CN109161888A - 一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末 - Google Patents

Abstract

一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末，其成分质量百分数为：C：0.20～0.40％，Si：1.50～3.00％，B：3.50～4.00％，Cr：30～35％，Ni：20～30％，Co：10～20％，V：0.50～1.00％，Al：2.00～3.00％，余量Fe，同时添加有体积百分数为3～5％的TiC和3～5％的WC。本发明激光熔敷用粉末具有良好的熔敷成型性能，且大大提高了轧管工器具的使用寿命。

Description

一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用 粉末

技术领域

本发明涉及新材料领域，特别涉及一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末。

背景技术

激光熔敷是利用激光作为热源在基体材料表面熔敷一层改性材料，提高表面的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。激光熔敷可以实现涂层与基体之间的冶金结合，涂层厚度可以较精确的控制，涂层成分可以灵活调整。相比于激光熔敷，传统的电弧堆焊、等离子堆焊有其不足，如堆焊稀释率高导致堆焊层成分与堆焊材料存在差异，堆焊层热应力和组织应力大导致堆焊层容易产生裂纹和剥落，堆焊工件变形和焊后加工量大，堆焊前需要很高的预热处理温度等。通过激光熔敷改性可以实现节能节材，产生本体材料可循环利用的经济效益。

高温磨损和粘钢是目前轧管工器具常见的两种失效形式。因此，有必要设计出一种可以在高温、高压和摩擦条件下耐磨且使得轧管工器具不与热加工坯料发生粘钢的改性材料粉末，并可采用激光熔敷工艺实现在轧管工器具表面的熔敷成型，从而获得所需的耐磨和抗粘钢特性。

目前激光熔敷粉末按主成分大致可分为铁基、镍基和钴基合金粉末材料。铁基合金粉末材料可使得基体-熔敷层成分接近，有益于界面结合，且成本较低。镍基合金、钴基合金粉末材料中含有较多的镍、钴增韧元素，韧性比铁基合金粉末要好，可有效抑制覆层开裂，但硬度较铁基合金粉末会有所下降。铁基合金粉末多添加含量较高的碳，通过形成大量弥散分布的高硬度碳化物来提高硬度，但这同时会损害其塑性和韧性。

碳含量高会导致激光熔敷层开裂倾向增大，无论是铁基、镍基还是钴基。

中国专利公开号CN101974724A公开了一种激光熔敷用铁基合金粉末，其成分为0.60～1.00％C、0.35～0.70％Si、0.30～0.60％Mn、5.0～7.0％Cr、2.5～4.0％Ni、1.5～2.5％Mo、1.0～1.5％W、0.70～1.0％V、0.20～0.40％Ti、0.50～0.70％B、0.20～0.40％Nb、0.10～0.30％Ce，其余为Fe，其添加了较高比例的C，不能有效解决熔敷层开裂问题。

中国专利公开号CN103305839A公开了一种激光熔敷用镍基粉末，其成分为13.5～15.5％Cr、3.2～3.6％Si、3.2～3.5％B、3.3～4.5％Fe、0.8～1.0％C，其余为Ni，其添加了较高比例的C，不能有效解决熔敷层开裂问题。

中国专利公开号CN1355325A公开了一种激光熔敷用钴基粉末，其成分为在钴基粉末中添加0.5～0.6％C、0.4～0.6％B、1.0～1.5％Si、10.0～12.0％Ni、4.0～6.0％W、3.0～5.0％Mo、26.0～28.0％Cr、RE<1.0，其添加了较高比例的C，不能有效解决熔敷层开裂问题。

为了提高耐磨性还可以在基体粉末材料中加入各种陶瓷相粒子，包括氧化钇、碳化钛、碳化钨等。

中国专利公开号CN103046044A公开了一种激光熔敷复合粉末及对废旧辊道表面再制造的方法，其粉末组成的特征在于重量比：Stellite 3粉末5～20％，Y2O3粉末3～5％，Ni60粉末余量。

中国专利公开号CN107142475A公开了一种激光熔敷用TiC增强新型AlFeCrCoNiTi基复合材料涂层及制备方法，该合金成分按质量计组成为：Al4～6％，Fe18～22％，Cr16～19％，Co16～20％，Ni19～21％，Ti6～10％，另外还含有TiC占总材料的体积比为3～7％。通过TiC颗粒在固溶体晶界发生偏聚，可增大晶格畸变，提高涂层力学性能。

上述专利中添加的氧化钇、碳化钛的密度分别约为5.01g/cm³、4.93g/cm³，铁、镍、钴的密度分别为7.85g/cm³、8.90g/cm³、8.90g/cm³，氧化钇和碳化钛陶瓷相粒子的密度均小于铁、镍、钴基体的密度，会导致熔敷过程上浮，导致熔敷表层和底层的耐磨性差异，因此会降低整体结构的耐磨性能。

高温下磨损和氧化是相互促进的过程，提高材料的抗氧化能力也能起到改善耐磨损性能，但目前多数粉末设计中Cr元素添加量低，如中国专利公开号CN1431332A、CN101298119A、CN106929846A公开的专利中Cr的添加量分别为14.0～17.0％、11.5～15.0％、18～23％，不足以起到这种效果，因此影响抗氧化能力和耐磨损性能。

铝能与镍结合形成金属间化合物从而改善抗蠕变性能，但量过多时，如中国专利公开号CN106929846A、CN107142475A中Al的添加量分别为4～6％和4～8％，会导致抗蠕变性能降低，使得熔敷层的高温强度下降，从而降低耐磨性能。另外，形成金属间化合物过多，对熔敷层的韧性也不利，易于发生脆性开裂和熔敷层剥落。

通过添加一定的合金元素形成固溶强化和析出强化作用，是实现高温强度和耐磨性能提升的途径，但是合金元素的增加同时也会带来熔敷层易于开裂的问题，最终导致无法应用于大尺寸大表面积的轧管工器具，即熔敷成型工艺性能不佳。

提高熔敷材料的硬度能改善熔敷材料的耐磨损性能，但硬度太高会导致两种材料之间的摩擦系数减小，导致轧管过程中的咬钢、轧制和抛钢过程发生打滑，导致生产不顺甚至生产事故，因此轧管工器具的硬度不能太高，可考虑通过抗氧化性能的提升来改善熔敷材料的耐磨损性能。但是使用过程中又发现一些含Cr高的轧管工器具虽然抗氧化性能好，但却容易发生粘钢，导致产品表面擦划伤，从而影响表面质量和最终合格率。

由于轧管工器具要在高温高压下长时间工作使用，显然对抗蠕变性能有一定要求，即要求材料组织和性能具有高温稳定性。因此，为提高工器具的寿命，必须进行抗蠕变性能提升的有关成分设计。

通过合金成分的合理设计，设法开发出一种兼具良好高温强度、高温抗蠕变性能、抗高温氧化性能、耐磨性能、抗粘钢性能和易熔敷成型性能的激光熔敷用粉末，具有较大的应用前景和可观的经济效益。

现有已公开的专利各自都存在一定的不足，不能同时有效解决轧管工器具的表面耐磨和抗粘钢的性能改善要求，因此亟需开发出一种全新的激光熔敷用合金粉末。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末，其具有良好的熔敷成型性能，且大大提高了轧管工器具的使用寿命。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明成分设计：第一，低C避免熔敷层开裂。第二，通过增加Cr含量设计改善抗氧化性能，进而间接改善高温耐磨损性能。第三，通过本发明人的大量试验观察发现，Cr含量过高时会产生新的问题，及粘钢问题发生，影响使用。因此Cr含量必须限定在一定范围内才能在保证不发生粘钢新问题的同时解决耐磨性的旧问题。通过限制Cr含量上限，避免粘钢问题发生影响使用。第四，添加一定量Al但限制其上限含量，通过Al与Ni结合形成金属间化合物提高抗蠕变性能、高温强度和耐磨损性能，同时避免形成的金属间化合物过量导致抗蠕变性能降低，从而降低高温强度和高温耐磨损性能，以及避免材料脆化。第五，发明人通过试验实践发现通过复合添加低密度陶瓷相粒子提高熔敷表层耐磨性，添加高密度陶瓷相粒子提高熔敷层底层的耐磨性则能很好地解决前面提及的现有专利存在的熔敷表层和底层的耐磨性差异问题，如复合添加密度为4.93g/cm3的TiC和密度为15.63g/cm3的WC。通过同时添加低密度TiC和高密度WC两种密度不同的增强相颗粒，使得熔敷层上部和下部均能获得良好的耐磨性能。

具体的，本发明所述的提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末，其成分质量百分数为：

C：0.20～0.40％，

Si：1.50～3.00％，

B：3.50～4.00％，

Cr：30～35％，

Ni：20～30％，

Co：10～20％，

V：0.50～1.00％，

Al：2.00～3.00％，

余量Fe，同时添加有体积百分数为3～5％的TiC和3～5％的WC。

本发明所述粉末平均尺寸大小在75～150μm。

在本发明合金粉末的化学成分中：

B、Si：为粉末提供自熔性，有强烈的脱氧和造渣能力。熔敷过程中与熔池中的氧和熔池表面的氧化物反应生成低熔点硼硅酸盐上浮于熔池表面，减少熔池中的氧和渣量，改善基体与熔敷层的润湿性和熔敷材料的成型性能。因此，控制B含量在3.5-4.0％，Si含量在1.5～3.0％。

C：通过固溶强化和与其它碳化物形成元素生成析出相产生析出强化来提高粉末硬度。C含量过低，硬度偏低，耐磨性能较差；C含量过高，淬透性强，熔敷材料在冷却过程中容易发生开裂，引起工件报废。因此，控制C含量在0.20～0.40％。

Cr：增加Cr含量可以有效改善材料的抗氧化性能，从而抑制氧化-磨损的交互促进机制，提高耐磨性能。Cr与C结合形成碳化物也会提高耐磨性能。但是Cr含量继续增加，会引起其他合金元素添加量的减少，不利于硬度提高，对耐磨性能不利。而且，Cr含量过高会使高温高压下坯料与工器具之间易于发生粘钢而导致工器具失效。因此，控制Cr含量在30-35％。

Co：Co的熔点高，加Co有利于提高材料高温下的承载能力、抗热腐蚀性能和冷、热疲劳性能、抗高温蠕变性能。但是Co含量过高，成本较高，材料的性价比降低，限制了材料的应用范围。因此，控制Co含量在10-20％。

Ni：通过加入一定量的Ni可以使铁素体基体稳定转变为奥氏体基体，从而提高高温强度和抗蠕变性能。Ni含量过低，组织奥氏体稳定性不足，与Al形成沉淀强化相数量减少，对高温强度和抗蠕变性能不利，另外加工性能也较差；Ni含量过高，也会降低材料的抗蠕变性能。因此，控制Ni含量在20-30％。

V：主要与C结合形成V的碳化物，对基体起析出强化作用。由于C含量添加有限，添加V至一定量后对基体的强化作用不大，且合金成本上升。因此，控制V含量在0.5-1.0％。

Al：主要起固溶强化和析出强化作用，尤其是与Ni结合形成析出相产生析出强化作用，提高高温强度和抗高温蠕变性能。但是Al含量增加至一定量后抗高温蠕变性能会降低。因此，控制Al含量在2-3％。

TiC、WC：主要起析出强化作用，由于TiC、WC的密度不同，在熔池中一个易于上浮，一个易于沉底，因此通过同时添加可以分别强化熔覆层上层和下层，兼顾整体熔敷层的均匀性。但是，添加量过多易于引起熔覆层开裂，同时影响熔池的成型性能。因此，控制TiC和WC的体积比均为3-5％。

本发明的有益效果：

本发明通过低C设计解决熔覆层易开裂问题，获得良好的成型性能；通过增Cr直接带来的抗氧化性能提高间接地提高高温耐磨损性能；通过控制Cr的上限避免粘钢问题的发生；通过添加合适的Al，与Ni结合形成金属间化合物提高高温强度和抗蠕变性能同时避免材料脆化问题发生；通过同时添加低、高密度的两种粉末实现熔敷层上部和下部耐磨性能的均匀提升从而提高熔覆层整体的耐磨性能。通过低C、增Cr并控制Cr上限、添加Al并控制Al上限、同时添加低密度和高密度粉末的方法，很好地获得了熔敷成型性能好不易开裂、高温耐磨损性能提升、不粘钢的一种适用于激光熔敷用粉末。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例采用2.5kW半导体激光器在某辊件上激光熔敷1-2mm的合金粉末熔敷改性层，不同合金粉末(平均粒度经筛选控制在100-200目，即平均尺寸大小约75-150μm，并充分搅拌均匀保证性能均匀)下通过激光熔敷工艺制备的熔敷层是否开裂、熔敷层与热加工坯料间是否发生粘钢的使用情况和最终使用寿命，对比如表1和表2所示。

表1和表2中最终使用寿命均以对比例2的使用寿命作为基准进行比较，以寿命相对比例的形式给出，某合金粉末最终使用寿命的相对比例＝某合金粉末熔敷的辊件上机使用至失效下线期间总的轧管支数/对比例2粉末熔敷的辊件上机使用至失效下线期间总轧管支数×100％。

Claims (2)

1.一种提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末，其成分质量百分数为：

C：0.20～0.40％，

Si：1.50～3.00％，

B：3.50～4.00％，

Cr：30～35％，

Ni：20～30％，

Co：10～20％，

V：0.50～1.00％，

Al：2.00～3.00％，

余量Fe；还同时添加有体积百分数为3～5％的TiC和3～5％的WC。

2.如权利要求1所述的提高轧管工器具表面高温耐磨性且抗粘钢的激光熔敷用粉末，其特征是，所述粉末平均尺寸大小在75～150μm。