CN108315638B - 一种冷喷涂用铁基合金粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 13％～15％，Ni或Co 3％～5％，V 2％～3％，C 1.3％～1.5％，B 1％～2％，Si 0.5％～1％，稀土氧化物0.5％～1％，余量为Fe，其中Mn和C的质量比为10:1。本发明公开了一种铁基合金粉末的制备方法，将原料熔炼后依次进行除渣、精炼、均匀化、雾化、干燥和过筛，经固溶和还原得到铁基合金粉末。本发明还公开了一种铁基合金粉末的应用。本发明控制铁基合金粉末中的Mn和C的质量比，使其具备形变硬化性能。本发明的方法通过固溶处理提高了铁基合金粉末的沉积性能。本发明的铁基合金粉末涂层硬度高，磨损慢，使用期限长。

Description

一种冷喷涂用铁基合金粉末及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于合金材料技术与表面改性技术领域，具体涉及一种冷喷涂用铁基合金粉末及其制备方法和应用。
背景技术
冷喷涂技术是一种以预热压缩气体(氮气、氦气、空气或混合气体)为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度撞击基体，通过颗粒发生强烈塑性变形的方式沉积形成涂层的低温喷涂技术。冷喷涂与热喷涂最大的区别在于颗粒加热程度不同导致其撞击工具表面之前的状态不同。传统热喷涂技术的三大热源温度分别为：燃烧火焰(温度均高于2000℃)、电弧(温度达到5000℃以上)、等离子体(温度更是高达16000℃)，因此热喷涂的颗粒在沉积过程中熔化，并伴随熔滴的撞击、焊合、冷却、凝固、相变等冶金过程，而冷喷涂的颗粒在沉积过程中不发生熔化，固体颗粒在极高的应变和应变速率条件下，发生绝热剪切失稳，从而引起塑性流变并形成机械咬合。
冷喷涂颗粒沉积过程中存在一个临界沉积速度，只有当颗粒的飞行速度超过该临界沉积速度，颗粒对基体的冲蚀作用才能转化为穿孔效应从而沉积形成涂层。通常颗粒的硬度越高，其临界沉积速度就越高，即粉末颗粒硬度越高越难沉积，因此高硬度合金不易利用冷喷涂技术有效沉积涂层；低硬度纯金属或合金可以利用冷喷涂技术制备涂层，但涂层的耐磨性能往往达不到使用要求。由于冷喷涂技术依靠高压气流使颗粒的飞行速度超过临界沉积速度来获得涂层，所以提高颗粒的飞行速度是制备高性能涂层的关键。颗粒的飞行速度主要与载气及载气预热温度有关。常用载气中氦气的加速效果最优，但成本过高；氮气最经济，但加速效果差。载气预热温度主要为了增强气体分子在喷嘴收缩段的膨胀效果，从而使气流在扩张段达到最大的流速，但是载气预热温度的提高受到沉积材料、设备的限制，而且无论如何升级设备，改进喷嘴结构，优化工艺参数，采用单一的冷喷涂技术依然无法沉积制备高硬度(硬度HV≥300)的合金材料涂层，大大制约了喷涂技术的推广。
目前主要通过调整冷喷涂的工艺参数，如载气预热温度和载气压力来改善高硬度的合金材料涂层的沉积效果。授权公告号为CN104325148 B的发明专利公开了一种冷喷涂用低阻力球形金属粉末的制备方法及球形金属粉末，该专利将制备得到的球形粉末高速反复撞击在带有相应规格表面凸起的基体上，使金属粉末表面形成凹坑，通过改善粉末表面形貌抑制流动分离的发生，提高粉末在喷涂过程中的飞行速率，达到提高涂层致密度的效果，但该专利的方法繁琐冗长，适用范围有限，且并未从根本上通过改变冷喷涂粉末的硬度去改善喷涂的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种冷喷涂用铁基合金粉末。该铁基合金粉末成分中添加有Mn和C，通过控制Mn和C的质量比为10:1，使铁基合金粉末形成低硬度的单一的奥氏体组织，从而使其具备了显著的形变硬化效应，提高了其在沉积过程中的形变能力，使铁基合金粉末在冷喷涂过程中容易获得更高的硬度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种冷喷涂用铁基合金粉末，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Mn 13％～15％，Ni或Co 3％～5％，V 2％～3％，C 1.3％～1.5％，B 1％～2％，Si 0.5％～1％，稀土氧化物0.5％～1％，余量为Fe，其中Mn和C的质量比为10:1。
上述的一种冷喷涂用铁基合金粉末，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Mn 14％～15％，Ni或Co 3％～5％，V 2％～3％，C 1.4％～1.5％，B 1％～1.5％，Si 0.5％～0.8％，稀土氧化物0.5％～1％，余量为Fe，其中Mn和C的质量比为10:1。
另外，本发明还提供了一种制备冷喷涂用铁基合金粉末的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、按照设计成分将原料放入真空感应炉中进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为200℃～300℃，还原时间为2h；所述铁基合金粉末的硬度HV为170～200。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述熔炼的温度为1400℃～1550℃。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述雾化处理的方法为真空气雾化法或等离子旋转电极法。
上述的方法，其特征在于，步骤一中得到的铁基合金粉末粗品为球形或类球形，粒度小于50μm。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述固溶处理的温度为1050℃～1100℃，保温时间为1h～2h。
本发明还提供了一种应用冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将基体进行粗化处理，然后置于体积分数为99.9％的乙醇中超声清洗；所述基体为硬度HV低于400的金属；
步骤二、将铁基合金粉末进行干燥；
步骤三、对基体和载气分别进行预热，然后将步骤二中经干燥后的铁基合金粉末在预热后的载气的带动下喷涂到预热后的基体上，得到涂层；所述涂层的硬度HV为400～800。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述粗化处理的方法为喷砂法或激光毛化法。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述基体的预热温度为200℃～400℃；所述载气为氮气与氦气的混合气体、氮气或氦气，所述载气的预热温度为500℃～600℃；所述喷涂的压力为2MPa～4MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的铁基合金粉末成分中添加有Mn和C，通过控制Mn和C的质量比为10:1，使合金粉末形成低硬度的单一的奥氏体组织，从而使其具备了显著的形变硬化效应；成分中的Ni和V，均可与C形成细小的碳化物颗粒，起到弥散强化的作用，提高了合金粉末的屈服强度和抗磨性，同时也保证了合金粉末具备较低的硬度；成分中的B和Si可与Fe、Ni形成低熔点共晶体，在合金熔融过程中起到脱氧还原和造渣的作用，同时B和Si降低了合金粉末的熔点，使合金粉末在预热载气中具有更好的软化效果，提高其在沉积过程中的形变能力；成分中的稀土氧化物改善了合金粉末的冲击韧性和铸造性能，减少了铸态碳化物的析出，显著增强合金粉末的形变硬化能力，使合金粉末在冷喷涂过程中容易获得更高的硬度。
2、本发明的铁基合金粉末的制备方法中将铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温，经还原后得到了硬度HV为170～200的单相奥氏体组织的合金粉末，提高了合金粉末的沉积性能，使其更适用于冷喷涂工艺。
3、本发明的铁基合金粉末在冷喷涂制备涂层过程中，在载气的带动下冲击到基体上发生了塑性变形，位错密度大量增加，位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使合金粉末得到强化，硬度大幅度提高，最终形成的涂层的硬度HV为400～800。
4、本发明沉积得到的铁基合金粉末涂层的硬度高，可以有效抵抗冲击磨料磨损，适用于采矿、挖掘等冲击磨损零部件耐磨涂层的制备和再制造，并且涂层能够随着使用过程中的冲击磨损作用进一步增加硬度，减缓了磨损，延长了使用期限。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铁基合金粉末的形貌SEM图。
图2是本发明实施例1制备的铁基合金粉末的粒度分布图。
图3是本发明实施例1制备的铁基合金粉末的显微组织SEM图。
图4是本发明实施例1制备的铁基合金粉末的显微硬度压痕图。
图5是本发明实施例6制备的铁基合金涂层的截面SEM图。
图6是本发明实施例6制备的铁基合金涂层的显微硬度压痕图。
具体实施方式
本发明中一种冷喷涂用铁基合金粉末及其制备方法通过实施例1～实施例5进行详细描述。
实施例1
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 15％，Ni5％，V 3％，C 1.5％，B 2％，Si 1％，La2O3 1％，余量为Fe。
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将1.5kg电解锰粉、0.5kg纯镍块、0.3kg纯钒块、0.15kg石墨棒、0.2kg纯硼粉、0.1kg纯硅粉、0.1kg氧化镧粉和7.15kg纯铁块加入真空感应炉中，在1550℃的条件下进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；所述雾化处理的方法为等离子旋转电极法，所述等离子旋转电极法的电极旋转速度为20000rpm；所述铁基合金粉末粗品为类球形，粒度小于50μm；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；所述固溶处理的温度为1100℃，保温时间为1h；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为300℃，时间为2h。
图1是本实施例制备的铁基合金粉末的形貌SEM图，从图1可以看出，本实施例制备的铁基合金粉末为类球形。
图2是本实施例制备的铁基合金粉末的粒度分布图，从图2可以看出，本实施例制备的铁基合金粉末的粉末粒度小于50μm。
图3是本实施例制备的铁基合金粉末的显微组织SEM图，从图3可以看出，本实施例制备的铁基合金粉末具有细小的等轴晶特征。
图4是本实施例制备的铁基合金粉末的显微硬度压痕图，对图4进行分析可以得出，本实施例制备的铁基合金粉末的硬度HV为170～200。
本实施例中的Ni可以替换为Co。
实施例2
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 13％，Ni3％，V 2％，C 1.3％，B 1％，Si 0.5％，CeO2 0.5％，余量为Fe。
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将1.3kg电解锰粉、0.3kg纯镍块、0.2kg纯钒块、0.13kg石墨棒、0.1kg纯硼粉、0.05kg纯硅粉、0.05kg氧化铈粉和7.87kg纯铁块加入真空感应炉中，在1400℃的条件下进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；所述雾化处理的方法为真空气雾化法，所述真空气雾化法的雾化气体为氮气，雾化压力为7MPa；所述铁基合金粉末粗品为球形，粒度小于50μm；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；所述固溶处理的温度为1050℃，保温时间为1.2h；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为200℃，时间为2h。
经检测分析，本实施例得到的铁基合金粉末的硬度HV为170～200。
本实施例中的Ni可以替换为Co。
实施例3
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 14％，Ni4％，V 2.5％，C 1.4％，B 1.5％，Si 0.7％，Nd2O3 0.7％，余量为Fe。
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将1.4kg电解锰粉、0.4kg纯镍块、0.25kg纯钒块、0.14kg石墨棒、0.15kg纯硼粉、0.07kg纯硅粉、0.07kg氧化钕粉和7.52kg纯铁块加入真空感应炉中，在1500℃的条件下进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；所述雾化处理的方法为真空气雾化法，所述真空气雾化法的雾化气体为氮气，雾化压力为7MPa；所述铁基合金粉末粗品为球形，粒度小于50μm；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；所述固溶处理的温度为1075℃，保温时间为1h；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为250℃，时间为2h。
经检测分析，本实施例得到的铁基合金粉末的硬度HV为180～200。
本实施例中的Ni可以替换为Co。
实施例4
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 14％，Co3％，V 2％，C 1.4％，B 1％，Si 0.5％，La2O3 0.5％，余量为Fe。
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将1.4kg电解锰粉、0.3kg纯钴块、0.2kg纯钒块、0.14kg石墨棒、0.1kg纯硼粉、0.05kg纯硅粉、0.05kg氧化镧粉和7.76kg纯铁块加入真空感应炉中，在1500℃的条件下进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；所述雾化处理的方法为真空气雾化法，所述真空气雾化法的雾化气体为氮气，雾化压力为7MPa；所述铁基合金粉末粗品为类球形，粒度小于50μm；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；所述固溶处理的温度为1050℃，保温时间为2h；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为250℃，时间为2h。
经检测分析，本实施例得到的铁基合金粉末的硬度HV为180～200。
本实施例中的Co可以替换为Ni。
实施例5
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末，由以下质量百分数的成分组成：Mn 15％，Co5％，V 3％，C 1.5％，B 1.5％，Si 0.8％，CeO2 1％，余量为Fe。
本实施例的冷喷涂用铁基合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将1.5kg电解锰粉、0.5kg纯钴块、0.3kg纯钒块、0.15kg石墨棒、0.15kg纯硼粉、0.08kg纯硅粉、0.1kg氧化铈粉和7.22kg纯铁块加入真空感应炉中，在1550℃的条件下进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；所述雾化处理的方法为真空气雾化法，所述真空气雾化法的雾化气体为氮气，雾化压力为7MPa；所述铁基合金粉末粗品为球形，粒度小于50μm；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；所述固溶处理的温度为1100℃，保温时间为1h；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为250℃，时间为2h。
经检测分析，本实施例得到的铁基合金粉末的硬度HV为180～200。
本实施例中的Co可以替换为Ni。
本发明的应用冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法通过实施例6～实施例8进行详细描述，其中实施例6和实施例7中所用的铁基合金粉末通过实施例1制备得到，实施例6中所用的铁基合金粉末通过实施例4制备得到。
实施例6
本实施例的应用冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法包括以下步骤：
步骤一、采用24目白刚玉砂粒在0.8MPa的条件下对45钢进行喷砂粗化，然后置于体积分数为99.9％的乙醇中超声清洗；
步骤二、将铁基合金粉末进行干燥；
步骤三、将45钢预热至200℃，氮气预热至500℃，然后将步骤二中经干燥后的铁基合金粉末在预热后的氮气的带动下喷涂到预热后的45钢上，得到涂层；所述喷涂的压力为2MPa，喷涂的距离为30mm，喷涂过程中喷嘴的移动速度为30mm/s，送粉率为50g/min。
图5是本实施例制备的铁基合金涂层的截面SEM图，从图5可以看出，本实施例制备的铁基合金涂层厚度为0.248mm，涂层和基体之间结合良好。
图6是本实施例制备的铁基合金涂层的显微硬度压痕图，对图4进行分析可以得出，本实施例制备的铁基合金涂层的硬度HV为406。
实施例7
本实施例的应用冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法包括以下步骤：
步骤一、采用脉冲激光毛化法对ZGMn13钢进行粗化，然后置于体积分数为99.9％的乙醇中超声清洗；
步骤二、将铁基合金粉末进行干燥；
步骤三、将ZGMn13钢预热至300℃，将体积比为8:2的氮气与氦气形成的混合气体预热至550℃，然后将步骤二中经干燥后的铁基合金粉末在预热后的氮气与氦气形成的混合气体的带动下喷涂到预热后的ZGMn13钢上，得到铁基合金涂层；所述喷涂的压力为3MPa，喷涂的距离为30mm，喷涂过程中喷嘴的移动速度为30mm/s，送粉率为50g/min。
经检测，本实施例制备得到的铁基合金涂层的厚度为0.415mm，硬度HV为550。
实施例8
本实施例的应用冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法包括以下步骤：
步骤一、采用脉冲激光毛化法对304不锈钢进行粗化，然后置于体积分数为99.9％的乙醇中超声清洗；
步骤二、将铁基合金粉末进行干燥；
步骤三、将304不锈钢预热至400℃，将氦气预热至600℃，然后将步骤二中经干燥后的铁基合金粉末在预热后的氦气的带动下喷涂到预热后的304不锈钢上，得到铁基合金涂层；所述喷涂的压力为4MPa，喷涂的距离为30mm，喷涂过程中喷嘴的移动速度为30mm/s，送粉率为50g/min。
经检测，本实施例制备得到的铁基合金涂层的厚度为0.598mm，硬度HV为801。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冷喷涂用铁基合金粉末，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Mn 13％～15％，Ni或Co 3％～5％，V 2％～3％，C 1.3％～1.5％，B 1％～2％，Si 0.5％～1％，稀土氧化物0.5％～1％，余量为Fe，其中Mn和C的质量比为10:1。
2.根据权利要求1所述的一种冷喷涂用铁基合金粉末，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Mn 14％～15％，Ni或Co 3％～5％，V 2％～3％，C 1.4％～1.5％，B 1％～1.5％，Si 0.5％～0.8％，稀土氧化物0.5％～1％，余量为Fe，其中Mn和C的质量比为10:1。
3.一种制备如权利要求1或2所述的冷喷涂用铁基合金粉末的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、按照设计成分将原料放入真空感应炉中进行熔炼，然后依次进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经干燥和过筛，得到铁基合金粉末粗品；
步骤二、将步骤一中得到的铁基合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；
步骤三、将步骤二中经水淬后的铁基合金粉末粗品进行氢气还原，得到铁基合金粉末；所述氢气还原的温度为200℃～300℃，还原时间为2h；所述铁基合金粉末的硬度HV为170～200。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述熔炼的温度为1400℃～1550℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述雾化处理的方法为真空气雾化法或等离子旋转电极法。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中得到的铁基合金粉末粗品为球形或类球形，粒度小于50μm。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中所述固溶处理的温度为1050℃～1100℃，保温时间为1h～2h。
8.一种应用权利要求1或2所述的冷喷涂用铁基合金粉末制备涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将基体进行粗化处理，然后置于体积分数为99.9％的乙醇中超声清洗；所述基体为硬度HV低于400的金属；
步骤二、将铁基合金粉末进行干燥；
步骤三、对基体和载气分别进行预热，然后将步骤二中经干燥后的铁基合金粉末在预热后的载气的带动下喷涂到预热后的基体上，得到涂层；所述涂层的硬度HV为400～800。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤一中所述粗化处理的方法为喷砂法或激光毛化法。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤三中所述基体的预热温度为200℃～400℃；所述载气为氮气与氦气的混合气体、氮气或氦气，所述载气的预热温度为500℃～600℃；所述喷涂的压力为2MPa～4MPa。
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