CN103526198A - 含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及制备方法 - Google Patents
含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及制备方法，属于激光熔覆技术领域。对钢基体表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；将熔覆用合金粉末按化学成分与CeO2配比进行机械混合，混合均匀后干燥，装入送粉器中，采用同轴送粉激光熔覆方式，在钢基体表面制备耐磨涂层；合金粉末元素成分为：Nb：10-15wt.%，Cr：10-15wt.%，B：1-3wt.%，Si：1-3wt.%，C：1.5-5.5wt.%，其余为Fe和不可避免的微量杂质；CeO2的添加量为合金粉末的3-8wt%。本发明原位反应生成陶瓷硬质相，并且与基体呈良好的冶金结合，该涂层组织致密，无气孔和裂纹。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法。
背景技术
由于激光特有的优良属性，自20世纪中期激光器研制成功以来，已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面改性是激光在表面技术领域中新的应用。根据采用不同的激光能量密度和不同的处理方式，激光表面技术中比较典型的方法有激光熔覆、激光相变硬化、激光冲击强化、激光表面合金化等。这些方法的目的都是为了使工作面获得高硬度、高耐磨性及高耐腐蚀等性能。从而达到延长工件使用寿命、节约成本的目的。
激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它通过熔覆材料在基体表面的快速熔凝过程提高材料的表面性能。激光熔覆具备诸多优势，如：基体和熔覆层结合强度高；基体受到的热影响较小，不易变形等。通过激光熔覆不同材料，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温抗氧化等性能，同时降低贵重金属的消耗。因此该技术在材料表面改性方面具有广阔的应用前景。
铁基合金价格低廉，常温下力学性能好，与钢铁材料表面结合强度高。而添加硬质相颗粒可以显著提高熔覆层硬度并有效抑制汽车挤压模具凸凹模之间的拉延破坏。因此，常用该合金体系对破损的模具材料表面进行修复。
陶瓷具有高熔点、高硬度、热稳定性好等优点，常用作金属基激光熔覆层的增强相。原位自生的陶瓷增强相颗粒尺寸较为细小，与基体界面结合较好，裂纹倾向较低，是近年来发展较快的金属基复合材料制备方法。NbC陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高弹性模量等优越性能，是一种常用的涂层增强相。然 而，由于激光熔覆过程冷却速度极快，加之复合涂层各物相之间的组织应力相对较高。因此，涂层内部常会出现裂纹、气孔等缺陷，或存在与基体润湿性差等问题，导致涂层剥落等现象发生。
研究显示：稀土元素可有效抑制涂层中孔洞、裂纹等缺陷，并促进硬质相颗粒析出、细化组织、提高涂层固溶度，进而提高涂层的力学性能。因此本项发明中，在合金粉末中添加了CeO2。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有激光熔覆存在的缺点及汽车挤压模具磨损失效机制，提出一种含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及制备方法，解决汽车模具钢表面强化问题。
一种含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法，该方法是按照以下步骤进行的：
（1）基体预处理
对钢基体表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；
（2）激光熔覆
将熔覆用合金粉末按照化学成分与CeO2配比进行机械混合，混合均匀后干燥，装入送粉器中，采用同轴送粉激光熔覆方式，在钢基体表面制备耐磨涂层。
作为对本发明的限定，本发明所述的制备涂层时所用合金粉末元素成分为：
Nb：10-15wt.%
Cr：10-15wt.%
B：1-3wt.%
Si：1-3wt.%
C：1.5-5.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
合金粉末粒度范围为75-150μm。在合金粉末中再添加粒度范围为35-45μm的CeO2。CeO2的添加量为熔覆合金粉末总质量的3-8wt%。熔覆层组织致密，无气孔、裂纹，涂层与基体呈现良好冶金结合，原位合成的NbC颗粒分布均匀。
此外，为了获得具有特定力学性能、微观组织结构与基体结合良好的均匀致密的涂层，需选择合适的激光熔覆工艺参数及粉末成分。激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、扫描速度、送粉率等。激光功率增加、扫描速度减小，会使更多粉末熔化，提高结合强度降低开裂倾向，但激光功率过大、扫描速度过慢会造成一部分硬质相合成元素烧损，也会使稀释率增加。送粉率增大，熔覆层厚度增加，稀释率降低，但裂纹敏感性增加。因此，只有各工艺参数间实现良好的搭配，才能获得符合使用要求的涂层。鉴于此，本发明所述的激光熔覆工艺参数为：激光功率1500-2000W、扫描速度3-8mm/s；光斑直径：5×5mm；送粉率：10-15g/min；氩气流量：10-15L/min。
通过激光加热，涂层中原位合成陶瓷颗粒硬质相为NbC。
上述钢基体优选Cr12MoV钢。
采用上述方案后，本发明取得的有益效果是：熔覆粉末在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相，并且与基体呈良好的冶金结合，该涂层组织致密，无气孔和裂纹。本发明的激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层的制备工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无污染等优点，且熔覆不需要在真空条件下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于复杂表面的修复。该涂层显微硬度值达1000HV以上。同时不使用钴、钨、钒、钼等贵重金属，在材料表面改性上具有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为实施例1所得熔覆层显微组织图。
具体实施方式
本发明将就以下实施例作进一步说明。
实施例1：
在较高功率，较大送粉率下制备涂层，获得高度、宽度较大的熔覆层。
（1）Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面进行砂纸打磨、除油、除锈，得到平整光洁的表面。
（2）激光熔覆
制备涂层所用合金粉末成分为：
Nb：10wt.%
Cr：15wt.%
B：1.62wt.%
Si：1.5wt.%
C：2.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
合金粉末粒度范围为75-150μm。在合金粉末中添加粒度范围为35-45μm的CeO2。CeO2添加量为熔覆合金粉末总质量的4wt.%。配粉后混合均匀并干燥2h。调节激光熔覆工艺参数，激光功率2000W、扫描速度4mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：15g/min、氩气流量：15L/min。在该工艺参数下制备原位合成NbC增强Fe基涂层。涂层表面显微硬度为1002HV。熔覆层显微组织见图1。
实施例2：
在较低功率，较小送粉率下制备涂层，获得高度、宽度较小的熔覆层。
（1）Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨、除油、除锈，得到平整光洁的表面；
（2）激光熔覆
制备涂层所用合金粉末成分为：
Nb：15wt.%
Cr：10wt.%
B：1.62wt.%
Si：1.5wt.%
C：4.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
合金粉末粒度范围为75-150μm。在合金粉末中添加粒度范围为35-45μm的CeO2。CeO2添加量为熔覆合金粉末总质量的3wt.%。配粉后混合均匀并干燥2h。调节激光熔覆工艺参数，激光功率1500W、扫描速度6mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：10g/min、氩气流量：10L/min。在该工艺参数下制备原位合成NbC增强Fe基涂层。涂层表面显微硬度为1016HV。
实施例3：
提高熔覆粉末中的C含量，获得高硬度涂层。
（1）Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨、除油、除锈，得到平整光洁的表面；
（2）激光熔覆
制备涂层所用合金粉末成分为：
Nb：12wt.%
Cr：12wt.%
B：1.62wt.%
Si：1.5wt.%
C：5.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
合金粉末粒度范围为75-150μm。在合金粉末中添加粒度范围为35-45μm的CeO2。CeO2添加量为熔覆合金粉末总质量8wt.%。配粉后混合均匀并干燥2h。调节激光熔覆工艺参数，激光功率1800W、扫描速度8mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：12g/min、氩气流量：12L/min。在该工艺参数下制备原位合成NbC增强Fe基涂层。涂层表面显微硬度为1065HV。
实施例4：
降低熔覆粉末中的C含量，获得韧性较好的涂层。
（1）Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨、除油、除锈，得到平整光洁的表面；
（2）激光熔覆
制备涂层所用合金粉末成分为：
Nb：13wt.%
Cr：11wt.%
B：2.53wt.%
Si：1.89wt.%
C：1.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
合金粉末粒度范围为75-150μm。在合金粉末中添加粒度范围为35-45μm的CeO2。CeO2添加量为熔覆合金粉末总质量6wt.%。配粉后混合均匀并干燥2h。调节激光熔覆工艺参数，激光功率1800W、扫描速度4mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：10g/min、氩气流量：15L/min。在该工艺参数下制备原位合成NbC增强Fe基涂层。涂层表面显微硬度为1003HV。
以本发明的几项实施例为启示，并通过本发明的说明内容，工作人员可以在本项发明技术范围内进行变更以及修改。本发明技术性范围不局限于上述实施例的内容，要根据权利要求范围确定技术性范围。
Claims (5)
1.一种含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基体预处理
对钢基体表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；
（2）激光熔覆
将熔覆用合金粉末按照化学成分与CeO2配比并进行机械混合，混合均匀后干燥，装入送粉器中，采用同轴送粉激光熔覆方式，在钢基体表面制备耐磨涂层；
合金粉末元素成分为：
Nb：10-15wt.%
Cr：10-15wt.%
B：1-3wt.%
Si：1-3wt.%
C：1.5-5.5wt.%
其余为Fe和不可避免的微量杂质；
CeO2的添加量为合金粉末总质量的3-8wt%。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，合金粉末粒度范围为75-150μm，CeO2粒度范围为35-45μm。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤（2）激光熔覆工艺参数为：激光功率1500-2000W、扫描速度3-8mm/s；光斑直径：5×5mm；送粉率：10-15g/min；氩气流量：10-15L/min。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，钢基体优选Cr12MoV钢。
5.按照权利要求1-4所述的任一方法得到的含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层。
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