CN103042317B

CN103042317B - 一种铁基无磁熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法

Info

Publication number: CN103042317B
Application number: CN201210589955.6A
Authority: CN
Inventors: 周正; 贺定勇; 姚海华; 蒋建敏; 赵秋颖; 崔丽; 王智慧; 李晓延
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103042317A

Abstract

一种铁基无磁熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法，属于表面涂层领域。粉末包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼，元素成分如下：Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si:0.1-1.5wt.%;Mn:0-15wt.%，Fe:余量。采用等离子弧堆焊工艺制备Fe基多元合金熔覆层，本发明制备的熔覆层具有无磁性，同时硬度高、产生开裂和其他熔覆缺陷的倾向小。

Description

一种铁基无磁熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法

技术领域

本发明属于表面涂层领域，具体涉及一种铁基无磁熔覆层用的多元合金粉末材料及熔覆层制备方法。

背景技术

在矿山开采、油气钻探等工业领域，定向勘探技术是掘进系统中必不可少的重要组成部分，苛刻的服役条件不仅要求相应机械零部件具备优异的耐磨和抗蚀性能，同时还要满足定向勘探中对材料无磁性能的要求。目前，此类结构部件一般采用磁导率较低的奥氏体不锈钢、无磁钢、无磁硬质合金、铝合金、钛合金或铜合金等无磁材质制造，但在恶劣的勘探工况环境中其服役寿命受到了严重制约。采用适宜的表面处理技术，在奥氏体不锈钢等无磁材质零部件的表面制备一层无磁防护涂层，被认为是解决此类部件磨损和腐蚀问题，并实现表面强化和修复相结合的最为经济、有效的技术措施之一。

目前，广泛应用的无磁涂层材料主要是以Ni基合金为主，一种是无添加硬质相的NiCrMo基合金粉末材料，另一种是引入陶瓷硬质相（主要是WC）的WC-Ni基无磁粉末材料。尽管WC-Ni熔覆材料在实际工程中得到了较好的应用，但由于其主要组元Ni属于稀缺金属，以至使用成本较高，且WC相在涂层制备过程中易发生分解形成具有铁磁性的新相进而影响涂层整体的磁性能，因此开发低成本、高性能的Fe基无磁熔覆层替代材料已成为近年来该领域研究的热点问题之一。

在涂层制备方法中，通过高能量等离子弧为热源进行的等离子弧堆焊技术（Plasma transferred arc-welding,PTAW）具有稀释率小、微观缺陷少、涂层与基体冶金结合等特点，是制备高性能无磁涂层的经济有效方法之一。

经检索，目前并无采用等离子弧堆焊方法（PTAW）制备铁基合金无磁熔覆层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无添加硬质相的高硬度铁基无磁熔覆层用多元合金粉末及熔覆层制备方法。

一种铁基无磁熔覆层用合金粉末材料，其特征在于：合金粉末材料主要包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼，上述合金粉末粒度均在75μm-150μm；合金粉末中元素成分质量百分含量范围如下：Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si:0.1-1.5wt.%;Mn:0-15wt.%，Fe及不可避免的杂质:余量。

优选所述铁基熔覆层用的合金粉末的元素质量百分含量为：Cr:6-18wt.%；Mo:15-27wt.%；C:1.5-3.8wt.%；B:0.5-2.8wt.%；Si:0.3-1.2wt.%，Mn:0.5-13wt.%;Fe及不可避免的杂质:余量。

进一步优选所述铁基熔覆层用的合金粉末的元素质量百分比为：Cr:6-16wt.%；Mo:16-25wt.%；C:1.8-3.6wt.%；B:0.8-2.5wt.%；Si:0.4-1wt.%，Mn:0.5-10wt.%;Fe及不可避免的杂质:余量。

采用本发明上述多元合金粉末材料制备一种无添加硬质相的高硬度铁基无磁熔覆层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选用工业级金属、合金和陶瓷粉末，包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼等，将其进行筛分并机械混合，最终获得粒度均在75μm-150μm的合金粉末，合金粉末中元素成分的质量百分含量为Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si:0.1-1.5wt.%;Mn:0-15wt.%，Fe及不可避免的杂质:余量；

步骤2、对基体表面进行预处理去除表面氧化膜；

优选为：基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化去除表面氧化膜；

步骤3、将步骤1粉末采用等离子弧堆焊工艺制备Fe基多元合金熔覆层，堆焊工艺参数为：转移弧电压28-33V；转移弧电流70-95A；喷涂距离10-15mm；离子气、送粉气和保护气均为Ar气，其中，离子气流量:4-4.5L/h；送粉气流量:4-4.5L/h；保护气流量:6.5-7L/h；送粉电压：5.5-6.5V。

对步骤3所述喷涂工艺进行优化，堆焊工艺参数设定为：转移弧电压29-31V；转移弧电流80-90A；喷涂距离12-14mm；离子气、送粉气和保护气均为Ar气，其中，离子气流量:4-4.5L/h；送粉气流量:4-4.5L/h；保护气流量:6.5-7L/h；送粉电压：5.8-6.5V。

本发明所述方法制备的一种铁基高硬度无磁熔覆层所具有的无磁性与高硬度是其自身组分所决定的。其作用为：

Cr：不仅可以提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性，而且是固溶强化和碳化物形成元素，可产生固溶强化，铬含量增加，合金中硬质相增加，合金相对耐磨性及耐腐蚀性能提高。

Mo：生成硬质相提高合金耐磨性，此外Mo元素的引入有利于降低合金材料的居里转变温度。

B，C元素：在铁基合金中加入适量的B与C可以获得高硬度的硼碳化合物，从而提高堆焊合金的硬度与耐磨性。

Mn、Si：利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数，另外Mn是强奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区，降低合金的磁性能并且提高熔覆层韧性。

本发明与常规的熔覆材料相比，具有以下特点：

1、具有良好的工艺性：无需焊前预热、焊后缓冷，并且焊接过程中飞溅小，制备的的熔覆层表面平滑均匀，无裂纹，无脱落掉块。

2、组织均匀：所开发的Fe基多元合金熔覆层组织主要是由γ-Fe相、MoFeB相与M₂₃(B,C)₆相组成（其中M=Fe,Cr,Mo.Mn），弥散分布的MoFeB相，对熔覆层组织能够起到有效的支撑和强化作用。

3、无磁性能：本发明材料制备的Fe基熔覆层的相对磁导率μr在1.0035~1.0091之间，表现为无磁性能。

本发明可用于在无磁机械零部件表面制备无磁耐磨涂层，实现零部件的表面强化和修复。本发明制备的熔覆层具有无磁性，硬度高、产生开裂和其他熔覆缺陷的倾向小。

附图说明

图1实施例2制备的熔覆层XRD分析图谱；

图2实施例2制备的熔覆层SEM典型形貌特征；

图3实施例2制备的熔覆层的磁化曲线。

图4实施例2制备的熔覆层的磁滞回线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

制备一种无添加硬质相的高硬度铁基无磁熔覆层的方法，包括以下步骤：各实施例中具体参数见实施例：

1、基体选用AISI304L不锈钢(150×50×10mm)，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为40-60目棕刚玉，气体压力0.4-0.6MPa，持续时间10s/喷涂面工艺对试件进行喷砂粗化处理。

2、选用工业级金属、合金和陶瓷粉末，包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼等，将其进行筛分并机械混合，最终获得粒度均在75μm-150μm的合金粉末。

3、将步骤2的粉末采用等离子弧堆焊工艺制备Fe基多元合金熔覆层。

实施例1

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:9wt.%;Mo:19wt%;C:2.0wt.%;B:1.5wt.%;Si:1wt.%;Mn:9.8wt.%，Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流90A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：6.3V。

实施例2

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:11wt.%;Mo:21wt%;C:2.3wt.%;B:1.8wt.%;Si:0.8wt.%;Mn:6.8wt.%，Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流90A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：6.3V。

实施例3

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:13wt.%;Mo:23wt%;C:2.5wt.%;B:2.0wt.%;Si:0.5wt.%;Mn:3.8wt.％，Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流90A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：6.3V。

实施例4

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:15wt.%;Mo:25wt%;C:1.8wt.%;B:3wt.%;Si:0.7wt.%;Mn:0.8wt.%,Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流90A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：6.3V。

实施例5

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:11wt.%;Mo:21wt%;C:2.3wt.%;B:1.8wt.%;Si:0.8wt.%;Mn:6.8wt.%，Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流80A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：5.8V。

实施例6

按照Fe基多元合金粉末元素质量百分比为：Cr:15wt.%;Mo:25wt%;C:1.8wt.%;B:3wt.%;Si:0.7wt.%;Mn:0.8wt.%,Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流80A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：5.8V。

对比例1

取商业自熔性合金Ni60+25%WC粉末500g。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压29-31V；转移弧电流90A；喷涂距离13mm；离子气(Ar):4-4.5L/h；送粉气(Ar):4-4.5L/h；保护气(Ar):6.5-7L/h；送粉电压：5.8V。

各实施例所制备的熔覆层的性能检测如下所述：

1.采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔覆层取十点打硬度，最后得到各熔覆层的平均洛氏硬度值，结果见表1。

2.磁性能测试，采用Lake Shore7410型振动样品磁强计在室温下对实施例制备熔覆层的磁性能进行测试，得到熔覆层的磁化曲线和磁滞回线以及相对磁导率μ_r。

表1实施例1-6及对比例1平均洛氏硬度值和相对磁导率

。

Claims

1.一种铁基无磁熔覆层用合金粉末材料，其特征在于，合金粉末材料主要包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼，上述合金粉末粒度均在75μm-150μm；合金粉末中元素成分质量百分含量范围如下：Cr:5-20wt.％；Mo:15-30wt.％；C:1-4wt.％；B:0.5-3wt.％；Si:0.1-1.5wt.％；Mn:0-15wt.％，Fe及不可避免的杂质:余量。

2.按照权利要求1的合金粉末材料，其特征在于，合金粉末的元素质量百分含量为：Cr:6-18wt.％；Mo:15-27wt.％；C:1.5-3.8wt.％；B:0.5-2.8wt.％；Si:0.3-1.2wt.％，Mn:0.5-13wt.％；Fe及不可避免的杂质:余量。

3.按照权利要求1的合金粉末材料，其特征在于，合金粉末的元素质量百分比为：Cr:6-16wt.％；Mo:16-25wt.％；C:1.8-3.6wt.％；B:0.8-2.5wt.％；Si:0.4-1wt.％，Mn:0.5-10wt.％；Fe及不可避免的杂质:余量。

4.制备一种无添加硬质相的高硬度铁基无磁熔覆层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选用工业级金属、合金和陶瓷粉末，包括：还原铁粉、电解锰粉、高碳铬铁、钼铁、硅铁、硼铁、碳化铬以及碳化硼，将其进行筛分并机械混合，最终获得粒度均在75μm-150μm的合金粉末，合金粉末中元素成分的质量百分含量为Cr:5-20wt.％；Mo:15-30wt.％；C:1-4wt.％；B:0.5-3wt.％；Si:0.1-1.5wt.％；Mn:0-15wt.％，Fe及不可避免的杂质:余量；

步骤2、对基体表面进行预处理去除表面氧化膜；

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤(2)优选为：基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化去除表面氧化膜。

6.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤3堆焊工艺参数设定为：转移弧电压29-31V；转移弧电流80-90A；喷涂距离12-14mm；离子气、送粉气和保护气均为Ar气，其中，离子气流量:4-4.5L/h；送粉气流量:4-4.5L/h；保护气流量:6.5-7L/h；送粉电压：5.8-6.5V。

7.按照权利要求4的方法制备得到的一种高硬度铁基无磁熔覆层。