CN103849871B

CN103849871B - 一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103849871B
Application number: CN201410057145.5A
Authority: CN
Inventors: 华云峰; 姚栋嘉
Original assignee: Suzhou Xiling Borui Special Materila Co Ltd; NPU CHANGSHU RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: SUZHOU XILING BORUI SPECIAL MATERILA CO., LTD.
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: CN103849871A

Abstract

本发明涉及一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层及其制备方法，它由Fe基合金和Si-Al-C-N非晶粒子在高温下熔覆而成；以重量百分比计，所述的Fe基合金含量为10~20%，所述的Si-Al-C-N非晶粒子含量为80~90%。它的制备方法，依次包括以下步骤：（a）将Fe基合金和Si-Al-C-N非晶粒子混合后，研磨形成金属陶瓷粉末料浆并均匀涂覆于铲刀刃表面；（b）将涂覆有金属陶瓷粉末料浆的铲刀刃置于非氧化性气氛保护的工件箱中，加热金属陶瓷粉末料浆至熔融并覆盖于铲刀刃表面即形成所述的高耐磨金属陶瓷涂层。由于在Fe基合金中添加Si-Al-C-N非晶粒子，一方面能够提高金属陶瓷涂层硬度，硬度可达HV2000以上；另一方面能够降低金属陶瓷涂层的摩擦系数，使其低于0.45，从而减小铲刀刃作业时的磨损。

Description

一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨钢技术领域，具体涉及一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

铲刀刃是铲、挖工程机械中工作机构的关键零部件，作业时靠它切削物料（如砂、石、土、矿渣等），从而与物料发生强烈摩擦和撞击，因此要求铲刀刃具有良好的强度、韧性和硬度匹配。

我国开发的NM360耐磨钢系列或卡特皮勒公司认可的IE0921系列，热处理后表面硬度可达HRC39~47，但应用于铲挖碎石块等物料作业时，其硬度有待于进一步提高。日本小松公司开发的高硅强韧性耐磨钢SHSC-3，热处理后表面硬度可达HRC50以上，但由于添加了大量的硅元素，降低了塑性和韧性，钢板机械加工性能较差。

公开号为CN103205639A的中国发明专利公开了一种装载机铲刀刃及其制备方法，通过加入多种合金化元素和特殊制备工艺，铲刀刃钢的硬度可达50HRC以上，但应用于铲挖碎石块等物料作业时，其硬度有待于进一步提高，同时，钢的摩擦系数较高（采用Si₃N₄球作为对磨副，其摩擦系数可达0.9），应用于铲挖碎石块等物料作业时磨损较快。

公开号为CN1669726A的中国发明专利公开了一种高耐磨钢制造方法，其通过对钢进行离子注渗钨和渗碳淬火处理来提高耐磨性能。离子注渗碳化钨层厚度1~2mm、表面硬度达HRC56~60。然而，离子注渗钨工艺复杂、成本高、生产效率低。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高耐磨、高硬度且摩擦系数较小的铲刀刃金属陶瓷涂层。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层，它由Fe基合金和Si-Al-C-N非晶粒子在高温下熔覆而成；以重量百分比计，所述的Fe基合金含量为10~20%，所述的Si-Al-C-N非晶粒子含量为80~90%。

优化地，所述的Fe基合金中的元素重量百分比如下，Fe：≥50%，Si：≤2%，C：≤2%，B：≤0.01%，P：≤0.1%，S：≤0.05%，余量为Ti、Cr、Ni、Mn、Mo、W中的一种或多种。

优化地，所述的Si-Al-C-N非晶粒子直径≤20μm。

本发明另一目的是提供一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，依次包括以下步骤：

（a）将Fe基合金和Si-Al-C-N非晶粒子混合后，研磨形成金属陶瓷粉末料浆并均匀涂覆于铲刀刃表面；

（b）将涂覆有金属陶瓷粉末料浆的铲刀刃置于非氧化性气氛保护的工件箱中，加热金属陶瓷粉末料浆至熔融并覆盖于铲刀刃表面即形成所述的高耐磨金属陶瓷涂层。

优化地，步骤（a）中，所述的金属陶瓷粉末料浆涂覆厚度为0.3~2毫米。

优化地，步骤（b）中，所述的加热方式为激光光源加热。

进一步地，所述步骤（b）中，激光光源将金属陶瓷粉末料浆熔融并覆盖于铲刀刃表面形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带，随后旋转铲刀刃在已形成的一条高耐磨金属陶瓷涂层带边再形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带，重复操作至金属陶瓷粉末料浆全部熔覆形成高耐磨金属陶瓷涂层带，全部高耐磨金属陶瓷涂层带在铲刀刃表面形成一层高耐磨金属陶瓷涂层。

更进一步地，所述的制备方法还包括：（c）在所述铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层上再形成一层或多层高耐磨金属陶瓷涂层，使其厚度达到1~10mm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层，通过在Fe基合金中添加Si-Al-C-N非晶粒子，一方面能够提高金属陶瓷涂层硬度，硬度可达HV2000以上；另一方面能够降低金属陶瓷涂层的摩擦系数，使其低于0.45，从而减小铲刀刃作业时的磨损。

具体实施方式

下面将对本发明优选实施方案进行详细说明：

实施例1

采用45号钢制备成15mm厚的铲刀刃，在表面制备厚度为5mm且含10wt%（重量百分比）Fe基合金、90wt%Si-Al-C-N非晶粒子的高耐磨金属陶瓷涂层，得到25mm厚带有高耐磨金属陶瓷涂层的铲刀刃。所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层按照以下工序制备：

（a）、以重量百分比计，将10wt%Fe基合金粉末和90wt%Si-Al-C-N纳米非晶粒子混合后，放入高能球磨机上球磨2小时，形成金属陶瓷粉末料浆；其中Fe基合金粉末中的元素重量百分比如下：Fe：50%，Ni：30%，Cr：15%，Mn：3.434%，Si：1%，C：0.5%，B：0.006%，P：0.04%，S：0.02%，Fe基合金粉末粒度35μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸18μm；将该粉末料浆均匀涂覆于铲刀刃表面，涂覆厚度为2mm；

（b）、将涂覆金属陶瓷粉末的铲刀刃置于Ar气氛保护的工件箱中并向激光光源移动，激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在铲刀刃表面形成一条宽度为3mm、厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层带；将铲刀刃旋转，使激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在已形成的高耐磨金属陶瓷涂层带边再形成一条宽度为2.5mm、厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层带，其中上一条涂层带和本条涂层带的搭接宽度为0.5mm；重复上一步骤直至铲刀刃表面涂覆的金属陶瓷粉末全部熔覆形成高耐磨金属陶瓷涂层带，全部高耐磨金属陶瓷涂层带在铲刀刃表面形成一层厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层；

（c）、重复步骤（b）4次，在铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层上再形成4层高耐磨金属陶瓷涂层，使铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层厚度为5mm。

实施例2

在日本小松公司开发的30mm厚的SHSC-3铲刀刃表面制备1mm厚且含15wt%Fe基合金和85wt%Si-Al-C-N非晶粒子的高耐磨金属陶瓷涂层，得到32mm厚的带有高耐磨金属陶瓷涂层的铲刀刃。所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层按照以下工序制备：

（a）、以重量百分比计，将15wt%Fe基合金粉末和85wt%Si-Al-C-N纳米非晶粒子混合后，放入高能球磨机上球磨5小时，形成金属陶瓷粉末料浆；其中Fe基合金粉末中的元素重量百分比如下：Fe：60%，Ni：18%，Cr：17%，Mn：3%，Mo：1.25%，Si：0.5%，C：0.2%，B：0.005%，P：0.03%，S：0.015%，Fe基合金粉末粒度30μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸12μm；将金属陶瓷粉末料浆均匀涂覆于铲刀刃表面，涂覆厚度为0.3mm；

（b）、将涂覆金属陶瓷粉末的铲刀刃置于Ar气氛保护的工件箱中并向激光光源移动，激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在铲刀刃表面形成一条宽度为3mm、厚度为0.2mm的高耐磨金属陶瓷涂层带；将铲刀刃旋转，使激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在已形成的高耐磨金属陶瓷涂层带边再形成一条宽度为2.5mm、厚度为0.2mm的高耐磨金属陶瓷涂层带，其中上一条涂层带和本条涂层带的搭接宽度为0.5mm；重复上一步骤，直至使铲刀刃表面涂覆的金属陶瓷粉末全部熔覆形成高耐磨金属陶瓷涂层带，全部高耐磨金属陶瓷涂层带在铲刀刃表面形成一层厚度为0.2mm的高耐磨金属陶瓷涂层；

（c）、重复步骤（b）4次，在铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层上再形成4层高耐磨金属陶瓷涂层，使铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层厚度为1mm。

实施例3

在35mm厚的铲刀刃表面制备10mm厚且含20wt%Fe基合金包覆和80wt%Si-Al-C-N非晶粒子的高耐磨金属陶瓷涂层，得到55mm厚的带有高耐磨金属陶瓷涂层的铲刀刃。所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层按照以下工序制备：

（a）、以重量百分比计，将20wt%Fe基合金粉末和80wt%Si-Al-C-N纳米非晶粒子混合后，放入高能球磨机上球磨半小时，形成金属陶瓷粉末料浆；其中Fe基合金粉末中的元素重量百分比如下：Fe：55%，Ni：24%，Cr：13%，Ti：2%；W：1%；Mn：2.5%，Mo：2.167%，Si：0.2%，C：0.1%，B：0.003%，P：0.02%，S：0.01%，Fe基合金粉末粒度35μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸15μm；将金属陶瓷粉末料浆均匀涂覆于铲刀刃表面，涂覆厚度为1.4mm；

（b）、将涂覆金属陶瓷粉末的铲刀刃置于Ar气氛保护的工件箱中并向激光光源移动，激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在铲刀刃表面形成一条宽度为3mm、厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层带；将铲刀刃旋转，使激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，在已形成的高耐磨金属陶瓷涂层带边再形成一条宽度为2.5mm、厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层带，其中上一条涂层带和本条涂层带的搭接宽度为0.5mm；重复上一步骤，直至使铲刀刃表面涂覆的金属陶瓷粉末全部熔覆形成高耐磨金属陶瓷涂层带，全部高耐磨金属陶瓷涂层带在铲刀刃表面形成一层厚度为1mm的高耐磨金属陶瓷涂层；

（c）、重复步骤（b）9次，在铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层上再形成9层高耐磨金属陶瓷涂层，使铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层厚度为10mm。

表1为实施例1至3中铲刀刃在制备相应的高耐磨金属陶瓷涂层前后性能测试结果，包括：强度Rm、25℃室温冲击韧性、硬度、摩擦系数（采用Si₃N₄球作为对磨副）以及寿命对比。从表1中可以看出，在铲刀刃上附着高耐磨金属陶瓷涂层后，强度Rm和25℃室温冲击韧性变化不大，说明金属陶瓷涂层对铲刀刃的强度和韧性影响不大，这是因为激光熔覆制备工艺不降低铲刀刃钢的强度和韧性。然而，铲刀刃的硬度增加明显（从50HRC增加至70HRC）；摩擦系数显著降低，从0.9降至0.4；而且相同工况下的使用寿命比不制备涂层的铲刀刃提高四倍以上。说明本发明高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层使铲刀刃具有良好的硬度和摩擦系数匹配，因而能够提高铲刀刃的使用寿命。

表1实施例1至3中铲刀刃在制备相应的高耐磨金属陶瓷涂层前后性能测试结果

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层，其特征在于：它由Fe基合金和Si-Al-C-N非晶粒子在高温下熔覆而成；以重量百分比计，所述的Fe基合金含量为10~20%，所述的Si-Al-C-N非晶粒子含量为80~90%。

2.根据权利要求1所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层，其特征在于：所述的Fe基合金中的元素重量百分比如下，Fe：≥50%，Si：≤2%，C：≤2%，B：≤0.01%，P：≤0.1%，S：≤0.05%，余量为Ti、Cr、Ni、Mn、Mo、W中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层，其特征在于：所述的Si-Al-C-N非晶粒子直径≤20μm。

4.权利要求1至3中任一项所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤（a）中，所述的金属陶瓷粉末料浆涂覆厚度为0.3~2毫米。

6.根据权利要求4所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤（b）中，所述的加热方式为激光光源加热。

7.根据权利要求6所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（b）中，激光光源将金属陶瓷粉末料浆熔融并覆盖于铲刀刃表面形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带，随后旋转铲刀刃在已形成的一条高耐磨金属陶瓷涂层带边再形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带，重复操作至金属陶瓷粉末料浆全部熔覆形成高耐磨金属陶瓷涂层带，全部高耐磨金属陶瓷涂层带在铲刀刃表面形成一层高耐磨金属陶瓷涂层。

8.根据权利要求7所述的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法还包括步骤（c）：在所述铲刀刃表面高耐磨金属陶瓷涂层上再形成一层或多层高耐磨金属陶瓷涂层，使其厚度达到1~10mm。