CN102912240B

CN102912240B - 激光熔覆制备高硼抗磨合金方法

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Publication number: CN102912240B
Application number: CN201210414826.3A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 李庆棠; 刘建伟; 魏永强; 雷永平; 马胜强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: JIANGSU DEXING DIGITAL TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102912240A

Abstract

一种激光熔覆制备高硼抗磨合金方法，属于表面处理技术领域。先用质量分数32~35%的硼铁、15~18%的高碳铬铁、49~52%的Q235废钢和0.6~0.8%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，经铸造凝固、破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料。然后将质量分数分别为86.5~88.0%的Fe-B-Cr粉料，1.8~2.4%的B4C粉、0.25~0.40%的稀土镁合金粉、0.6~0.9%的镍粉、0.65~0.90%的硅钡钙合金粉和7.8~9.2%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在钢板表面进行激光熔覆处理，获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层。

Description

激光熔覆制备高硼抗磨合金方法

技术领域

本发明涉及一种高硼合金制备方法，特别涉及一种激光熔覆制备高硼抗磨合金方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

高硼抗磨合金具有优异的耐磨性，在耐磨材料领域获得了广泛应用。中国发明专利CN101240404公开了一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。高碳高硼耐磨合金的主要成分为：C：1.0-1.8％，B：3.8-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Ni：0.3-1.0％，Cr：0.3-2.0％，Mn：0.5-1.0％，Si：0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。制备工艺：用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；预先在浇包中放入占合金液重量0.2-0.8％的变质剂，对合金液进行变质处理，然后出炉浇注，出炉温度1540-1600℃，浇注温度1420-1480℃；冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。该发明具有耐磨性好，成本低，生产工艺简单，可大量推广应用于各种耐磨件。中国发明专利CN1624180还公开了高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法，其化学成分是(重量％)：0.15～0.70C，0.3～1.9B，0.3～0.8Cr，0.4～0.8Si，0.6～1.3Mn，0.05～0.20Ce，0.02～0.10La，0.005～0.018Ca，0.04～0.18K，0.08～0.25Al，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe；它的热处理方法是：珠光体化预处理、淬火和回火，珠光体化预处理加热温度760～820℃，炉冷至小于500℃后炉冷或空冷；淬火加热温度为960～1050℃，随后以冷却速度不小于5℃/min快速冷却，回火加热温度为180～400℃，随后炉冷或空冷；该发明的优点是大幅度提高了合金耐磨性、大幅度减少了铬合金加入量、生产成本显著降低、生产工艺简单、设备通用性强、其综合性能优于常用的高锰钢、高铬铸铁和低合金钢，具有极高的性能价格比。中国发明专利CN100999803还公开了一种高硼耐磨铸钢及其制备方法，其化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。其制备方法采用电炉熔炼，钢水熔清后加入锰铁和硼铁，然后加入铝脱氧，而后出炉。用钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质对钢水进行复合变质处理，经高温奥氏体化后快速冷却，随后进行低温回火消除应力。其生产工艺简单，不需添加贵重合金元素，生产成本低。使用该发明可显著提高设备作业率，降低破、磨备件成本，减轻工人劳动强度，具有很好的经济和社会效益。中国发明专利CN101851729A还公开了一种强韧耐磨高硼钢的制备方法，是首先对合金液进行变质处理，再在电磁搅拌下进行浇铸成型。该发明通过变质处理和在电磁搅拌下进行浇铸成型的复合处理，可以获得晶粒非常细化的组织，可将现有技术难以消除的晶界连续分布的Fe₂B共晶组织进一步击碎，使网状的Fe₂B相的连续分布被中断，Fe₂B相均匀弥散分布在基体中，从而实现了在材料硬度保持不变或略有提高的情况下，大大提高了材料的冲击韧性，制得了具有优异的强韧耐磨性的高硼Fe-B-C合金材料，成功地消除了高硼Fe-B-C合金所存在的“硼脆”现象。但是，铸造高硼抗磨合金材料存在硼化物粗大和脆性大，使用安全性差等不足。

为了提高材料的耐磨性和使用的安全性，激光表面处理是一种非常有效和实用的方法。中国发明专利CN1418983公开了一种中碳钢、中碳合金钢表面激光熔覆方法，该方法依序以如下步骤进行：坯料→锻造→机械加工→热处理→机械加工→激光熔覆→机械加工；该方法所用的坯料为中碳钢或中碳合金钢，激光熔覆所用的熔覆材料为Ni-WC或CO-合金或CO-Cr-WC；激光熔覆的工艺条件为：激光器输出功率3.5～4.0kw；激光束斑尺寸(25-30)×2mm2；离焦量40～48mm；激光束的扫描回转半径100～130mm、线速度2.1～4mm/s、角速度3°/s；熔覆材料送粉率400～450mg/s；采用该发明之法对中碳钢或中碳合金钢进行表面熔覆加工，在加工过程中基体不会开裂，熔覆层不会有裂纹，所制成的模具使用寿命比现有模具提高5～8倍。中国发明专利CN1456707还公开了一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层材料及涂层制备方法，以Ni、Al及微量合金元素粉末B、Zr组成的涂层合金与WC粉末均匀混合作为涂层材料；涂层合金中Al占22-25原子％，B为0.09～0.11原子％，Zr为0.9～1.1原子％，其余为Ni；WC颗粒占涂层总量的50-65重量％；在激光熔覆过程中，Ni、Al通过自生反应生成以Ni3Al金属间化合物为基的组织，碳化物弥散分布于其中。涂层方法为：在涂层材料，加入酒精球磨混合、烘干，通过热喷涂获得0.5-0.8mm厚预制涂层；然后进行激光处理，得到激光熔覆层。该发明的优点在于：涂层材料晶粒细小、成分均匀；熔覆层硬度高，耐磨性和热疲劳性能优良。中国发明专利CN1081721还公开了一种在金属表面激光熔覆耐磨层的方法。该工艺采用粒度为0.5~1.2mm（或500~1200μm)的烧结碳化钨颗粒作为硬质相，Fe基、Ni基或Co基自熔合金作为粘结相，利用大功率CO₂激光器作为热源，将粗颗粒碳化钨金属陶瓷层涂覆于金属表面，其中，碳化钨的重量百分比不小于50%。该工艺的特点是：碳化钨颗粒在涂层中分布均匀且基本无烧损，从而保持其原有高硬度和高耐磨性，激光熔覆粗颗粒碳化钨金属陶瓷层的方法可应用于磨粒磨损很高的工况，例如矿山、石油、农机的采掘工具等。中国发明专利CN1351919还公开了激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备及熔覆方法，其专用设备包括有带有三爪卡盘2的轧辊轮坯转台1、固定在三爪卡盘2上的芯轴3、预加热固定在芯轴3上的轧辊轮坯14的预热炉15、置于预热炉顶部的专用防激光辐射保护窗口6、通过预热炉上部的热电偶测温孔11置入炉内的热电偶12、及电子控温装置9、激光工作装置和分体式送粉装置。熔覆方法特征在于在钢基轮坯的弧形曲面上填充金属粉末，采用激光熔覆办法制造轧辊工作层，轮坯表面每个轧道熔覆2－5层，每层11－15道搭接，层与层间的搭接面积为40－60％，熔覆速度通过轧辊轮坯转台设置为360－720°/min。使用该发明制造的线材轧辊，解决了贵重金属的浪费问题，使轧辊的制造成本明显降低。中国发明专利CN1202534还公开了一种金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。用本发明的方法制备的激光熔覆陶瓷涂层，涂层内部致密、无孔隙和裂纹等缺陷，涂层厚度可达几百微米。

发明内容

目前激光熔覆所获得的耐磨涂层仍存在贵重合金元素加入量较多和涂层硬度低、耐磨性差等不足，本发明目的是利用光纤激光器，在中、低碳钢板表面，激光熔覆制备出硬度高、耐磨性好、贵重合金元素加入量少的高硼抗磨合金涂层。本发明熔覆涂层的主要合金元素是硼，另外还含有一定数量的其他合金元素，确保激光熔覆高硼抗磨合金涂层具有良好的综合性能。

本发明目的可以通过以下方法实现。

激光熔覆制备高硼抗磨合金方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、先用质量分数32~35%的硼铁、15~18%的高碳铬铁、49~52%的Q235废钢和0.6~0.8%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为（60~80mm）×（60~80mm）×（100~120mm）的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料；

（2）、然后将质量分数分别为86.5~88.0%的步骤（1）制备的Fe-B-Cr粉料，1.8~2.4%的B4C粉、0.25~0.40%的稀土镁合金粉、0.6~0.9%的镍粉、0.65~0.90%的硅钡钙合金粉和7.8~9.2%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在中、低碳钢板表面进行激光熔覆处理；送粉速度为20~25g/min，激光功率为3.0~4.5KW，扫描速度为8~10mm/s，熔覆层数为3~5层，最后获得表面无裂纹、无夹杂和无气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层。

本发明以硼、铬为主要合金元素，主要是为了在高硼合金中得到较多的硬质耐磨相Fe₂B和Cr₇(B,C)₃，从而提高高硼合金的硬度和耐磨性。为了确保激光熔覆层的质量，并降低激光熔覆制备高硼抗磨合金的成本，本发明的硼和铬先采用质量分数32~35%的硼铁、15~18%的高碳铬铁、49~52%的Q235废钢和0.6~0.8%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为60~80mm×60~80mm×100~120mm的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料。另外，为了获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层，还在激光的熔覆粉料中，加入了质量分数0.25~0.40%的稀土镁合金粉、0.6~0.9%的镍粉、0.65~0.90%的硅钡钙合金粉和7.8~9.2%的纯铁粉，可以确保激光熔覆高硼抗磨合金层的质量。

本发明硼铁的化学组成质量分数%：19~21B,<0.5C,<2.0Si,<0.03S,<0.1P，Fe余量。

本发明高碳铬铁的化学组成质量分数%：60~65Cr，6.8~7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量。

本发明Q235废钢的化学组成质量分数%：0.14~0.22C，0.30~0.65Mn，Si≤0.30，S≤0.050，P≤0.045，Fe余量。

本发明稀土镁合金的化学组成质量分数%：8.0~10.0RE,Ce/RE≥46,8.0~10.0Mg,1.0~3.0Ca,≤44.0Si,≤2.0Mn,≤1.0Ti,≤1.2MgO,Fe余量。

本发明硅钡钙合金的化学组成质量分数%：45.0~50.0Si,15.0~18.0Ba,10.0~13.0Ca,C<0.40,P<0.05,S<0.05,Fe余量。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：

（1）本发明制备的高硼抗磨合金激光熔覆层，表面无裂纹、夹杂和气孔，且表面平整。

（2）本发明制备高硼抗磨合金激光熔覆层，工艺简便、稳定性好。

（3）本发明制备的高硼抗磨合金激光熔覆层，贵重合金元素加入量少，制备成本低。

（4）本发明制备高硼抗磨合金激光熔覆层具有硬度高，耐磨性好等特点，其室温硬度达到63-65HRC，相同磨损条件下，其耐磨性比采用Fe901熔覆粉末（Fe901熔覆粉末的化学组成质量分数%：0.15C,13.6Cr,1.62B,1.15Si,Fe余量）制备的铬-硼合金激光熔覆层提高45%以上。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

1、先用质量分数32%的硼铁（硼铁的化学组成质量分数%：19~21B,<0.5C,<2.0Si,<0.03S,<0.1P，Fe余量）、18%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学组成质量分数%：60~65Cr，6.8~7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量）、49.4%的Q235废钢（Q235废钢的化学组成质量分数%：0.14~0.22C，0.30~0.65Mn，Si≤0.30，S≤0.050，P≤0.045，Fe余量）和0.6%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为60~80mm×60~80mm×100~120mm的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料。

2、然后将颗粒尺寸均为50~80μm、质量分数分别为88.0%的Fe-B-Cr粉料，1.8%的B4C粉、0.40%的稀土镁合金粉（稀土镁合金的化学组成质量分数%：8.0~10.0RE,Ce/RE≥46,8.0~10.0Mg,1.0~3.0Ca,≤44.0Si,≤2.0Mn,≤1.0Ti,≤1.2MgO,Fe余量）、0.6%的镍粉、0.65%的硅钡钙合金粉（硅钡钙合金的化学组成质量分数%：45.0~50.0Si,15.0~18.0Ba,10.0~13.0Ca,C<0.40,P<0.05,S<0.05,Fe余量）和8.55%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在中碳钢板表面进行激光熔覆处理。送粉速度为25g/min，激光功率为4.5KW，扫描速度为10mm/s，熔覆层数为3层。最后获得硬度达到63.8HRC，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层。

实施例2：

1、先用质量分数35%的硼铁（硼铁的化学组成质量分数%：19~21B,<0.5C,<2.0Si,<0.03S,<0.1P，Fe余量）、15%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学组成质量分数%：60~65Cr，6.8~7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量）、49.2%的Q235废钢（Q235废钢的化学组成质量分数%：0.14~0.22C，0.30~0.65Mn，Si≤0.30，S≤0.050，P≤0.045，Fe余量）和0.8%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为60~80mm×60~80mm×100~120mm的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料。

2、然后将颗粒尺寸均为50~80μm、质量分数分别为86.5%的Fe-B-Cr粉料，2.4%的B4C粉、0.25%的稀土镁合金粉（稀土镁合金的化学组成质量分数%：8.0~10.0RE,Ce/RE≥46,8.0~10.0Mg,1.0~3.0Ca,≤44.0Si,≤2.0Mn,≤1.0Ti,≤1.2MgO,Fe余量）、0.9%的镍粉、0.90%的硅钡钙合金粉（硅钡钙合金的化学组成质量分数%：45.0~50.0Si,15.0~18.0Ba,10.0~13.0Ca,C<0.40,P<0.05,S<0.05,Fe余量）和9.05%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在中碳钢板表面进行激光熔覆处理。送粉速度为20g/min，激光功率为3.0KW，扫描速度为8mm/s，熔覆层数为5层。最后获得硬度达到64.7HRC，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层。

实施例3：

1、先用质量分数33%的硼铁（硼铁的化学组成质量分数%：19~21B,<0.5C,<2.0Si,<0.03S,<0.1P，Fe余量）、16%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学组成质量分数%：60~65Cr，6.8~7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量）、50.3%的Q235废钢（Q235废钢的化学组成质量分数%：0.14~0.22C，0.30~0.65Mn，Si≤0.30，S≤0.050，P≤0.045，Fe余量）和0.7%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为60~80mm×60~80mm×100~120mm的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50~80μm的Fe-B-Cr粉料。

2、然后将颗粒尺寸均为50~80μm、质量分数分别为87.0%的Fe-B-Cr粉料，2.0%的B4C粉、0.30%的稀土镁合金粉（稀土镁合金的化学组成质量分数%：8.0~10.0RE,Ce/RE≥46,8.0~10.0Mg,1.0~3.0Ca,≤44.0Si,≤2.0Mn,≤1.0Ti,≤1.2MgO,Fe余量）、0.8%的镍粉、0.80%的硅钡钙合金粉（硅钡钙合金的化学组成质量分数%：45.0~50.0Si,15.0~18.0Ba,10.0~13.0Ca,C<0.40,P<0.05,S<0.05,Fe余量）和9.1%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在低碳钢板表面进行激光熔覆处理。送粉速度为22g/min，激光功率为4.0KW，扫描速度为9mm/s，熔覆层数为4层。最后获得硬度达到64.2HRC，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层。

本发明制备的高硼抗磨合金激光熔覆层，硬度高，表面无裂纹、夹杂和气孔，且表面平整。在以20～40目的石英砂作为磨料，用湿橡胶轮式磨损试验机做磨损试验，磨损试验参数为：胶轮旋转频率240r/min，胶轮直径150mm，胶轮表面压力1.5MPa，磨损时间10min，磨损前后用分析天平测量出磨损试件的重量，计算磨损后的失重量。相同磨损条件下，本发明制备的高硼抗磨合金激光熔覆层，比采用Fe901熔覆粉末（Fe901熔覆粉末的化学组成质量分数%：0.15C,13.6Cr,1.62B,1.15Si,Fe余量）制备的铬-硼合金激光熔覆层，磨损量减少45%以上，耐磨性提高45%以上。本发明制备的高硼抗磨合金激光熔覆层，贵重合金元素加入量少，制备成本较低，推广应用具有很好的经济效益。

Claims

1.激光熔覆制备高硼抗磨合金方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、先用质量分数32～35%的硼铁、15～18%的高碳铬铁、49～52%的Q235废钢和0.6～0.8%的金属铝，在电炉内混合加热熔化，然后浇注成尺寸为（60～80mm）×（60～80mm）×（100～120mm）的Fe-B-Cr块料，并将上述Fe-B-Cr块料依次在破碎机和球磨机里，经破碎和球磨后，得到50～80μm的Fe-B-Cr粉料；

（2）、然后将质量分数分别为86.5～88.0%的步骤（1）制备的Fe-B-Cr粉料，1.8～2.4%的B₄C粉、0.25～0.40%的稀土镁合金粉、0.6～0.9%的镍粉、0.65～0.90%的硅钡钙合金粉和7.8～9.2%的纯铁粉混合均匀后，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在中、低碳钢板表面进行激光熔覆处理；送粉速度为20～25g/min，激光功率为3.0～4.5KW，扫描速度为8～10mm/s，熔覆层数为3～5层，最后获得表面无裂纹、无夹杂和无气孔以及表面平整的高硼抗磨合金激光熔覆层；

硼铁的化学组成质量分数%：19～21B,<0.5C,<2.0Si,<0.03S,<0.1P,Fe余量；

高碳铬铁的化学组成质量分数%：60～65Cr，6.8～7.5C，≤3.0Si,≤0.05S，≤0.06P，Fe余量；

Q235废钢的化学组成质量分数%：0.14～0.22C，0.30～0.65Mn，Si≤0.30，S≤0.050，P≤0.045，Fe余量；

稀土镁合金的化学组成质量分数%：8.0～10.0RE,Ce/RE≥46,8.0～10.0Mg,1.0～3.0Ca,≤44.0Si,≤2.0Mn,≤1.0Ti,≤1.2MgO,Fe余量；

硅钡钙合金的化学组成质量分数%：45.0～50.0Si,15.0～18.0Ba,10.0～13.0Ca,C<0.40,P<0.05,S<0.05,Fe余量。

2.按照权利要求1的方法制备得到的高硼抗磨合金。