CN104894555A - 一种铁基镍包碳化硼激光熔覆材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种铁基合金与镍包碳化硼混合粉末激光熔覆涂层的制备方法。其特征在于，包括以下步骤：步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；步骤二：分别将质量百分比10％、20％、30％、40％的镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，将混合粉末预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆金属陶瓷复合材料技术领域，涉及一种激光熔覆金属陶瓷粉末及其制备工艺。
背景技术
磨损是一种普遍存在的现象，凡两个相互接触并有相对运动的表面都会产生磨损。磨损是机械零件失效的主要形式之一，根据不完全统计，能源的1/3-1/2消耗于摩擦与磨损，对材料来说，约80％的零件失效是磨损引起的。在冶金、矿山、建材、化工、煤炭等行业，磨损占生产成本相当大的比例，如矿山在碎矿、磨矿过程中所消耗的磨损材料约占选矿成木的一半。而且，世界各国每年因腐蚀和磨损所造成的经济损失约占其国民经济总产值的2％-4％。
激光熔覆技术是激光加工技术的一个重要的应用方面，是一项新兴的材料表面改性与零件加工技术。激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，它是利用高能量密度激光束(104～106W/cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通常达到102～106℃/s)，在基材表面形成与其冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。
与其他表面强化技术相比，激光熔覆技术具有如下特点：(1)冷却速度快(高达106℃/s)，组织为典型的快速凝固特征；(2)热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于8％)，且与基体呈冶金结合；(3)粉末选择没有太多限制，特别是可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金；(4)熔覆表面区域的可精确选择，材料消耗少，具有较好的性价比；(5)熔覆过程容易实现自动化。因此，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已得到广泛的应用。
激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末、复合粉末等。其中，自熔性合金粉末的研究和应用最多。自熔性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。主要包括镍基合金、铁基合金、钴基合金等。Co基自熔性合金粉末具有良好的高温性能和耐蚀耐磨性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。镍基合金粉末以其良好的浸润性、耐蚀性、高温自润滑性，其机械性能优良，在激光熔覆技术中应用较广，它适用于局部要求耐磨、耐热蚀及抗热疲劳的零件。铁基合金的成本是镍基合金的1/4-1/5，是钴基合金的1/8-1/9，开发铁基合金材料具有显著的经济效益。另外，目前需要大量进行修复及表面改性处理的工件是铁基材料，采用铁基熔覆材料，熔覆层与基体具有良好的润湿性，可以有效解决激光熔覆层剥落问题，同时降低了对稀释率的严格要求，也有利于激光熔覆工艺参数具有更大的选择范围。铁基熔覆合金硬度高，耐磨性能优越，且因与钢铁基体材料成分相近，二者结合强度较高。因此，铁基熔覆合金的应用研究更具有实际意义。
在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重等苛刻的条件下，单纯的镍基、钻基、铁基自熔性合金已不能满足使用要求，此时可在上述自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成复合粉末。复合粉末又可分为碳化物复合粉末和自粘结复合粉末。
碳化物复合粉末是由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所组成的粉末体系，这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉末，能获得具有硬质合金性能的熔覆层。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料，相比于单纯的镍基、钻基、铁基自熔性合金粉末，其具有较高的硬度和良好的耐磨性。
碳化硼(B4C)具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高(仅次于金刚石和立方氮化硼)、熔点高(2723K)、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定，同时还具有很好的力学稳定性和很好的热膨胀系数。碳化硼在高温下与铁、镍、钛等金属和金属氧化物反应形成金属硼化物，同时硼也是碳化物形成元素；硼、碳还是强有效的固溶强化元素，用碳化硼来增强铁基合金涂层势必会对复合涂层的组织与性能有显著影响。
发明内容
本发明针对上述不足，通过混合铁基合金与镍包碳化硼粉末，优化工艺，进一步提高了熔覆层与基体的结合度，合金粉末激光熔覆涂层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性，大量减少了熔覆层的裂纹、气孔等缺陷。
本发明所采用的技术方案是一种铁基镍包碳化硼激光熔覆材料的制备方法。其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
步骤二：分别将质量百分比10％、20％、30％、40％的镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，将混合粉末预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。
步骤二中的铁基合金与镍包碳化硼粉末的粒度均为50～100μm。
本发明的有益效果是：
1、激光熔覆用合金粉末既有较高的硬度、又有优异的耐磨性和耐腐蚀性；
2、使用的镍包碳化硼粉末能获得具有硬质合金性能的熔覆层，碳化硼具有密度低、硬度高、熔点高、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定，并且硼、碳是强有效的固溶强化元素，用碳化硼来增强铁基合金涂层势对复合涂层的组织与性能有显著提高；
3、激光熔覆涂层与基体结合紧密，熔覆层组织均匀，硬度极高，当混合粉末中镍包碳化硼粉末质量百分比分别为10％、20％、30％、40％时，其熔覆层平均硬度分别为：592.1HV、789.2HV、968.2HV、1035.8HV，最大硬度为：746.5HV、1060HV、1139HV、1261HV。
附图说明
图1是本发明实例一的SEM金相图；
图2是本发明实例二的SEM金相图；
图3是本发明实例三的SEM金相图；
图4是本发明实例四的SEM金相图；
图5是本发明实例五的能谱(EDS)图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实例一：
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
(2)将质量百分比10％镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；
(4)经显微硬度测试，所得熔覆层平均硬度592.1HV，在熔覆层顶端获得最大硬度，值为746.5HV；SEM金相图片如图1所示。
实例二：
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
(2)将质量百分比20％镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；
(4)经显微硬度测试，所得熔覆层平均硬度789.2HV，在熔覆层顶端获得最大硬度，值为1060HV；SEM金相图片如图2所示。
实例三：
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
(2)将质量百分比30％镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；
(4)经显微硬度测试，所得熔覆层平均硬度968.2HV，在熔覆层顶端获得最大硬度，值为1139HV；SEM金相图片如图3所示。
实例四：
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
(2)将质量百分比40％镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；
(4)经显微硬度测试，所得熔覆层平均硬度1035.8HV，在熔覆层顶端获得最大硬度，值为1261HV；SEM金相图片如图4所示。
实例一中所得的熔覆层硬度最低，熔覆层组织结构较差，实例二中所得的熔覆层组织结构较好，但其平均硬度略显偏低。实例三中所得的熔覆层无论是组织结构还是硬度都较为出色。实例四中得到的熔覆层硬度最大，但是可以在熔覆层显微组织图中看出，其熔覆层组织结构略差。
使用EDAX Genesis XM2能谱仪分析熔覆层的成分，得SEM金相图标注区域熔覆层含有质量百分比25.52％硼、8.66.2％碳、0.5％硅、7.34％铬、50.58％铁、7.01％镍。能谱图如图5所示。
Claims (2)
1.一种铁基镍包碳化硼激光熔覆材料的制备方法。其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
步骤二：分别将质量百分比10％、20％、30％、40％的镍包碳化硼粉末与铁基合金粉末放入烘干机烘干去水分后，再通过机械混粉器充分混合，将混合粉末预置在45#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；
步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。
2.如权利要求1所述的一种铁基合金与镍包碳化硼混合粉末激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中铁基合金与镍包碳化硼粉末粒度为：50～100μm。
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