CN103752818B

CN103752818B - 一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末

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Publication number: CN103752818B
Application number: CN201410027410.5A
Authority: CN
Inventors: 林学春; 王奕博; 赵树森; 高文焱; 周春阳; 刘发兰
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103752818A

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，该铁基复合粉末是由Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素构成。该铁基复合粉末中各元素的质量百分比为：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余为Fe。该铁基复合粉末的粒度介于+140目～-325目之间。该粉末含有较高含量的C、Cr元素，可有效的提高涂层的硬度，可满足和适用于碳钢、不锈钢等铁基基材的激光熔覆工艺要求，其样品熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，硬度可达到HV_0.21000，是基体硬度的5倍，且高Cr含量提高了铁基复合粉末熔覆层的耐腐蚀性，可用于常温和高温耐磨和耐腐蚀的工作条件。

Description

一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末。

背景技术

激光表面改性技术已广泛应用于零件表面微观结构和成分改良，以提高其耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性等性能。作为激光表面改性领域中最重要的技术之一，激光熔覆技术可以不受基体材料的制约，是改良材料表面性能的一种经济有效的手段，它利用激光光源的高能量，将特定的合金粉末与基材表面形成一复杂的物理化学过程和快速凝固过程，在基材表面形成结合致密的冶金涂层。与传统的表面涂层技术，如热喷涂、等离子熔覆等技术相比，激光熔覆具有热影响区小，热型变量小，熔覆层组织晶粒细小、熔覆层和基底的结合为冶金结合等优点。激光熔覆技术可在低成本的基材上制备高性能的表面涂层以节省大量的贵重合金、稀有金属等材料，极大的降低了制作成本，可广泛应用于汽车、航空、模具轧辊等工业应用，具有显著的经济效益和发展潜力。

然而，目前国内外市场上几乎没有激光熔覆专用的金属粉末，大多为热喷涂所用的自熔性合金粉末，其中市场上常见的Fe基自熔性合金粉末元素质量百分比如下：C：0.1～0.5％，Cr：10～13％，B：0.5～1.6％，Si：0.5～1.2％，余量为Fe，这些粉末用于激光熔覆存在很多问题，比如裂纹、气孔、成分不均匀等，不能完全满足和适用于特定基材的激光熔覆工艺要求，限制了激光熔覆技术的应用。自熔性合金粉末主要组成元素有：C、Fe、Ni、Co、Cr、Si、B等，根据其主要成分的不同，主要分为铁基合金粉末、镍基合金粉末和钴基合金粉末，其具有脱氧、还原、造渣、除气、润湿金属表面、良好的固态流动性、适中的粒度、含氧量较低等特性。然而，相比热喷涂，自熔性合金粉末用于激光熔覆技术时，合金从熔化到冷却速度更快，是一急热急冷的过程，造成了熔覆层内枝晶偏析更严重，且一些脆性低熔点的化合物来不及浮到熔池表面而残留在涂层内，使熔覆层内易形成气孔和裂纹，特别是硬度高于HV_0.2500时这种现象更加明显。由于实际生产中的金属零件主要是铁基基体材料，铁基合金粉末与铁基基体结合良好，成本相比镍基和钴基的较低，易于研究和推广应用。因此开发激光熔覆专用的铁基合金粉末具有重要的战略意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提供了一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，以解决激光熔覆自熔性合金粉末时所产生的缺陷，实现激光熔覆的应用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，该铁基复合粉末是由Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素构成。

上述方案中，该铁基复合粉末中各元素的质量百分比为：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余为Fe。

上述方案中，该铁基复合粉末的粒度介于+140目～-325目之间。

上述方案中，所述Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物在激光熔覆时可生成M₂₃C₆碳化物，为熔覆层中的硬质相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能够有效提高熔覆层的硬度和耐磨性。

上述方案中，所述Cr元素能够提高铁的电极电位，阻止电化学腐蚀的发生，提高了熔覆层的耐腐蚀性。

上述方案中，所述Si和B元素在激光熔覆时起到脱氧、造渣和润湿的作用，其中元素Si和Fe能够生成熔覆层中的韧性相γ’(Fe，Si)。

上述方案中，所述Ni元素能够增加涂层的润湿性，提高熔覆层的润湿角，并提高熔覆层表面的光滑程度和亮度。

上述方案中，所述Mo元素能够细化熔覆层的组织，提高熔覆层的韧性和耐磨性，并降低熔覆层的裂纹敏感性。

上述方案中，该铁基复合粉末在激光熔覆，其熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，硬度是基体硬度的5倍。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其结构主要由Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物，以及少量Ni、Mo、Si、B组成。其中Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物在激光熔覆时可生成M₂₃C₆碳化物，为熔覆层中的硬质相，其中M代表Cr、Fe和Ni，可有效提高熔覆层的硬度和耐磨性；Si和B在激光熔覆中起到脱氧、造渣和润湿等作用，其中元素Si和Fe可生成熔覆层中的韧性相γ’(Fe，Si)；Ni元素可以增加涂层的润湿性，提高熔覆层的润湿角，并提高了熔覆层表面的光滑程度和亮度；而少量的Mo元素可细化熔覆层的组织，提高熔覆层的韧性和耐磨性，并降低熔覆层的裂纹敏感性。

2、本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，与铁基基体结合良好，成本相比镍基和钴基的较低，其中高铬含量一可以增加熔覆层中的碳化铬硬质相，进而提高了铁基复合粉末熔覆层的硬度；二铬元素可以提高铁的电极电位，阻止电化学腐蚀的发生，并且使熔覆层的内部电极电位基本一致，减小其原电池腐蚀，进而提高了铁基复合粉末熔覆层的耐腐蚀性，可用于常温和高温耐磨和耐腐蚀的工作条件。

3、本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，含有高铬含量的铁基复合粉末是针对激光熔覆特别研制的，其熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，硬度可达到HV_0.21000，约是基体硬度的5倍，可满足和适用于碳钢、不锈钢等铁基基材的激光熔覆工艺要求，可开发石油钻杆接头、螺旋输送器水轮机叶片、高炉料钟、料头、泥浆泵、粉碎机、衬板等部件的应用潜力。

附图说明

图1是本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末的组分占比示意图；

图2是本发明提供的激光熔覆样品的熔覆层截面的光镜扫描照片；

图3是本发明提供的激光熔覆样品的熔覆层能谱检测图；

图4是本发明提供的激光熔覆样品的熔覆层硬度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末的组分占比示意图，该铁基复合粉末是由Cr₃C₂、Cr和Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素构成。其中，该铁基复合粉末中各元素的质量百分比为：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余为Fe。该铁基复合粉末的粒度介于+140目～-325目之间。

对于上述用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，各元素和含量作用分析如下：

1)相比于常见的Fe基自熔性合金粉末，本发明提供的铁基复合粉末中C元素含量高出9倍可达到4.5％，析出的C会生成M₂₃C₆碳化物，为熔覆层中的硬质相，其中M代表Cr、Fe和Ni，硬质相的增多可有效提高熔覆层的硬度和耐磨性；

2)相比于常见的Fe基自熔性合金粉末，本发明提供的铁基复合粉末中Cr元素含量高出4倍左右可达到40％，高含量Cr元素既可以增加熔覆层中的碳化铬硬质相，进而提高了铁基复合粉末熔覆层的硬度；高含量Cr元素又可以提高铁的电极电位，阻止电化学腐蚀的发生，并且使熔覆层的内部电极电位基本一致，减小其原电池腐蚀，进而提高了铁基复合粉末熔覆层的耐腐蚀性；

3)相比于常见的Fe基自熔性合金粉末，本发明提供的铁基复合粉末中添加了少量Ni元素，Ni元素可以增加涂层的润湿性，提高熔覆层的润湿角，并提高了熔覆层表面的光滑程度和亮度，此外Ni元素也可以提高熔覆层的耐腐蚀性；

4)相比于常见的Fe基自熔性合金粉末，本发明提供的铁基复合粉末中B元素和Si元素也较高，Si和B在激光熔覆时起到脱氧、造渣和润湿等作用，减少了熔覆层中的气孔和裂纹的产生；

5)相比于常见的Fe基自熔性合金粉末，本发明提供的铁基复合粉末中添加了少量的Mo元素，Mo元素可细化熔覆层的组织，提高熔覆层的韧性和耐磨性，并降低熔覆层的裂纹敏感性。

此外该粉末粒度介于+140目～-325目之间，送粉时可均匀送出，在熔覆界面具有良好的流动性，既可迅速熔化又不会被烧蚀损耗。

本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，是专门针对激光熔覆而开发的合金粉末，其熔覆层具有耐磨、耐腐蚀等特性，无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，硬度可达到HV_0.21000，是基体硬度的5倍，可满足和适用于碳钢、不锈钢等铁基基材的激光熔覆工艺要求。可开发石油钻杆接头、螺旋输送器水轮机叶片、高炉料钟、料头、泥浆泵、粉碎机、衬板等部件的应用潜力。

基于本发明提供的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，将其应用于具体场景。

具体场景1：

在尺寸为100mm×100mm×10mm的Q235碳钢基板表面进行激光熔覆，粉末与基材的成分如表1所示。

表1粉末与基材的成分(wt％)

对熔覆层进行试验检测，各项性能指标如下：1)其激光熔覆样品的熔覆层截面如图2所示，其熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，熔覆层与基体为冶金结合；2)其激光熔覆样品的熔覆层能谱检测如图3所示，可看到熔覆层中主要元素C、Cr、Fe含量较高；3)其熔覆层硬度曲线如图4所示，其平均硬度可达到HV_0.21000，约是基体硬度的5倍。

具体场景2：

在尺寸为80mm×60mm×10mm的SS304不锈钢基板表面进行激光熔覆，粉末与基材的成分如表2所示。

表2粉末与基材的成分(wt％)

对熔覆层进行试验检测，各项性能指标如下：1)其激光熔覆样品的熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，熔覆层与基体为冶金结合；2)其熔覆层2平均硬度可达到HV_0.2980，约是基体硬度的5倍。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其特征在于，该铁基复合粉末是由Cr的化合物、Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素构成，其中Cr的化合物包含Cr₃C₂；

其中，该铁基复合粉末中各元素的质量百分比为：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余为Fe；

该铁基复合粉末在激光熔覆后，其熔覆层无裂纹、无宏观气孔、成分分布均匀，硬度是基体硬度的5倍，熔覆层平均硬度可达到HV_0.2980～1000；

该铁基复合粉末在激光熔覆时可生成M₂₃C₆碳化物，为熔覆层中的硬质相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能够有效提高熔覆层的硬度和耐磨性；

所述Si和B元素在激光熔覆时起到脱氧、造渣和润湿的作用，其中元素Si和Fe能够生成熔覆层中的韧性相γ’(Fe,Si)。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其特征在于，该铁基复合粉末的粒度介于+140目～-325目之间。

3.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其特征在于，所述Cr元素能够提高铁的电极电位，阻止电化学腐蚀的发生，提高了熔覆层的耐腐蚀性。

4.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其特征在于，所述Ni元素能够增加涂层的润湿性，提高熔覆层的润湿角，并提高熔覆层表面的光滑程度和亮度。

5.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，其特征在于，所述Mo元素能够细化熔覆层的组织，提高熔覆层的韧性和耐磨性，并降低熔覆层的裂纹敏感性。