CN104862698A

CN104862698A - 基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料及涂层

Info

Publication number: CN104862698A
Application number: CN201510295402.3A
Authority: CN
Inventors: 徐鹏; 刘其斌; 张玲琰; 姜晶晶; 朱益志
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-08-26

Abstract

本发明公开了一种基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料及涂层，涂层材料配比为：Ni粉：3-15％、Cr粉：5-15％、Si粉：4-18％、Mn粉：20-40％、La₂O₃粉：0.1-2％、C粉：0-3％、余量为还原铁粉；将所述粉末混合；将球磨介质和混合粉末加入球磨罐进行球磨；然后进行120℃×1h真空干燥处理，得涂层材料；将304不锈钢基材表面打磨平整，将涂层材料平铺于304不锈钢基材表面，利用激光热处理成套设备对其进行熔覆，得高接触疲劳强度涂层。本发明具有较高的接触疲劳强度，且制备工艺简单，造价低廉，可批量化生产。

Description

基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料及涂层

技术领域

本发明涉及一种高接触疲劳强度涂层材料及涂层，特别是一种基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料及涂层。

背景技术

304不锈钢是不锈钢中常见的一种材质，密度为7.93g/cm³，业内也叫做18/8不锈钢，耐800度高温，具有加工性能好，韧性高的特点，广泛使用于工业行业。但在一些应用中，如大型齿轮、钢轨等重要零部件因长期承受滚动交变应力，对表面接触疲劳强度要求较高，失效件的修复亦缺乏有效途径，因此需要在其表面增加一层涂层，提高其接触疲劳强度。

传统的涂层材料大致可分为Co基、Ni基、Fe基粉末及其与硬质颗粒、稀土元素相符合的粉末，利用这些粉末制备的涂层可提高基材表面硬度、耐蚀性、滑动摩擦特性或高温力学性能，国内外专家、学者在这些领域也取得了较好的成果。但是，提高基材表面接触疲劳特性的涂层材料却少见报道，且传统的涂层通常是采用真空冶炼法制备，该方法使得制备工艺复杂，成本高昂、产能不足。因此，如何设计出一种涂层材料及涂层的制备方法，使这种材料制备的涂层具有高接触疲劳强度，制备方法更加简单，成本更低，且可进行批量生产就显得尤为重要了。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料及涂层。本发明具有较高的接触疲劳强度，且制备工艺简单，造价低廉，可批量化生产。

本发明的技术方案：一种基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，按重量百分比计，由Ni粉：3-15％、Cr粉：5-15％、Si粉：4-18％、Mn粉：20-40％、La₂O₃粉：0.1-2％、C粉：0-3％和余量的还原铁粉组成。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，按重量百分比计，由Ni粉：5-10％、Cr粉：7-14％、Si粉：6-15％、Mn粉：27-35％、La₂O₃粉：0.4-1.2％、C粉：0-2％和余量的还原铁粉组成。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，按重量百分比计，由Ni粉：8％、Cr粉：10％、Si粉：9％、Mn粉：32％、La₂O₃粉：0.8％、C粉：1％和余量的还原铁粉组成。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，所述Ni粉、Cr粉、Si粉、Mn粉、La₂O₃粉、C粉和还原铁粉均为分析纯或优级纯。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，所述涂层材料通过如下方法制备：

①取上述材料；

②将球磨介质与上述材料加入球磨罐，进行球磨，球磨时间4-6h，球磨转速为120-180r/min，得A品；

③将A品在100-150℃下进行真空干燥处理0.8-1.5h，得涂层材料。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，所述球磨介质为304不锈钢球磨介质或玛瑙球磨介质，所述的球磨罐为304不锈钢球磨罐或玛瑙球磨罐，磨球介质和材料的球料比为10:1。

前述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，所述真空干燥处理的干燥温度为120℃，处理时间为1h。

使用前述涂层材料制备的涂层，通过如下方法制备：取所述涂层材料；将304不锈钢基材表面打磨平整；利用专用粉末预置工具将涂层材料平铺于304不锈钢基材表面；然后利用激光热处理设备对其进行激光熔覆，得涂层。

前述涂层材料制备的涂层，所述专用粉末预置工具为带有1mm宽的凹槽的刮条，平铺厚度为0.9-1.1mm。

前述涂层材料制备的涂层，所述激光热处理设备为HANS-TEL-10000型CO₂激光热处理成套设备，熔覆激光的光斑直径为3-3.5mm，激光输出功率为2.5-3.5kW，扫描速度为200-800mm/min，多道搭接率为40％-60％。

本发明的有益效果：本发明将Ni粉、Cr粉、Si粉、Mn粉、La₂O₃粉、C粉以及还原铁粉按一定比例混合后进行球磨，球磨后真空干燥处理，得到涂层材料，然后将涂层材料涂覆在304不锈钢基材表面，利用激光熔覆技术进行熔覆，得涂层，提高了304不锈钢基材表面的接触疲劳强度，其制备过程在大气环境下即可完成，制备工艺简单，造价低廉，且适合批量化生产。

为了进一步说明本发明的有益效果，发明人做了如下实验：

接触疲劳强度验证

①将自行设计的带有GCr₁₅材质轴承的压头安装于牛头刨床刀具所在位置，利用牛头刨床自身对刀具向下的压力来施加载荷。通过贴于压头支架上的应变片采集工作时的应变值，本发明熔覆涂层及304不锈钢基材的弹性模量E取值210GPa，则根据公式可计算得出机构对被测试样施加的应力值为5.6MPa。

②对本发明的熔覆涂层表层进行打磨，去除黑色析出物和灰色氧化皮，使表面平整；对304不锈钢基材同样进行打磨，使两种试样的表面状态一致，对本发明的熔覆涂层及304不锈钢基材在5.6Mpa加载条件下进行48h及120h往复滚动摩擦，往复频率为20次/分钟，行程为100mm。

③如附图1(a)所示，本发明的熔覆涂层表面仅出现轻微的犁沟状磨痕和剥落；如图1(b)所示，304不锈钢表面出现了严重剥落和明显宏观疲劳裂纹，且裂纹内部出现了大量微小的疲劳裂纹，材料严重失效。

因此，经本发明方案制备的熔覆涂层因其“应力自适应特性”，即应力诱发γ→ε马氏体相变来适应外界宏观应力的变化而具有较好的接触疲劳性能，大大改善其接触疲劳特性。

附图说明

附图1(a)是本发明的熔覆涂层经滚动摩擦120h后的表面磨痕形貌；

附图1(b)是304不锈钢基材经滚动摩擦120h后的表面磨痕形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1

涂层材料配方：Ni粉：8％；Cr粉：10％；Si粉：9％；Mn粉：32％；La₂O₃粉：0.8％；C粉：1％；余量为还原铁粉。

涂层材料的制作方法：将球料比为10:1的304不锈钢球磨介质和配方所述的粉末加入304不锈钢球磨罐，进行球磨5h，球磨转速150r/min，得A品；然后将A品在120℃下进行真空干燥处理1h，得涂层材料。

实施例2

涂层材料配方：Ni粉：10％；Cr粉：7％；Si粉：15％；Mn粉：27％；La₂O₃粉：1.2％；余量为还原铁粉。

涂层材料的制作方法：将球料比为10:1的304不锈钢球磨介质和配方所述的粉末加入304不锈钢球磨罐，进行球磨4h，球磨转速180r/min，得A品；然后将A品在100℃下进行真空干燥处理1.5h，得涂层材料。

实施例3

涂层材料配方：Ni粉：5％、Cr粉：14％、Si粉：6％、Mn粉：35％、La₂O₃粉：0.4％、C粉：2％、余量为还原铁粉。

涂层材料的制作方法：将球料比为10:1的玛瑙球磨介质和配方所述的粉末加入玛瑙球磨罐，进行球磨6h，球磨转速120r/min，得A品；然后将A品在150℃下进行真空干燥处理0.8h，得涂层材料。

实施例4

涂层的制备方法：将304不锈钢基材表面打磨平整，去除杂质和表面氧化物，利用带有1mm宽的凹槽的刮条将涂层材料平铺于打磨过的304不锈钢基材上，控制粉末厚度为1mm；利用HANS～TEL～10000型CO₂激光热处理成套设备对其进行激光熔覆，其中激光的光斑直径为3.3mm，激光输出功率为3kW，扫描速度为500mm/min，多道搭接率为50％。

实施例5

涂层的制备方法：将304不锈钢基材表面打磨平整，去除杂质和表面氧化物，利用带有1mm宽的凹槽的刮条将涂层材料平铺于打磨过的304不锈钢基材上，控制粉末厚度为1.1mm；利用HANS～TEL～10000型CO₂激光热处理成套设备对其进行激光熔覆，其中激光的光斑直径为3.5mm，激光输出功率为2.5kW，扫描速度为200mm/min，多道搭接率为60％。

实施例6

涂层的制备方法：将304不锈钢基材表面打磨平整，去除杂质和表面氧化物，利用带有1mm宽的凹槽的刮条将涂层材料平铺于打磨过的304不锈钢基材上，控制粉末厚度为0.9mm；利用HANS～TEL～10000型CO₂激光热处理成套设备对其进行激光熔覆，其中激光的光斑直径为3mm，激光输出功率为3.5kW，扫描速度为800mm/min，多道搭接率为40％。

Claims

1.一种基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：按重量百分比计，由Ni粉：3-15％、Cr粉：5-15％、Si粉：4-18％、Mn粉：20-40％、La₂O₃粉：0.1-2％、C粉：0-3％和余量的还原铁粉组成。

2.根据权利要求1所述基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：按重量百分比计，由Ni粉：5-10％、Cr粉：7-14％、Si粉：6-15％、Mn粉：27-35％、La₂O₃粉：0.4-1.2％、C粉：0-2％和余量的还原铁粉组成。

3.根据权利要求2所述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：按重量百分比计，由Ni粉：8％、Cr粉：10％、Si粉：9％、Mn粉：32％、La₂O₃粉：0.8％、C粉：1％和余量的还原铁粉组成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：所述Ni粉、Cr粉、Si粉、Mn粉、La₂O₃粉、C粉和还原铁粉均为分析纯或优级纯。

5.根据权利要求4所述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：所述涂层材料通过如下方法制备：

①取上述材料；

③将A品在100-150℃下进行真空干燥处理0.8-1.5h，得涂层材料。

6.根据权利要求5所述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：所述球磨介质为304不锈钢球磨介质或玛瑙球磨介质，所述的球磨罐为304不锈钢球磨罐或玛瑙球磨罐，磨球介质和材料的球料比为10:1。

7.根据权利要求5所述的基于304不锈钢基材的高接触疲劳强度涂层材料，其特征在于：所述真空干燥处理的干燥温度为120℃，处理时间为1h。

8.使用权利要求1-7中任一项所述涂层材料制备的涂层，其特征在于，通过如下方法制备：取所述涂层材料；将304不锈钢基材表面打磨平整；利用专用粉末预置工具将涂层材料平铺于304不锈钢基材表面；然后利用激光热处理设备对其进行激光熔覆，得涂层。

9.根据权利要求8所述涂层材料制备的涂层，其特征在于：所述的专用粉末预置工具为带有1mm宽的凹槽的刮条，平铺厚度为0.9-1.1mm。

10.根据权利要求8所述涂层材料制备的涂层，其特征在于：所述的激光热处理设备为HANS-TEL-10000型CO₂激光热处理成套设备，熔覆激光的光斑直径为3-3.5mm，激光输出功率为2.5-3.5kW，扫描速度为200-800mm/min，多道搭接率为40％-60％。