CN105779996A - 一种高耐磨金属陶瓷涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高耐磨金属陶瓷涂层，包括10wt.％～20wt.％的Fe基合金，80wt.％～90wt.％的Si‑Al‑C‑N非晶粒子。本发明还提供了一种高耐磨金属陶瓷涂层的激光熔覆制备方法。本发明采用Fe基合金包覆Si‑Al‑C‑N超硬非晶粒子作为铲刀刃金属陶瓷涂层，涂层硬度可达HV2000以上，摩擦系数低于0.45，激光熔覆制备工艺不降低钢的强度和韧性，金属陶瓷涂层使普通钢具有良好的硬度、强度、韧性和摩擦系数匹配，具有良好的使用性能和很长的使用寿命。本发明采用普通Fe基合金作为Si‑Al‑C‑N非晶粒子激光熔覆包覆材料，使耐磨特种钢的成本显著降低。
Description
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金属陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
装载机铲刀刃作业时切削砂石等硬物料，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HRC 56～60。然而，离子注渗钨工艺复杂、成本高、生产效率低。
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。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高耐磨金属陶瓷涂层及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高耐磨金属陶瓷涂层，以重量百分比计，该金属陶瓷涂层的材料由如下成分组成：Fe基合金：10～20％，Si-Al-C-N非晶粒子：80～90％；
所述的高耐磨金属陶瓷涂层按照如下工序制备：
1)以重量百分比计，将：Fe基合金粉末：10～20％，Si-Al-C-N纳米非晶粒子：80～90％，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；
2)将金属陶瓷粉末料浆均匀涂覆于普通钢表面，涂覆厚度为0.3～2mm；
3)将涂覆金属陶瓷粉末的普通钢置于非氧化性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，在普通钢表面形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带；
4)将普通钢旋转，使激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，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；
5)重复步骤4)，直至使普通钢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普通钢表面形成一层高耐磨金属陶瓷涂层；
6)重复步骤2)至步骤5)，在普通钢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，使普通钢表面高耐磨金属陶瓷涂层厚度为1～10mm。
所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Fe基合金中的元素重量百分比：Fe：≥50％，Si≤2％，C≤2％，B：≤0.01％，P：≤0.1％，S：≤0.05％，余量为钢中除Fe以外常见金属元素的一种或多钟。
所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Fe基合金粉末：尺寸≤40μm。
所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Si-Al-C-N非晶粒子：尺寸≤20μm。
本发明通过在普通钢表面制备Fe基合金包覆Si-Al-C-N非晶粒子的金属陶瓷涂层，提高了普通钢的表面硬度；采用激光熔覆工艺制备金属陶瓷涂层，热影响区仅在普通钢表面，制备金属陶瓷涂层不降低普通钢基体的强度和韧性；采用Si-Al-C-N非晶陶瓷粒子，降低了普通钢金属陶瓷涂层的摩擦系数。
本发明有益效果是：(1)本发明采用激光熔覆制备的Fe基合金包覆Si-Al-C-N非晶粒子金属陶瓷涂层硬度可达HV2000以上，同时不降低普通钢的强度和韧性，金属陶瓷涂层摩擦系数低于0.45，使普通钢具有良好的硬度、强度、韧性和摩擦系数匹配，耐磨性较不制备金属陶瓷涂层的普通钢提高四倍以上；(2)本发明采用普通Fe基合金作为Si-Al-C-N非晶粒子激光熔覆包覆材料，降低了成本；(3)本发明降低了对特种钢的硬度、强度和韧性要求，可使用一般钢如45号钢作为特种钢，使特种钢成本降低50％以上。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
具体实施方式
以下给出发明人提供的具体实施例，需要说明的是本发明的技术方案不限于以下具体实施例，凡在本发明技术方案上进行的同等变换均落入本发明权利要求保护的范围内。
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的10wt.％Fe基合金包覆90wt.％Si-Al-C-N非晶粒子的高耐磨金属陶瓷涂层，得到25mm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：
1)以重量百分比计，将：Fe基合金粉末：10wt.％，Si-Al-C-N纳米非晶粒子：90wt.％，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：Fe：50％，Ni：30％，Cr：15％，Mn：3.434％，Si：1％，C：0.5％，B：0.006％，P：0.04％，S：0.02％，粉末粒度35μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸18μm。
2)将金属陶瓷粉末料浆均匀涂覆于铲刀刃表面，涂覆厚度为2mm；
3)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；
4)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；
5)重复步骤4)，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；
6)重复步骤2)至步骤5)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厚的15wt.％Fe基合金包覆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：
1)以重量百分比计，将：Fe基合金粉末：15wt.％，Si-Al-C-N纳米非晶粒子：85wt.％，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：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％，粉末粒度30μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸12μm。
2)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；
3)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；
4)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；
5)重复步骤4)，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；
6)重复步骤2)至步骤5)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
采用公开号为CN103205639A的中国发明专利制备35mm厚的铲刀刃，在表面制备10mm厚的20wt.％Fe基合金包覆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：
1)以重量百分比计，将：Fe基合金粉末：20wt.％，Si-Al-C-N纳米非晶粒子：80wt.％，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：Fe：55％，Ni：25％，Cr：15％，Mn：2.5％，Mo：2.167％，Si：0.2％，C：0.1％，B：0.003％，P：0.02％，S：0.01％，粉末粒度35μm，Si-Al-C-N非晶粒子尺寸15μm。
2)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；
3)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；
4)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；
5)重复步骤4)，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；
6)重复步骤2)至步骤5)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为上述实施例制备的带有高耐磨金属陶瓷涂层铲刀刃与未带有涂层铲刀刃的强度Rm、25℃室温冲击韧性、硬度、摩擦系数(采用Si3N4球作为对磨副)以及铲刀刃制备涂层前后的寿命对比测试结果，表中可看出本发明技术方案制备的高耐磨铲刀刃金属陶瓷涂层具有优良的性能，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。
表1铲刀刃制备高耐磨金属陶瓷涂层前后性能测试结果
Claims (4)
1.一种高耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，以重量百分比计，该金属陶瓷涂层的材料由如下成分组成：Fe基合金：10～20％，Si-Al-C-N非晶粒子：80～90％；
所述的高耐磨金属陶瓷涂层按照如下工序制备：
1)以重量百分比计，将：Fe基合金粉末：10～20％，Si-Al-C-N纳米非晶粒子：80～90％，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；
2)将金属陶瓷粉末料浆均匀涂覆于普通钢表面，涂覆厚度为0.3～2mm；
3)将涂覆金属陶瓷粉末的普通钢置于非氧化性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，在普通钢表面形成一条高耐磨金属陶瓷涂层带；
4)将普通钢旋转，使激光光源将金属陶瓷粉末熔覆，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；
5)重复步骤4)，直至使普通钢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普通钢表面形成一层高耐磨金属陶瓷涂层；
6)重复步骤2)至步骤5)，在普通钢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，使普通钢表面高耐磨金属陶瓷涂层厚度为1～10mm。
2.如权利要求1所述的高耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Fe基合金中的元素重量百分比：Fe：≥50％，Si≤2％，C≤2％，B：≤0.01％，P：≤0.1％，S：≤0.05％，余量为钢中除Fe以外常见金属元素的一种或多钟。
3.如权利要求1所述的高耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Fe基合金粉末：尺寸≤40μm。
4.如权利要求1所述的高耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述的高耐磨金属陶瓷涂层材料Si-Al-C-N非晶粒子：尺寸≤20μm。
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