Cr 10%、Al 5%、Co 4%、Ni 3%、W 3%，陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的3%，TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的12%。

球墨铸铁表面激光合金化方法，包括以下步骤：

（1）将上述球墨铸铁表面激光合金化涂料置于QM-ISP4 型球磨机中，用丙酮作为研磨剂，用玛瑙磨球研磨36小时，使之分散均匀且平均粒径≤2μm，之后取出干燥并用研钵碾碎，用改性聚醋酸乙烯酯溶液作为粘结剂调制成膏状物，备用，改性聚醋酸乙烯酯溶液购自南通生达化工有限公司；

（2）将步骤（1）调制好的膏状物均匀涂覆于预处理后的球墨铸铁基体表面，涂覆厚度为0.4mm，晾干，其中预处理是指对球墨铸铁基体表面进行打磨、清洗、吹干处理；

（3）对涂有膏状物的球墨铸铁基体表面进行激光扫描，采用国产400W Nd:YAG固体激光器，激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为800mm/min，得到球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

实施例1、实施例2、实施例3得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层合金化区的组织及物相分析图分别见图1～图6所示。实施例1、实施例2、实施例3得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的硬度分析图见图7所示。实施例1得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的厚度为1.38mm，平均硬度为1017HV_0.2，实施例2得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的厚度为1.41mm，平均硬度为1098HV_0.2，实施例3得到的球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层的厚度为1.41mm，平均硬度为1136HV_0.2。

Claims (6)

1.一种合金粉末，其特征在于：由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%，Fe 15%～20%，Si 15%～20%，Ti 10%～15%，Cr 5%～10%，Al 5%～10%，Co 4%～7%，Ni 1%～3%，W 3%～6%。

2.一种球墨铸铁表面激光合金化涂料，其特征在于：由合金粉末和陶瓷硬质相组成，所述合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%、Fe 15%～20%、Si 15%～20%、Ti 10%～15%、Cr 5%～10%、Al 5%～10%、Co 4%～7%、Ni 1%～3%、W 3%～6%，所述陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，所述WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的3%～6%，所述TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的10%～15%。

3.一种球墨铸铁表面激光合金化方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将合金粉末和陶瓷硬质相混合，制得球墨铸铁表面激光合金化涂料，研磨所述涂料至分散均匀且平均粒径≤2μm，之后干燥、碾碎，用粘结剂调制成膏状物，备用； 

（2）将所述膏状物均匀涂覆于预处理后的球墨铸铁基体表面，涂覆厚度为0.3mm～0.4mm，晾干；

（3）对涂有所述膏状物的球墨铸铁基体表面进行激光扫描，激光功率为300w，光斑直径为2mm，扫描速度为700～1000mm/min，得到球墨铸铁表面激光亚微米陶瓷合金化层。

4.根据权利要求3所述的球墨铸铁表面激光合金化方法，其特征在于：所述球墨铸铁表面激光合金化涂料由合金粉末和陶瓷硬质相混合制得，所述合金粉末由以下重量百分含量的组分组成：C 30%～35%、Fe 15%～20%、Si 15%～20%、Ti 10%～15%、Cr 5%～10%、Al 5%～10%、Co 4%～7%、Ni 1%～3%、W 3%～6%，所述陶瓷硬质相为WC和TiC的混合物，所述WC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的3%～6%，所述TiC的重量为合金粉末和陶瓷硬质相总重量的10%～15%。

5.根据权利要求3所述的球墨铸铁表面激光合金化方法，其特征在于：所述粘结剂为改性聚醋酸乙烯酯溶液。

6.根据权利要求3所述的球墨铸铁表面激光合金化方法，其特征在于：所述预处理是对球墨铸铁基体表面进行打磨、清洗、吹干处理。

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