CN103060655B

CN103060655B - 一种制备铁基熔覆层用的合金粉末及涂覆层的制备方法

Info

Publication number: CN103060655B
Application number: CN201210382324.7A
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: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: CN103060655A

Abstract

一种制备铁基熔覆层用的合金粉末及涂覆层的制备方法，属于涂覆层技术领域。合金粉末的成分为Cr:12-18wt.%；Mo:20-28wt.%；C:1-1.8wt.%；B:2.5-4.5wt.%；Si:0.3-1.2wt.％，Mn:0.5-1.2wt.%;Fe:余量。涂覆层制备：先对基体进行预处理，喷焊工艺参数：转移弧电压29-32V；转移弧电流70-80A；喷涂距离12-14mm；离子气:4-4.5L/h；送粉气:4-4.5L/h；保护气:6.5-7L/h；送粉电压：6.0-6.5V。本发明制备的熔覆层硬度高、耐磨性良好、产生开裂和其他熔覆缺陷的倾向小。

Description

一种制备铁基熔覆层用的合金粉末及涂覆层的制备方法

技术领域

本发明属于涂覆层技术领域，具体涉及一种铁基熔覆层用的合金粉末材料及涂覆层的制备方法。

背景技术

在矿山开采、油气钻探等工业领域，关键部件在恶劣工况条件下的磨损造成了巨大的经济损耗，也严重影响了生产效率。通常采用合理的表面防护技术，赋予其比基材更为优异的耐磨性能，从而延长整体构件的服役寿命。其中，等离子弧堆焊(plasma transferred arc-welding，PTAW)技术具有熔敷率高、稀释率低、粉末适用范围广等优点，被认为是解决类似服役条件下部件磨损问题，并实现表面强化和修复相结合的较为经济、有效的技术手段之一。

目前，PTAW所涉及的熔覆材料主要包含Fe基、Co基和Ni基合金粉末，其中又以Ni基合金及添加硬质颗粒(如WC等)作为增强相的熔覆层在常温或中温磨损条件下应用较为广泛。但是由于Ni和W均属于稀缺金属，成本较高，因此开发低成本、高性能的Fe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。经检索，目前并无采用等离子弧堆焊方法制备含富Mo硼化物增强相的Fe基多元合金熔覆层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于，一种制备铁基熔覆层用的合金粉末及涂覆层的制备方法。

一种制备铁基熔覆层用的合金粉末，其特征在于：合金粉末成分质量百分含量范围如下：Cr:10-20wt.%；Mo:20-30wt.%；C:1-2wt.%；B:2-5wt.%；Si:0.2-1.5wt.%;Mn:0.5-1.5wt.%，Fe:余量。

优选所述铁基熔覆层用的合金粉末的质量百分含量为：Cr:12-18wt.%；Mo:20-28wt.%；C:1-1.8wt.%；B:2.5-4.5wt.%；Si:0.3-1.2wt.%，Mn:0.5-1.2wt.%;Fe:余量。

进一步优选所述铁基熔覆层用的合金粉末的质量百分比为：Cr:13-16wt.%；Mo:22-27wt.%；C:1.1-1.6wt.%；B:2.5-4wt.%；Si:0.4-1wt.%，Mn:0.5-1wt.%;Fe:余量。

上述合金粉末粒度均在75μm~150μm；

采用本发明上述多元合金粉末材料制备一种含有大量富Mo硼化物增强相的Fe基熔覆层的方法，从而得到一种含富Mo硼化物增强相的铁基熔覆层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、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2、选用工业级金属、合金和陶瓷粉末，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，合金粉末成分的质量百分含量为Cr:10-20wt.%；Mo:20-30wt.%；C:1-2wt.%；B:2-5wt.%；Si:0.2-1.5wt.%;Mn:0.5-1.5wt.%，Fe:余量；

步骤3、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60-85A；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29-32V；转移弧电流70-80A；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：6.0-6.5V。

本发明所述方法制备的一种含富Mo硼化物增强相的铁基熔覆层所具有耐磨性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：可以消除或减轻其它合金元素所造成的回火脆性，改善韧性。

B元素：在铁基合金中加入适量的B可以降低合金的熔点，获得高硬度的硼化物，从而提高堆焊合金的耐磨性。

C元素：是强烈的奥氏体形成元素，并能降低Ms点，堆焊材料设计中，碳是最重要的强化元素，碳具有间隙固溶强化的作用，同时有利于形成碳化物硬质相。

Mn、Si：利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。

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均匀，基体组织由Fe-Cr固溶体与γ-Fe相构成，其间包裹着大量弥散分布的富Mo硼化物硬质相，对熔覆层组织能够起到有效的支撑和强化作用。

3、具有较好的耐磨性能：由于本发明中大量富Mo硼化物和M₂₃(B,C)₆硬质相的形成，熔覆层硬度高，其相对耐磨性是传统Ni60熔敷层的8倍以上和Ni60+25%WC熔覆层。

本发明的熔覆层硬度高、耐磨性良好、产生开裂和其他熔覆缺陷的倾向小。

附图说明

图1实施例6熔覆层XRD分析图谱；

图2实施例6熔覆层SEM典型形貌特征；

图3实施例1-8熔覆层与对比例1和2的相对耐磨性。

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。

各实施例中相同部分如下所述：

1、基体选用AISI304L不锈钢(100×30×10mm)，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，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。

实施例1

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:13wt.%;Mo:22wt%;C:1wt.%;B:4wt.%;Si:0.2wt.%;Mn:0.5wt.％，Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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：6.0V。

实施例2

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:13wt.%;Mo:22wt%;C:1wt.%;B:4wt.%;Si:0.2wt.%;Mn:0.5wt.％，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：6.3V。

实施例3

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:14wt.%;Mo:24wt%;C:1.2wt.%;B:3.5wt.%;Si:0.5wt.%;Mn:0.7wt.%,Fe:余量。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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：6.0V。

实施例4

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:14wt.%;Mo:24wt%;C:1.2wt.%;B:3.5wt.%;Si:0.5wt.%;Mn:0.7wt.%,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：6.3V。

实施例5

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:15wt.%;Mo:25wt%;C:1.4wt.%;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28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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：6.0V。

实施例6

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:15wt.%;Mo:25wt%;C:1.4wt.%;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：6.3V。

实施例7

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:16wt.%;Mo:26wt%;C:1.5wt.%;B:2.5wt.%;Si:0.8wt.%;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28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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：6.0V。

实施例8

按照Fe基多元合金粉末成分质量百分比为：Cr:16wt.%;Mo:26wt%;C:1.5wt.%;B:2.5wt.%;Si:0.8wt.%;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：6.3V。

对比例1

取商业自熔性合金Ni60粉末500g。制备熔覆层所用等离子弧堆焊参数：转移弧电压28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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。

对比例2

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28-30V；转移弧电流70A；喷涂距离12mm；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。

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，对熔敷金属取十点打硬度，最后得到各熔覆层的平均洛氏硬度值，结果见表1。

2.对实施例所制备熔覆层进行耐磨实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。试验参数如下：橡胶轮转速：240r/min、橡胶轮直径：178mm、橡胶轮硬度：60(绍尔硬度)、载荷100N、橡胶轮转数：预磨1000转、精磨3000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前后，试样都经过超声波清洗仪中清洗3-5分钟。定义对比例1（Ni60）的相对耐磨性为1，实施例失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。

表1实施例1-8及对比例1和2的平均洛氏硬度值

Claims

1.一种制备铁基熔覆层用的合金粉末，其特征在于：合金粉末成分质量百分含量范围如下：Cr:10-20wt.％；Mo:20-30wt.％；C:1-2wt.％；B:2-5wt.％；Si:0.2-1.5wt.％；Mn:0.5-1.5wt.％，Fe:余量；合金粉末粒度均在75μm～150μm。

2.按照权利要求1的一种制备铁基熔覆层用的合金粉末，其特征在于：合金粉末成分质量百分含量Cr:12-18wt.％；Mo:20-28wt.％；C:1-1.8wt.％；B:2.5-4.5wt.％；Si:0.3-1.2wt.％，Mn:0.5-1.2wt.％；Fe:余量。

3.按照权利要求1的一种制备铁基熔覆层用的合金粉末，其特征在于：合金粉末成分质量百分含量Cr:13-16wt.％；Mo:22-27wt.％；C:1.1-1.6wt.％；B:2.5-4wt.％；Si:0.4-1wt.％，Mn:0.5-1wt.％；Fe:余量。

4.一种含有大量富Mo硼化物增强相的Fe基熔覆层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对基体表面进行预处理去除表面氧化膜；

步骤2、选用工业级金属、合金和陶瓷粉末，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，合金粉末成分的质量百分含量为Cr:10-20wt.％；Mo:20-30wt.％；C:1-2wt.％；B:2-5wt.％；Si:0.2-1.5wt.％；Mn:0.5-1.5wt.％，Fe:余量；

5.按照权利要求4的一种含有大量富Mo硼化物增强相的Fe基熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤(1)去除表面氧化膜的方法包括：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的一种含有大量富Mo硼化物增强相的Fe基熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤3堆焊工艺参数为：转移弧电压29-32V；转移弧电流70-80A；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：6.0-6.5V。

7.按照权利要求4的一种含有大量富Mo硼化物增强相的Fe基熔覆层的制备方法，其特征在于，合金粉末的质量百分含量Cr:15wt.％；Mo:25wt％；C:1.4wt.％；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:4-4.5L/h；送粉气:4-4.5L/h；保护气:6.5-7L/h；送粉电压：6.3V。

8.按照权利要求4-7的任一方法所制备的含富Mo硼化物增强相的铁基熔覆层。