CN107937860A

CN107937860A - 一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法

Info

Publication number: CN107937860A
Application number: CN201810030215.6A
Authority: CN
Inventors: 董天顺; 郑晓东; 李国禄; 李亚龙; 李小兵; 刘利; 王冉
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明为一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法。该方法包括以下步骤：通过机械混粉器将Cr粉，C粉，Ni粉，B粉，Si粉，Mn粉，La粉和Fe粉混合均匀；所述的粉末粒度为10～25μm；采用等离子喷涂设备将上述得到的干燥混合粉末喷涂在喷砂的基体上，涂层厚度为350～400μm；再通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流70～90A，弧长2～3.5mm，氩气流量8～10L·min^‑1，重熔速度200～300mm·min^‑1，最后得到耐磨涂层。

Description

一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法

技术领域

本发明属于重熔合金涂层技术领域，尤其涉及一种氩弧重熔Fe基合金粉末及其制备方法。

背景技术

航空发动机的缸套、曲轴的破坏和失效一般都发生在零件的表面或从表面开始，如磨损、氧化等。据统计，全世界各类零部件因摩擦磨损造成的经济损失高达数千亿美元。由于摩擦磨损发生在材料表面，因此采用先进的表面强化技术，在普通材料表面优化设计出所需的耐磨涂层是一种简便有效的方法，不仅可以显著提高产品的服役寿命，而且节约材料和能源。热喷涂技术是目前常见的表面修复与防护技术，其具有生产效率高、经济效益好、材料利用率高等优点。热喷涂技术虽然多种多样，但其基本工艺是相同的，喷涂材料经加热熔化和加速→撞击基体→冷却凝固→形成涂层。

等离子喷涂是热喷涂的典型技术之一，虽然等离子喷涂层具有较高的耐磨能力，但是等离子涂层存在孔隙、裂纹、氧化夹杂物、涂层与基体结合差等缺陷，限制了热喷涂层的应用范围。目前，相关研究发现重熔处理可以明显改善热喷涂层的组织，并进而提高其耐磨性、耐疲劳性能。比较常见的重熔处理方式有激光重熔、电子束重熔、感应重熔、火焰重熔等。但上述重熔方法在工程应用中均存在一定的困难：激光重熔急剧加热、冷却使得涂层容易产生裂纹，同时熔池中的气体也不易于排除，进而形成气孔缺陷；电子束重熔要求具备真空室，因此工件的尺寸受到限制；感应重熔温度场分布不均匀，影响涂层组织与性能的均匀性且该工艺严格受感应圈形状和尺寸限制；火焰重熔扩大了重熔工件的热影响区，残余应力较大，变形较严重；而钨极氩弧重熔技术经济成本低，容易实现自动化，惰性气体保护效果好，热输入较低，熔深较浅。

氩弧重熔技术是被广泛认可的一种获得耐磨、耐热、抗氧化和抗腐蚀涂层的表面技术，也是一种实现工件再制造的成形技术。它是以高能量密度的电弧为热源，使涂层温度瞬间达到熔点以上而熔化，在基材表面制备一层合金材料，使重熔层与基材实现冶金结合，且在基材表面形成与原有完全不同成分、性能的合金层的表面改性方法。该技术具有很多优点：如(1)氩弧能量密度高105-106W/cm²，加热速度快，对基材热影响小，容易实现自动化。(2)可将基材的稀释率控制在极低的范围。(3)重熔层与基材形成冶金结合，结合强度高，可以保证涂层在使用过程中不易脱落。(4)适用材料体系广泛，理论上任何基材表面均能重熔金属或陶瓷材料等。(5)还可以用于废品件的处理，大量节约加工成本，对环境的污染小等。

目前，氩弧重熔技术在工业中的应用主要有以下几个方面：(1)在航空航天工业中的应用。航天发动机磨损是发动机使用和维修的一大难题，通过氩弧重熔技术可以获得优异性能的重熔层，为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一个新局面。(2)在汽车工业中的应用。在汽车发动机上，可以用氩弧重熔技术形成具有优良耐磨、耐热的合金涂层。(3)在模具上的应用，模具的使用寿命决定了许多设备的生产率和生产成本。(4)在工业齿轮上的应用，可以通过氩弧重熔技术在齿轮表面制备重熔层，提高齿轮的耐磨性及疲劳性能。(5)改善金属材料的耐磨性。氩弧重熔是提高金属材料耐磨性能的有效途径之一，但是由于涂层的成分影响着热裂倾向，因此，对涂层成分进行合适的设计是必要的。

重熔材料：目前应用广泛的氩弧重熔材料主要有镍基合金、钴基合金、铁基合金、碳化钨复合材料、陶瓷材料。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗磨性能好。但是，与Ni基、Co基自熔性合金粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性较差、重熔层易开裂、容易被氧化、易产生气孔等缺点。因此，在Fe基自熔性合金粉末的成分设计上，通常采用B、Si及Cr等元素来提高重熔层的硬度与耐磨性，用Ni元素来提高重熔层的流动性及抗开裂能力。虽然Fe基合金涂层拥有较高的耐磨性能，但是在滑动磨损、滚动/滑动疲劳等恶劣的工况条件下，铁基合金涂层往往因涂层与基体间结合较差而失效，因此，找到一种合适组分的涂层以及新的表面强化的方法十分重要。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法。该方法通过对涂层的成分设计，在常规的Fe基喷涂层中添加了新的成分Ni和La元素，又采用了不同于传统涂层的制备方法，即先喷涂再重熔的两步法制备涂层。本发明提高了重熔层的硬度、耐磨性，并且通过氩弧重熔技术实现了重熔层与基体达到冶金结合。

本发明的技术方案为：

一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：通过机械混粉器将Cr粉，C粉，Ni粉，B粉，Si粉，Mn粉，La粉，Fe粉，混合均匀，组分的质量百分含量分别为：Cr含量为10～13％，C含量为0.2～0.75％，Ni含量为7.2～10.5％，B含量为1.7～3.1％，Si含量为1～1.5％，Mn含量为0.23～0.36％，La含量为1～1.5％，余量为Fe；所述的粉末粒度为10～25μm；

步骤二：用烘干机对混合后的粉末在80～100℃下保温2～4小时；

步骤三：将基体经砂纸后清洗；

步骤四：对基体进行喷砂处理，喷砂材料为石英砂，喷砂距离200～300mm，喷砂角度45°～90°，随后用丙酮溶液超声清洗，清除喷砂后残留的颗粒；

步骤五：采用等离子喷涂设备将步骤二中得到的干燥混合粉末喷涂在喷砂的基体上，喷涂功率为30～50KW，喷涂距离100～150mm，保护气体Ar，冷却方式为空冷，涂层厚度为350～400μm；

步骤六：通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流70～90A，弧长2～3.5mm，氩气流量8～10L·min^-1，重熔速度200～300mm·min^-1，最后得到耐磨涂层。

所述的基体优选为碳钢、低合金钢或不锈钢。

本发明的有益效果为：

本发明通过氩弧重熔来消除涂层的微裂纹以及减少气孔、夹杂物和未熔颗粒等缺陷，提高涂层的耐磨性。用于热挤压模具、活塞杆、活塞环、柱塞、泵叶片、风机叶片等部件的修复再制造。具体体现在：

1、本发明改善了金属表面的耐磨、耐蚀、抗氧化等性能；

2、本发明不但适用于大面积的金属表面修复，而且还适合要求局部耐磨、容易变形的零件；

3、本发明对基体材料的影响较小，能得到质量良好的重熔层，经济成本比较低；

4、通过对合金喷涂层的重熔处理后形成较多的Fe₃B、CrB和(Fe,Cr)₂₆C₃等硬质相；

5、重熔后涂层的显微硬度为782～1050HV_0.1显著提高了涂层的硬度，最大硬度可达1050HV_0.1。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相组织图；

图2为本发明实施例2的金相组织图；

图3为本发明实施例2的重熔层的显微组织硬度图；

图4为本发明实施例3的金相组织图；

图5为本发明实施例3的重熔层高倍SEM图；

图6为本发明实施例3的重熔层的显微组织硬度图；

图7为本发明实施例3的磨损失重图；

图8为本发明实施例3的摩擦磨损系数曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但要求保护的范围并不局限于所述实施例。

实施例1：

(1)通过机械混粉器将Cr粉，C粉，B粉，Si粉，Mn粉，Fe粉，混合均匀，其纯度大于99.5％，组分的质量百分含量为Cr含量为10％，C含量为0.2％，B含量为1.7％，Si含量为1％，Mn含量为0.23％，余量为Fe，粉末粒度为10～25μm；

(2)用烘干机对混合均匀的粉末干燥预处理，80℃保温4小时，烘干水分；

(3)选用45#钢作为重熔层的基体，用1000目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液超声清除干净基体表面油污和锈迹；

(4)对基体进行喷砂处理，喷砂材料为石英砂，喷砂距离200mm，喷砂角度45°，随后用丙酮溶液超声清洗，清除喷砂后残留的颗粒；

(5)采用等离子喷涂设备将干燥的混合粉末喷涂在喷砂的基体上，喷涂功率为30KW，喷涂距离100mm，保护气体Ar，冷却方式为空冷，涂层厚度为350μm；

(6)通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流70A，弧长2mm，氩气流量8L·min^-1，重熔速度200mm·min^-1。

(7)取样→人工研磨(所用砂纸及研磨顺序为200#→400#→600#→800#→1000#→1500#→2000#→3000#，每换一次砂纸需将调转90°再进行研磨)→清水冲洗→抛光(抛光剂为金刚石抛光膏)→二次清水冲洗→腐蚀(腐蚀剂采用4％硝酸酒精)→清水冲洗→酒精冲洗→烘干。烘干后，利用光学显微镜对重熔试样进行观察，涂层的金相组织如图1所示。

实施例2：

(1)通过机械混粉器将Cr粉，C粉，Ni粉，B粉，Si粉，Mn粉，La粉，Fe粉，La

粉，混合均匀，其纯度大于99.5％，组分的质量百分含量为Cr含量为10％，C含量为0.2％，

B含量为1.7％，Ni含量为7.2％，Si含量为1％，Mn含量为0.23％，La含量为1％，余

量为Fe，粉末粒度为10～25μm；

(2)用烘干机对混合均匀的粉末干燥预处理，90℃保温3小时，烘干水分；

(4)对基体进行喷砂处理，喷砂材料为石英砂，喷砂距离250mm，喷砂角度60°，随后用丙酮溶液超声清洗，清除喷砂后残留的颗粒；

(5)采用等离子喷涂设备将干燥的混合粉末喷涂在喷砂的基体上，喷涂功率为40KW，喷涂距离120mm，保护气体Ar，冷却方式为空冷，涂层厚度为380μm；

(6)通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流80A，弧长2.5mm，氩气流量9L·min^-1，重熔速度250mm·min^-1。

(7)取样→人工研磨(所用砂纸及研磨顺序为200#→400#→600#→800#→1000#→1500#→2000#→3000#，每换一次砂纸需将调转90°再进行研磨)→清水冲洗→抛光(抛光剂为金刚石抛光膏)→二次清水冲洗→腐蚀(腐蚀剂采用4％硝酸酒精)→清水冲洗→酒精冲洗→烘干。烘干后，利用光学显微镜对重熔试样进行观察，涂层的金相组织如图2所示，显微硬度为782～980HV_0.1，如图3所示。

实施例3：

粉，混合均匀，其纯度大于99.5％，组分的质量百分含量为Cr含量为12％，C含量为0.5％，

B含量为2％，Ni含量为9％，Si含量为1.25％，Mn含量为0.3％，La含量为1.25％，余

量为Fe，粉末粒度为10～25μm；

(2)用烘干机对混合均匀的粉末干燥预处理，100℃保温2小时，烘干水分；

(4)对基体进行喷砂处理，喷砂材料为石英砂，喷砂距离300mm，喷砂角度90°，随后用丙酮溶液超声清洗，清除喷砂后残留的颗粒；

(5)采用等离子喷涂设备将干燥的混合粉末喷涂在喷砂的基体上，喷涂功率为50KW，喷涂距离150mm，保护气体Ar，冷却方式为空冷，涂层厚度为400μm；

(6)通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流90A，弧长3.5mm，氩气流量10L·min^-1，重熔速度300mm·min^-1。

(7)取样→人工研磨(所用砂纸及研磨顺序为200#→400#→600#→800#→1000#→1500#→2000#→3000#，每换一次砂纸需将调转90°再进行研磨)→清水冲洗→抛光(抛光剂为金刚石抛光膏)→二次清水冲洗→腐蚀(腐蚀剂采用4％硝酸酒精)→清水冲洗→酒精冲洗→烘干。烘干后，利用光学显微镜对重熔试样进行观察，涂层的金相组织如图4所示，高倍腐蚀扫描形貌如图5所示，显微硬度为835～983HV_0.1，如图6所示。

(8)采用MM-200型磨损试验机分别对重熔层和喷涂层进行了耐磨性测试，为了保证实验条件的统一，实验前依次用200#、400#、600#、800#到1000#砂纸磨平试样表面，磨损实验参数为：实验力300N，测试时间为30min，对磨环材料为GCr15，直径为转数200r/min。重熔层及喷涂层的磨损失重如图7所示，摩擦系数如图8所示。

实施例4：

通过机械混粉器将Cr粉，C粉，Ni粉，B粉，Si粉，Mn粉，La粉，Fe粉，La粉，混合均匀，其纯度大于99.5％，组分的质量百分含量为Cr含量为13％，C含量为0.75％，Ni含量为10.5％，B含量为3.1％，Si含量为1.5％，Mn含量为0.36％，La含量为1.5％，余量为Fe，粉末粒度为10～25μm；另外，采用不锈钢作为重熔层的基体；其它步骤同实施例3。通过显微硬度测试，其硬度值为930～1050HV_0.1。

本发明的方法即用钨极氩弧重熔Fe基等离子喷涂层，由实施例1中金相组织图可知，在没有加入Ni和La元素时的Fe基涂层经过氩弧重熔后有热裂纹产生，虽然在较大程度上消除了喷涂层中的气孔、夹杂物和微裂纹等缺陷，使涂层与基体形成良好的冶金结合。在实例1的基础上加入适量的Ni和La元素，由图2可知，重熔层均匀致密，无较多的缺陷，涂层与基体结合良好。通过显微硬度测试，结果表明，重熔层硬度为782～980HV_0.1，与喷涂层相比，硬度显著提高。此外，经过对喷涂粉末的成分设计，由实例3中的腐蚀组织可以明显发现，重熔层组织形成了大量的网状组织(Fe,Cr)₂₃C₆及少量的CrB和Fe₃B硬质相。分析认为，由于(Fe,Cr)₂₃C₆、CrB和Fe₃B硬质相的产生，使重熔层的硬度显著提高。随后进行了磨损实验，结果重熔层的磨损失重降低，摩擦系数较小，提高了涂层的耐磨性。氩弧重熔处理Fe基合金涂层既克服了涂层的耐疲劳性能差等不足，又使得涂层拥有较高的硬度及耐磨性，从而使得涂层获得良好的综合性能，因此，该技术对扩展Fe基合金涂层的应用范围具有现实意义。本发明所制备的涂层可根据实际工况的需求调节涂层的厚度及电流的大小。另外，本发明制备的涂层适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件，设备成本低且热输入较小，在工业生产中容易实现自动化。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：

步骤一：通过机械混粉器将Cr粉，C粉，Ni粉，B粉，Si粉，Mn粉，La粉和Fe粉混合均匀，组分的质量百分含量分别为：Cr含量为10~13%，C含量为0.2~0.75%，Ni含量为7.2~10.5%，B含量为1.7~3.1%，Si含量为1~1.5%，Mn含量为0.23~0.36%，La含量为1~1.5%，余量为Fe；所述的粉末粒度为10~25μm；

步骤二：用烘干机对混合后的粉末在80~100℃下保温2~4小时；

步骤三：将基体经砂纸后清洗；

步骤四：对基体进行喷砂处理，喷砂材料为石英砂，喷砂距离200~300mm，喷砂角度45°~90°，随后用丙酮溶液超声清洗，清除喷砂后残留的颗粒；

步骤五：采用等离子喷涂设备将步骤二中得到的干燥混合粉末喷涂在喷砂的基体上，喷涂功率为30~50KW，喷涂距离100~150mm，保护气体Ar，冷却方式为空冷，涂层厚度为350~400μm；

步骤六：通过钨极氩弧设备对涂层重熔处理，电流70~90A，弧长2~3.5mm，氩气流量8~10L·min^-1，重熔速度200~300mm·min^-1，最后得到耐磨涂层。

2.如权利要求1所述的氩弧重熔Fe基耐磨层的制备方法，其特征为所述的基体为碳钢、低合金钢或不锈钢。