CN108690946B - 一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷焊粉末材料技术领域，具体涉及一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用。本发明利用钼、硼铁合金、碳化钨、钴和二硼化钛形成化学组成为Mo₂FeB₂和WCoB的复合硬质相，使所得喷焊层具优异的硬度性能，进而提高喷焊层的耐磨性。实施例结果表明，本发明提供的喷焊粉末材料能够形成硬度≥HRC67的耐磨喷焊层。

Description

一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于喷焊粉末材料技术领域，具体涉及一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用。

背景技术

磨损是机械零部件失效的常见形式之一，机械零部件一旦磨损，就会影响机械零部件的正常使用，为此，需要在机械零部件的表面喷焊(熔覆)保护层，以提高机械零部件的耐磨性能。等离子喷焊因其具有热量集中、温度高、合金粉末熔炼充分、飞溅少、熔池中熔渣和气体易于排除、容易消除焊层内气孔缺陷、工件热影响区小、喷焊层合金组织晶粒细、硬度和化学成分均匀、焊层与基体结合强度高、成型规整、加工余量小和成品率高等优点在工业中广泛应用。

目前所用喷焊材料的类型有多种，不同类型喷焊材料的特点不同，如铁基喷焊材料成本低，但耐高温和耐腐蚀性能较差，镍基喷焊材料虽然能够耐高温，但镍基喷焊材料形成的涂层硬度不高；钴基喷焊材料相对于铁基和镍基喷焊材料而言，所形成的硬度较高，但也仅能达到HRC50～65的水平，并且成本较高，无法满足现代生产对零部件高硬度性能的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用，本发明提供的喷焊粉末材料能够形成硬度较高的喷焊层，满足现代工业生产对零部件硬度性能的需要。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种喷焊粉末材料，制备原料包括：10～30wt％钼、5～20wt％二硼化钛、2～10wt％碳化钨、5～20wt％硼铁合金、2～20wt％钴、2～10wt％铬铁合金、2～10wt％镍、2～10wt％铜、0.1～0.5wt％碳、0.1～2wt％碳化物晶粒抑制剂、0.1～2wt％稀土氧化物和余量的铁。

优选的，所述碳化物晶粒抑制剂包括碳化铌、碳化铬、碳化钽和碳化钒中的一种或几种。

优选的，所述稀土氧化物包括氧化钐、氧化铌、氧化镧和氧化钇中的一种或几种。

优选的，所述喷焊粉末材料的粒径为50～150μm。

本发明提供了上述技术方案所述喷焊粉末材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述喷焊粉末材料的制备原料进行真空熔炼，得到合金液；

(2)将所述步骤(1)得到的合金液进行气体雾化，得到喷焊粉末材料。

优选的，所述步骤(1)中真空熔炼的真空度为0.1～30Pa；真空熔炼的温度为1700～1800℃。

优选的，所述步骤(2)中气体雾化采用的雾化介质包括氩气、氦气或氮气；所述雾化介质的压力为1～10MPa。

本发明另提供了上述技术方案所述喷焊粉末材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中的应用。

优选的，所述喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中应用的方法包括如下步骤：

将基材进行预热，得到待喷焊基材；

将喷焊粉末材料喷焊在所述待喷焊基材上，得到耐磨喷焊层。

优选的，所述喷焊的方式为等离子喷焊。

本发明提供的喷焊粉末材料的制备原料包括：10～30wt％钼、5～20wt％二硼化钛、2～10wt％碳化钨、5～20wt％硼铁合金、2～20wt％钴、2～10wt％铬铁合金、2～10wt％镍、2～10wt％铜、0.1～0.5wt％碳、0.1～2wt％碳化物晶粒抑制剂、0.1～2wt％稀土氧化物和余量的铁。本发明利用钼、硼铁合金、碳化钨、钴和二硼化钛形成化学组成为Mo₂FeB₂和WCoB的复合硬质相，使所得喷焊层具优异的硬度性能，进而提高喷焊层的耐磨性。实施例结果表明，本发明提供的喷焊粉末材料能够形成硬度≥HRC67的耐磨喷焊层。

附图说明

图1为实施例1所得耐磨喷焊层的金相照片。

具体实施方式

本发明提供了一种喷焊粉末材料，制备原料包括：10～30wt％钼、5～20wt％二硼化钛、2～10wt％碳化钨、5～20wt％硼铁合金、2～20wt％钴、2～10wt％铬铁合金、2～10wt％镍、2～10wt％铜、0.1～0.5wt％碳、0.1～2wt％碳化物晶粒抑制剂、0.1～2wt％稀土氧化物和余量的铁。

本发明提供的喷焊粉末材料的制备原料包括10～30wt％钼，在本发明中，所述钼优选为钼块。本发明对所述钼块的粒径尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，Mo除了发生原位反应生成Mo₂FeB₂外，部分Mo还会固溶在黏结相中提高黏结相在还原介质中的耐蚀性，提高黏结相耐晶间腐蚀的性能，还能提高喷焊层与基材的结合强度，减少裂纹的出现。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括5～20wt％二硼化钛，优选为8～18wt％，再优选为10～15wt％。在本发明中，所述二硼化钛优选二硼化钛颗粒；所述二硼化钛颗粒的径优选为10～70μm，进一步优选为15～65μm，更优选为20～60μm。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括2～10wt％碳化钨，优选为4～8wt％，再优选为5～7wt％。在本发明中，所述碳化钨优选碳化钨颗粒，所述碳化钨颗粒的粒径优选为10～70μm，进一步优选为15～65μm，更优选为30～50μm。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括5～20wt％硼铁合金，优选为7～18wt％，再优选为10～15wt％。在本发明中，所述硼铁合金优选为硼铁合金块；本发明对所述硼铁合金块的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，忽略硼铁合金粉中杂质元素的含量，所述硼铁合金粉中硼的质量百分含量优选为18～20％，进一步优选为19％；余量为铁。

在本发明中，FeB、TiB₂和WC为喷焊层提供B源和W源，与Co形成WCoB硬质相；部分Co、Ti、W元素固溶于黏结相a-Fe中使晶格发生畸变，从而起到强化黏结相的作用，提高喷焊层的硬度和耐高温性能。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括2～20wt％钴，优选为4～18wt％，再优选为8～15wt％。在本发明中，所述钴优选为钴颗粒，所述钴颗粒的粒径优选为10～70μm，进一步优选为15～65μm，更优选为30～50μm。本发明利用Co元素的同素异构性能，提高喷焊层的耐高温性能。Co元素的同素异构转变温度为417℃，在低于417℃时，Co为密排六方结构，摩擦系数较低，此时喷焊层具有良好的耐磨损的性能；在高于417℃时，Co发生同素异构转变，变为面心立方结构的固溶体，此时喷焊层就具有优异的高温性能：抗热震、耐高温氧化且蠕变速率低。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括2～10wt％铬铁合金，优选为4～8wt％，再优选为5～7wt％。在本发明中，所述铬铁合金优选为铬铁合金块。本发明对所述铬铁合金块的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，忽略铬铁合金粉中杂质元素的含量，所述铬铁合金粉中铬的质量百分含量优选为60～70％，进一步优选为62～68％；余量为铁。

在本发明中，Cr可以固溶于Fe基黏结相起到固溶强化的作用，同时Cr原子会替换Mo₂FeB₂晶体中Mo和Fe原子的位置形成(Mo,Fe,Cr)₃B₂，这个替换过程导致晶格发生畸变，进而使晶体有较高的激活能，有效提高了硼化物的力学性能。此外，Cr与C形成Cr₂₃C₆、Cr₇C₃等碳化物均匀分布在基体中，也能起到弥散强化作用，提高喷焊层的硬度。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括2～10wt％镍，优选为3～8wt％，再优选为5～7wt％。在本发明中，所述镍优选为镍块。本发明对所述镍块的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，Ni元素主要固溶到Fe基黏结相中强化基体。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括2～10wt％铜，优选为3～8wt％，再优选为4～7wt％。在本发明中，所述铜优选为铜块。本发明对所述铜块的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，铜元素能提高耐磨喷焊层的抗酸腐蚀能力和导热性。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括0.1～0.5wt％碳，优选为0.2～0.4wt％。在本发明中，所述碳优选为碳颗粒；所述碳颗粒的粒径优选为0.05～10μm，进一步优选为0.1～8μm，更优选为0.5～5μm。在本发明中，所述碳粉能与铬、钼和铁形成碳化物，细化组织，提高喷焊层的硬度和耐磨性。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括0.1～2wt％碳化物晶粒抑制剂，优选为0.5～1.7wt％，再优选为0.8～1.5wt％。在本发明中，所述碳化物晶粒抑制剂优选包括碳化钒、碳化铌、碳化铬和碳化钽中的一种或几种，进一步优选为碳化钒、碳化铌、碳化铬和碳化钽中的任意两种。在本发明中，所述碳化物晶粒抑制剂为几种组分的混合物时，所述混合物中各组分的质量优选相等。在本发明中，所述碳化物晶粒抑制剂的粒径优选为0.1～10μm，进一步优选为0.5～8μm，更优选为1～5μm。本发明利用碳化物晶粒抑制剂抑制预合金化过程中Mo₂FeB₂、WCoB等硬质相晶粒粗化，降低裂纹敏感性。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料包括0.1～2wt％稀土氧化物，优选为0.5～1.5wt％，再优选为0.6～1.2wt％。在本发明中，所述稀土氧化物优选包括氧化钐、氧化铌、氧化镧和氧化钇中的一种或几种，进一步优选为氧化钐、氧化铌、氧化镧和氧化钇中的任意两种。在本发明中，所述稀土氧化物为几种组分的混合物时，所述混合物中各组分的质量优选相等。

在本发明中，所述稀土氧化物的粒径优选为0.2～10μm，进一步优选为0.5～8μm，更优选为1～6μm。在本发明中，所述稀土氧化物粉末纯度优选≥99％，进一步优选为99.5～99.9％。在本发明中，所述稀土氧化物与碳化物晶粒抑制剂配合作用，能进一步细化晶粒，降低裂纹敏感性。

本发明所述喷焊粉末材料的制备原料还包括余量的铁。在本发明中，所述铁优选为铁块。本发明对所述铁块的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。本发明以铁粉为基料，利用铁与硼铁粉、钼粉之间的反应生成Mo₂FeB₂硬质相，进而提高焊层的硬度；另外，铁来源广泛，以铁为基料，还能降低药芯焊丝的生产成本。

本发明还提供了上述技术方案所述喷焊粉末材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述喷焊粉末材料的制备原料进行真空熔炼，得到合金液；

(2)将所述步骤(1)得到的合金液进行气体雾化，得到喷焊粉末材料。

本发明将所述喷焊粉末材料制备原料进行真空熔炼，得到合金液。在本发明中，所述真空熔炼的压力优选为0.1～30Pa，进一步优选为1～10Pa；所述真空熔炼的温度优选为1700～1800℃，进一步优选为1710～1750℃。本发明对所述真空熔炼的时间没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明实施例中，所述真空熔炼的时间优选为1～2h。

得到合金液后，本发明将所述合金液进行气体雾化，得到喷焊粉末材料。在本发明中，所述气体雾化的雾化介质优选包括氩气、氦气或氮气，进一步优选为氮气；所述雾化介质的压力优选为1～10MPa，进一步优选为3～8MPa。本发明对所述气体雾化的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

本发明还提供了上述技术方案所述喷焊粉末材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中的应用。在本发明中，所述喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中应用的方法，包括如下步骤：

将基材进行预热，得到待喷焊基材；

将喷焊粉末材料喷焊在所述待喷焊基材上，得到耐磨喷焊层。

本发明将基材进行预热，得到待喷焊基材。在本发明中，所述预热的温度为优选300～600℃，进一步优选为350～500℃。在本发明中，所述基材为需要通过喷焊层提高耐磨性能的钢铁材料，所述基材优选包括Q235钢。本发明对所述基材进行预热，能减小喷焊层应力并提高基材与喷焊粉末材料结合强度。

得到待喷焊基材后，本发明将喷焊粉末材料喷焊在所述待喷焊基材上，得到耐磨喷焊层。在本发明中，所述喷焊的方式优选为等离子喷焊；所述喷焊的电流优选为100～200A，进一步优选为120～180A；所述喷焊的气体优选为氩气，所述氩气的气流优选为0.28～0.32m³/h，进一步优选为0.3m³/h；所述喷焊的扫描速度优选为0.8～1.0mm/s，进一步优选为0.9～1.0mm/s。

在本发明中，所述耐磨喷焊层的硬质相包括Mo₂FeB₂和WCoB，所述耐磨喷焊层的粘结相为α-FeMoCo合金；所述耐磨喷焊层的厚度优选为2～5mm。

在本发明中，所述耐磨喷焊层的室温硬度≥67HRC；所述耐磨喷焊层在800℃的条件下，硬度≥55HRC；所述耐磨喷焊层在质量浓度为3.5％的氯化钠溶液盐雾腐蚀试验中，腐蚀15天，耐磨喷焊层无锈斑。

本发明上述实施方式中，未提及之处，均采用本领域技术人员熟知的市售产品或本领域技术人员熟知的方式。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的喷焊粉末材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

制备原料及用量如表1所示，碳化物晶粒抑制剂是VC和NbC按照1:1的质量比混合而成，稀土氧化物是Sm₂O₃和La₂O₃按照质量比为1:1混合而成。将制备原料在1700℃下熔融2h，在真空度为5Pa条件下利用氮气雾化，得到70μm的喷焊粉末材料。

将Q235钢基材预热至300℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流100A，氩气流量0.3m³/h，扫描速度0.8mm/s，得到厚度为2mm的耐磨喷焊层。

实施例2

制备原料及用量如表1所示，碳化物晶粒抑制剂是VC和NbC按照1:1的质量比混合而成，稀土氧化物是Sm₂O₃和La₂O₃按照质量比为1:1混合而成。将制备原料在1720℃下熔融1h，在真空度为10Pa条件下利用氩气雾化，得到60μm的喷焊粉末材料。

将Q235钢基材预热至500℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流120A，氩气流量0.3m³/h，扫描速度1.0mm/s，得到厚度为3mm的耐磨喷焊层。

实施例3

制备原料及用量如表1所示，碳化物晶粒抑制剂是Cr₃C₂和TaC按照1:1的质量比混合而成，稀土氧化物是Y₂O₃和Nd₂O₃按照质量比为1:1混合而成。将制备原料在1720℃下熔融1.5h，在真空度为10Pa条件下利用氩气雾化，得到60μm的喷焊粉末材料。

将Q235钢基材预热至300℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流100A，氩气流量0.3m³/h，扫描速度0.8mm/s，得到厚度为2mm的耐磨喷焊层。

实施例4

按照实施例3的方法形成喷焊粉末材料和耐磨喷焊层，不同之处在与各组分用量不同，具体如表1所示。

耐磨喷焊层的工艺为：将Q235钢基材预热至500℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流120A，氩气流量0.3m³/h，扫描速度1.1mm/s，得到厚度为3mm的耐磨喷焊层。

实施例5

制备原料各组分如表1所示，其中碳化物晶粒抑制剂为VC和TaC，稀土氧化物为La₂O₃和Nd₂O₃。

耐磨喷焊层的工艺为：将Q235钢基材预热至400℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流105A，氩气流量0.4m³/h，扫描速度1.2mm/s，得到厚度为2mm的耐磨喷焊层。

实施例6

制备原料各组分同实施例5，各组分用量如表1所示。

耐磨喷焊层的工艺为：将Q235钢基材预热至450℃，利用等离子喷焊设备进行喷涂，参数为：等离子弧电流115A，氩气流量0.3m³/h，扫描速度1.0mm/s，得到厚度为3mm的耐磨喷焊层。

表1实施例1～6喷焊粉末材料组分及用量(质量百分含量)

性能表征及结果

利用光学显微镜对实施例1～6所得耐磨喷焊层的金相组织进行表征。图1为实施例1所得耐磨喷焊层的金相照片。由图1可知，喷焊层和母材结合很好，结合处没有宏观裂纹和宏观孔洞等缺陷；喷焊过程中，喷焊粉末材料中的Mo、Fe、Cr、Ni等元素发生原子相互扩散，形成一个有元素含量梯度变化的过渡层，并与基材形成冶金结合；图中黑色表示硬质颗粒，白色表示基体，喷焊层中硬质颗粒均匀的分布在基体上，这就保证焊层具有很高的硬度、耐磨损性能和一定耐腐蚀性能。

在室温条件下试耐磨喷焊层的硬度性能；在800℃条件下测试耐磨喷焊层的高温硬度性能；利用3.5％NaCl溶液盐雾腐蚀试验，测试耐磨喷焊层的耐腐蚀性能，腐蚀天数为15天。

表2实施例1～6耐磨喷焊层性能测试结果

实施例	1	2	3	4	5	6
							室温硬度HRC	67	68	67	69	67	68
800℃硬度HRC	56	58	56	60	57	58
							腐蚀15天是否出现锈斑	无	无	无	无	无	无

由表2数据可知，本发明提供的喷焊粉末材料能够形成硬度较高的喷焊层，提高了喷焊层的耐磨性能；此外，喷焊层还具有较好的红硬性和耐腐蚀性能，进一步改善了基材或其他零部件的适用范围。

由以上实施例可知，本发明提供的喷焊粉末材料成分合理，各元素配合作用，能够形成晶粒较小的Mo₂FeB₂、WCoB复合硬质相，均匀分布在基体的表面，使基体的硬度性能明显提升；利用本发明提供的喷焊粉末材料进行喷涂时，喷焊层中的粘结相与基体的结合性能较好，无敏感裂缝，为喷焊层中硬质相作用的发挥提供基础。本发明提供的喷焊粉末材料还具有来源广泛、成本较低的优势。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种喷焊粉末材料，制备原料包括：10～30wt％钼、5～20wt％二硼化钛、2～10wt％碳化钨、5～20wt％硼铁合金、4～18wt％钴、2～10wt％铬铁合金、2～10wt％镍、2～10wt％铜、0.1～0.5wt％碳、0.1～2wt％碳化物晶粒抑制剂、0.1～2wt％稀土氧化物和余量的铁。

2.如权利要求1所述的喷焊粉末材料，其特征在于，所述碳化物晶粒抑制剂包括碳化铌、碳化铬、碳化钽和碳化钒中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的喷焊粉末材料，其特征在于，所述稀土氧化物包括氧化钐、氧化铌、氧化镧和氧化钇中的一种或几种。

4.如权利要求1～3任一项所述的喷焊粉末材料，其特征在于，所述喷焊粉末材料的粒径为50～150μm。

5.权利要求1～4任一项所述喷焊粉末材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述喷焊粉末材料的制备原料进行真空熔炼，得到合金液；

(2)将所述步骤(1)得到的合金液进行气体雾化，得到喷焊粉末材料。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中真空熔炼的真空度为0.1～30Pa；真空熔炼的温度为1700～1800℃。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中气体雾化采用的雾化介质包括氩气、氦气或氮气；所述雾化介质的压力为1～10MPa。

8.权利要求1～4所述喷焊粉末材料或权利要求5～7所述制备方法制备得到的喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中的应用。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述喷焊粉末材料在制备耐磨喷焊层中应用的方法包括如下步骤：

将基材进行预热，得到待喷焊基材；

将喷焊粉末材料喷焊在所述待喷焊基材上，得到耐磨喷焊层。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述喷焊的方式为等离子喷焊。

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