CN108103495B - 一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料及涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料及涂层的制备方法。涂层材料按重量份计包括，Fe粉20‑25份、Cr粉20‑25份、Co粉20‑25份、W粉10‑15份、Mo粉7‑10份、Nb粉7‑10份、Ti粉3‑5份、Si粉2‑5份。其方法是将涂层材料研磨，然后涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆，即得涂层。本发明的涂层具有高温时耐磨性能好，与基体结合力好，不易剥落，脆性小，表面光滑，能满足工件表面较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，制备工艺简单的特点。

Description

一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料及涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种工具钢涂层材料及涂层的制备方法，特别是一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料及涂层的制备方法。
背景技术
高速工具钢（亦称锋钢）通常用作高速切削工具，通常高速切削刀具要求有优良的耐磨性、良好的抗冲击性能、极高的红硬性和优异的切削能力。高速钢刀具在工作的切削速度是常规的 5～10倍，极高切削速度会导致刀具局部产生高温度、较大压力、剧烈摩擦及刀具内热应力的高频率周期性变化，从而加速刀具的磨损从而导致刀具寿命较短。因此，高速切削刀具失效的主要原因是高速钢的高温性能不足，及高温不耐磨损。当前解决方法一般采用离子渗氮、机械喷丸强化以及较先进的涂层技术等提高刀具寿命，但都有一定的不足之处。具体为：1、现有技术处理的工具钢在800℃以上时硬度低，不耐磨，耐高温性能差；2、现有技术的涂层材料与基体结合度差，易剥落；3、离子渗氮处理后工具钢变形小，热稳定性和耐腐蚀性较好，但是渗氮深度浅，氮会增加工具钢脆性；4、机械喷丸强化使工具钢表面粗糙度不能满足工件表面较高的尺寸精度和表面粗糙度要求；5、现有的涂层技术工艺复杂。综上，现有技术或多或少都存在高温时耐磨性能差，与基体结合力差，易剥落，或脆性大，或表面粗糙，不能满足工件表面较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，或制备工艺复杂的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料及涂层的制备方法。本发明的涂层材料具有高温时耐磨性能好，与基体结合力好，不易剥落，脆性小，表面光滑，能满足工件表面较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，制备工艺简单的特点。
本发明的技术方案：一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料，按重量份计包括，Fe粉20-25份、Cr粉 20-25份、Co粉 20-25份、W粉 10-15份、Mo粉7-10份、Nb粉 7-10份、Ti粉 3-5份、Si粉 2-5份。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料，其特征在于：所述涂层材料按重量份计包括，Fe粉 22-24份、Cr粉 22-23份、Co粉 21-23份、W粉 11-14份、Mo粉 8-9份、Nb粉 8-9份、Ti粉 3-4份、Si粉 3-4份。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料，所述涂层材料按重量份计包括，Fe粉 23份、Cr 粉22份、Co粉 22份、W粉 13份、Mo 粉8份、Nb粉 9份、Ti粉 4份、Si粉 3份。
一种根据前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，包括如下步骤：
1）将涂层材料研磨，得A品；
2）将A品涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆，即得涂层。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述步骤1）中，是将涂层材料放在钢体研磨罐中研磨8小时以上。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述涂层材料是放在钢体研磨罐中研磨10小时。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述步骤2）中，激光器的输出功率为1.7kW，激光的光斑直径为5-7mm，扫描速度为5-7mm/s，搭接率为40-60%。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述激光的光斑直径为6mm，扫描速度为6mm/s，搭接率为50%。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述涂层的厚度为1-1.4mm。
前述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，所述涂层的厚度为1.2mm。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的涂层材料为高熵合金体系，高熵合金是由多组主元按等摩尔比或接近等摩尔比所组成的一类新型合金体系，在800度及以上仍然具有很高的硬度，大大提高了涂层在高温时的耐磨性能；同时，本发明的涂层材料流动性好，涂层与基材为冶金结合，结合力强，不易脱落。此外，本发明的涂层还具有脆性小，使用寿命长；表面光滑，能满足工件表面较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。此外，采用本发明涂层材料制备涂层时，只需要将材料研磨，控制好熔覆工艺参数后采用激光熔覆即可，其制备工艺简单。
附图说明
附图1为本发明的涂层室温下的组织图；
从图1中可以看出，涂层组织为细小的树枝晶，且各枝晶生长方向与传统金属激光熔覆后组织生长方向不一致，为无序生长。涂层在850℃退火4h后，涂层组织并未发生明显变化。涂层在950℃退火4h后，枝晶并未形状未发生改变，但是集体组织中析出共晶组织，表明高温下，基体组织内部原子扩散能力增强，过饱和固溶体发生失稳分解。最后，涂层在1050℃下退火4h后，枝晶尺寸变小，基体组织中共晶组织消失。
附图2为本发明的涂层经过850℃退火后的组织图；
附图3为本发明的涂层经过950℃退火后的组织图；
附图4为本发明的涂层经过1050℃退火后的组织图；
附图5为本发明的涂层分别经过8000C、8500C、9000C 和10500C退火处理的XRD图；
从图5可以看出，涂层室温下主相为BCC固溶体，同时以高碳工具钢为基材，其内部的碳原子与高熵合金内部强碳化物形成元素Ti、Nb，形成MC型碳化物。再者，其内部包含少量的Laves相。随着退火温度的升高，涂层内部BCC相峰逐渐向右偏移，固溶度下降。同时其内部Laves相含量逐渐升高。碳化物相峰未发生明显变化。
附图6为本发明的涂层分别经过8000C、8500C、9000C 和10500C退火处理的硬度图。
从图6中可以看出，涂层室温下的硬度大约为750HV0.2。800℃和850℃下退火后，涂层的硬度不但没有降低，反而升高至1000HV0.2以上，这只要是由于BCC固溶体内部析出适量的第二相，起到弥散增强的效果。但是随着退火温度升高至1050℃，涂层BCC相大量析出第二相，弥散强化的效果显著降低。
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。
本发明的实施例：
实施例1、一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料，按重量份计包括，Fe粉 23份、Cr粉22份、Co粉 22份、W粉 13份、Mo 粉8份、Nb粉 9份、Ti粉 4份、Si粉 3份。
实施例2、一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料，按重量份计包括，Fe粉 20份、Cr粉 20份、Co粉 20份、W粉 10份、Mo粉7份、Nb粉 7份、Ti粉 3份、Si粉 2份。
实施例3、一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料，按重量份计包括，Fe粉25份、Cr粉25份、Co粉 25份、W粉 15份、Mo粉10份、Nb粉 10份、Ti粉 5份、Si粉 5份。
实施例4、一种耐高温高熵合金工具钢涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按如下重量份称取涂层材料，Fe粉 23份、Cr 粉22份、Co粉 22份、W粉 13份、Mo粉8份、Nb粉 9份、Ti粉 4份、Si粉 3份，将涂层材料研磨10小时，得A品；
2）将A品涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆制备厚度为1.2mm的涂层，激光器的输出功率为1.7kW，所述激光的光斑直径为6mm，扫描速度为6mm/s，搭接率为50%。
实施例5、一种耐高温高熵合金工具钢涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按如下重量份称取涂层材料，Fe粉 20份、Cr粉 20份、Co粉 20份、W粉 10份、Mo粉7份、Nb粉 7份、Ti粉 3份、Si粉 2份，将涂层材料研磨8小时，得A品；
2）将A品涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆制备厚度为1mm的涂层，激光器的输出功率为1.7kW，激光的光斑直径为5mm，扫描速度为5mm/s，搭接率为40%。
实施例6、一种耐高温高熵合金工具钢涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按如下重量份称取涂层材料，Fe粉25份、Cr粉25份、Co粉 25份、W粉 15份、Mo粉10份、Nb粉 10份、Ti粉 5份、Si粉 5份，将涂层材料研磨20小时，得A品；
2）将A品涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆制备厚度为1.4mm的涂层，激光器的输出功率为1.7kW，激光的光斑直径为7mm，扫描速度为7mm/s，搭接率为60%。

Claims (8)

1.一种耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将涂层材料研磨，得A品；
2）将A品涂覆在工具钢表面，通过激光器对涂层材料进行激光熔覆，即得涂层；
步骤1）所述涂层材料按重量份计，包括有：Fe粉 10-25份、Cr粉 10-25份、Co粉 10-30份、W粉 2-20份、Mo粉3-10份、Nb粉3-10份、Ti粉 0-5份、Si粉 1-5份；
所述步骤2）中，激光器的输出功率为1.5- 2.0kW，激光的光斑直径为5-7mm，扫描速度为5-7mm/s，搭接率为40-60%。
2.根据权利要求1所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述涂层材料按重量份计，包括有：Fe粉 10-24份、Cr粉 10-23份、Co粉 11-28份、W粉5-18份、Mo粉 3-9份、Nb粉 3-9份、Ti粉 0-4份、Si粉 1-4份。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述涂层材料按重量份计，包括有：Fe粉 23份、Cr 粉22份、Co粉 22份、W粉 13份、Mo粉8份、Nb粉 9份、Ti粉 4份、Si粉 3份。
4.根据权利要求1所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述步骤1）中，是将涂层材料放在钢体研磨罐中研磨4小时以上。
5.根据权利要求4所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述研磨时间为4-8小时。
6.根据权利要求1所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述激光的光斑直径为6mm，扫描速度为6mm/s，搭接率为50%。
7.根据权利要求1所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述涂层的厚度为1-1.5mm。
8.根据权利要求7所述的耐高温高熵合金工具钢涂层材料制备涂层的方法，其特征在于：所述涂层的厚度为1.2mm。
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