CN104131281B - 简易铁基激光熔覆粉末及熔覆层制备方法 - Google Patents
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- B22F1/0003—
Abstract
本发明公开了简易铁基激光熔覆粉末材料及其熔覆层制备方法，按质量百分数由如下组分组成，Cr为20～22%，Ni为10～11%，Al为9.5～10.5%，CeO2为1～1.5%，Fe为余量。使用时，将配制好的粉末通过酒精混合成糊状或膏状后，涂覆在基体材料表面，晾干后通过激光熔覆即可获得复合涂层。本发明技术方案可获得无裂纹的激光熔覆层，硬度较高、耐磨性较好，价格较低，不仅适合于实验室研究，也适合于要求不高的生产加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆材料领域，更加具体地说，涉及一种简易的铁基激光熔覆粉末材料及熔覆层制备方法。
背景技术
激光熔覆技术是激光表面改性技术中的重要组成部分，由于可以显著改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性以及一些电气性能，在生产应用中得到快速发展。然而当前采用的激光熔覆粉末一方面是沿用热喷涂材料的镍基、铁基、钴基自熔性合金粉末；另一方面就是在合金粉末中添加WC、TiC、SiC等陶瓷材料来提高熔覆层的硬度和耐磨性，但其裂纹敏感性也会增加。因此，研究具有良好耐磨性、耐蚀性和抗热性等综合性能的激光熔覆粉末，用于机械零件易损部位的修复，获得耐磨、耐蚀层，可以大大延长机器设备的使用寿命，不仅可以提高生产效率，还能够克服在堆焊、热喷涂等传统表面处理技术中普遍存在的工件变形大和结合强度低的问题，具有巨大的发展潜力。由于热输入量较低、工件变形小、晶粒细小以及强度、硬度高等优点，以及可以显著改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性以及一些电气性能，在生产应用中得到快速发展。然而当前采用的激光熔覆粉末一方面是沿用含有硼和硅的热喷涂用自熔合金粉末，其不足之处在于绝大多数自熔合金粉末中硼和硅的含量较高,由于激光熔覆过程中冷却速度快，使得一些夹杂如硼硅酸盐无法顺利从快速凝固的熔池内浮出,导致激光熔覆层开裂敏感性较大；另一方面就是采用含有三四种元素的专用粉末，不易获得良好的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有激光熔覆粉末材料进行改进以解决上述技术问题。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
简易铁基激光熔覆粉末材料，按照质量百分比（即各个组分之和为100％）由下述组分组成：Cr为20～22%，Ni为10～11%，Al为9.5～10.5%，CeO2为1～1.5%，Fe为余量。
优选如下组分和含量：Cr为21～22%，Ni为10～11%，Al为10～10.5%，CeO2为1～1.2%，Fe为余量。
在上述简易铁基激光熔覆粉末中，选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为100—500目，优选200—300目，即铬粉、镍粉、铝粉、二氧化铈、铁粉。
在本发明的技术方案中，Cr和Ni为主要的合金元素，其中Cr主要用于提高淬透性，产生固溶强化，促进M的形成，在高合金超高强度钢的设计中，Cr有促进二次硬化效应（取代Mo2C中的Mo形成（Mo、Cr）2C），形成细小弥散的沉淀相，提高硬度和拉伸屈服强度；Ni则主要用于提高润湿性和改善熔覆层性能。加入的Al主要用于替代B和Si来脱氧，还可以提高合金的高温塑性，减少熔覆层的收缩率，从而可以获得不含裂纹的熔覆层。此外，加入一定量的CeO2，一方面可以对晶界进行净化，进一步降低其有害杂质的含量；另一方面，稀土本身作为一种活性物质，能够降低晶界界面张力，从而减小晶粒长大的驱动力，抑制了晶粒长大的倾向，同时，形成的稀土化合物在一次结晶过程中也可以作为形核核心，增加形核数目，从而细化晶粒，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
在进行制备时，准确称量各个组分的质量后，将其进行充分混合以均匀即可，例如采用电子称称取各种元素的粉末后，在研钵中机械研磨半小时使其混合均匀。
利用本发明的简易铁基激光熔覆粉末应用到激光熔覆焊接中，将简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层。
其中所述乙醇选用分析纯的无水乙醇；在简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合物中，按照质量百分数由92～95%的简易激光熔覆粉末和5～8%的乙醇组成。
在简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面进行涂覆，经涂覆后形成预制层，所述预制层厚度为1—2mm。
在进行激光熔覆时，选用基体材料为42CrMo钢，优化工艺参数为：激光功率为1550～1650KW，光斑直径为0.8—1mm，扫描速度为150—200mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气、氮气或者氦气，气体流量为20—25L/min；优选激光功率为1580～1620KW，光斑直径为0.8—1mm，扫描速度为180—200mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量为22—25L/min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明创造性的提出通过Al的加入来替代B和Si来脱氧，还可以减少熔覆层的收缩率，从而可以获得没有裂纹的熔覆层。
（2）本发明通过在激光熔覆粉末中添加适宜的稀土元素CeO2，可以细化晶粒，显著提高熔覆层的硬度和耐磨性。
（3）本发明作为一种简易的铁基激光熔覆粉末材料，可以按照实际需要，再加入一定的Co、Mo、Ti等元素来进一步提高熔覆层性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，其中使用各个药品如下表所示。
| 药品名称 | 分子式 | 纯度 | 规格 | 生产厂家 |
| 铁粉 | Fe | ≥99% | 分析纯 | 天津化学试剂一厂 |
| 铬粉 | Cr | ≥99% | 分析纯 | 天津光复精细化工研究所 |
| 镍粉 | Ni | ≥99.5% | 分析纯 | 湖北天门化学试剂二厂 |
| 铝粉 | Al | ≥99% | 分析纯 | 天津风船化学试剂有限公司 |
| 二氧化铈 | CeO2 | ≥99.5% | 分析纯 | 上海晶纯试剂有限公司 |
使用的基体材料42CrMo钢的化学成份如下表所示
| C | Mn | Si | Cr | Mo | Ni | Cu |
| 0.38～0.45 | 0.50～0.80 | 0.17～0.37 | 0.90～1.20 | 0.15～0.25 | ≤0.030 | ≤0.030 |
依据下表所示的各个组分的质量百分含量，采用电子称称取各种元素的粉末（200目），倒入研钵，在研钵中研磨半小时使其混合均匀，得到铁基激光熔覆粉末材料。
| 编号 | Cr | Ni | Al | CeO2 | Fe |
| 实施例1 | 20% | 10% | 10% | 1% | 余量 |
| 实施例2 | 20% | 10% | 10% | 1.5% | 余量 |
| 实施例3 | 21..2% | 10.8％ | 9.8％ | 1.5％ | 余量 |
| 实施例4 | 22％ | 10.5％ | 10.2％ | 1.2％ | 余量 |
| 实施例5 | 20.5％ | 10.2％ | 10.5％ | 1％ | 余量 |
| 实施例6 | 20.5% | 10.6％ | 9.5％ | 1.3％ | 余量 |
| 实施例7 | 21％ | 11％ | 9.5％ | 1％ | 余量 |
| 实施例8 | 21.5％ | 11％ | 10.5％ | 1.4％ | 余量 |
分别将上述表格中实施例1—8混合后得到的铁基激光熔覆粉末材料与分析纯的无水乙醇进行混合均匀后，涂覆在基体材料表面，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层，分别按照下述四组工艺进行激光熔覆，激光器采用JK2003SM型Nd：YAG。
第一组，简易铁基激光熔覆粉末92wt％，乙醇8wt%，预制层厚度为2mm，激光功率为1650KW，光斑直径为1mm，扫描速度为200mm/min，离焦量为0，保护气体采用氮气，气体流量25L/min。
第二组，简易铁基激光熔覆粉末95wt％，乙醇5wt%，预制层厚度为1mm，激光功率为1550KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为150mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量20L/min。
第三组，简易铁基激光熔覆粉末93wt％，乙醇7wt%，预制层厚度为1.5mm，激光功率为1580KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为180mm/min，离焦量为0，保护气体采用氦气，气体流量22L/min。
第四组，简易铁基激光熔覆粉末94wt％，乙醇6wt%，预制层厚度为1mm，激光功率为1620KW，光斑直径为1mm，扫描速度为150mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量25L/min。
激光熔覆后采用EMS-2003+智能磁记忆/涡流/远场涡流检测仪进行检测，均没有发现裂纹。将每组工艺制备的样品进行性质测试，并取8个实施例的平均值，作为每组工艺的比较对象。
采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆层的显微硬度，实验结果如下表所示
| 硬度值1 | 硬度值2 | 硬度值3 | 硬度值4 | 平均硬度 | |
| 母材 | 286HV | 282HV | 285HV | 284HV | 284HV |
| 熔覆层 | 852HV | 861HV | 882HV | 870HV | 866HV |
采用MM-200型磨损试验机测定了其耐磨性，试样尺寸为7×7×25mm，摩擦工况为干磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为1h。并用电子称测量前后质量（测量前用超声波清洗仪清洗），实验结果如下表所示
| 第一组 | 磨损前质量/g | 磨损后质量/g | 失重/mg |
| 母材 | 9.0479 | 9.0008 | 47.1 |
| 熔覆层 | 9.5480 | 9.54345 | 4.55 |
| 第二组 | 磨损前质量/g | 磨损后质量/g | 失重/mg |
| 母材 | 9.0479 | 9.0008 | 47.1 |
| 熔覆层 | 9.7521 | 9.7475 | 4.6 |
| 第三组 | 磨损前质量/g | 磨损后质量/g | 失重/mg |
| 母材 | 9.0479 | 9.0008 | 47.1 |
| 熔覆层 | 9.5480 | 9.5432 | 4.8 |
| 第四组 | 磨损前质量/g | 磨损后质量/g | 失重/mg |
| 母材 | 9.0479 | 9.0008 | 47.1 |
| 熔覆层 | 9.5480 | 9.5438 | 4.2 |
可见利用本发明的铁基激光熔覆粉末在激光熔覆后可有效提高显微硬度和耐磨性能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.简易铁基激光熔覆粉末材料，其特征在于，按照质量百分比由下述组分组成：Cr为20～22％，Ni为10～11％，Al为9.5～10.5％，CeO2为1～1.5％，Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的简易铁基激光熔覆粉末材料，其特征在于，优选如下组分和含量：Cr为21～22％，Ni为10～11％，Al为10～10.5％，CeO2为1～1.2％，Fe为余量。
3.根据权利要求1或者2所述的简易铁基激光熔覆粉末材料，其特征在于，选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为100—500目。
4.根据权利要求1或者2所述的简易铁基激光熔覆粉末材料，其特征在于，选用各个组分均为纯度大于等于99％的粉末，粒径为200—300目。
5.一种利用如权利要求1所述的简易铁基激光熔覆粉末材料制备熔覆层的方法，其特征在于，将简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合后，均匀涂覆在基体材料表面，风干后通过激光熔覆即可获得熔覆层；在简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合物中，按照质量百分数由92～95％的简易激光熔覆粉末和5～8％的乙醇组成。
6.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，所述乙醇选用分析纯的无水乙醇。
7.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在简易铁基激光熔覆粉末和乙醇混合后，形成糊状或膏状，以便于在基体材料表面进行涂覆，经涂覆后形成预制层，所述预制层厚度为1—2mm。
8.根据权利要求5所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，选用基体材料为42CrMo钢，工艺参数为：激光功率为1550～1650KW，光斑直径为0.8—1mm，扫描速度为150—200mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气、氮气或者氦气，气体流量为20—25L/min。
9.根据权利要求8所述的制备熔覆层的方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，工艺参数为：激光功率为1580～1620KW，光斑直径为0.8—1mm，扫描速度为180—200mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量为22—25L/min。
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