CN109351958A - 用于高锰钢表面修复的合金粉末及其制备、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高锰钢表面修复的合金粉末，包括如下质量百分比的组分：0.7～1.2％C、0.2～0.6％Si、1.5～4.5％Mn、2～4％Ti、5.0～9.0％Ni、10.0～15.0％Cr、4.0～8.0％Mo、Fe为余量，采用中频感应电炉熔炼后惰性气体雾化制备。本发明的合金粉末具有良好的激光熔覆工艺性能，激光熔覆过程中无需预热和后热处理即可获得大面积的熔覆层并且熔覆层不开裂、硬度高，具有良好的耐磨性能；此外熔覆层组织均匀，内应力小，而且成分与高锰钢成分接近，与高锰钢表面结合良好，磨损过程中不剥落，成本低廉，易于推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金镀覆材料，尤其是涉及一种用于高锰钢表面修复的合金粉末，同时涉及其制备方法。
背景技术
高锰钢是一种奥氏体钢，其主要特点在猛烈的冲击或挤压作用下，表层发生迅速的加工硬化而获高硬度，具有优异的耐磨性；心部仍保持低硬度的奥氏体组织，具有良好的韧塑性。当高锰钢表面的加工硬化工作层被磨掉后，显露出来的新层又被加工硬化，重新获得高硬度而具有良好的耐磨性。利用这一特性，高锰钢常被用于在重力冲击或挤压的工况条件，如作为矿山、建材、煤炭等机械设备中的耐磨件。
然而在实际的应用过程中(特别是低应力工况条件下)，高锰钢会出现因表层加工硬化不足而导致其硬度低、磨损快、寿命短的现象。针对这一现象，对已磨损的高锰钢零部件进行表面修复，延长其使用寿命具有非常重要的现实意义。在众多的表面修复方法之中，激光熔覆技术以其良好的冶金结合、较低的基体热变形、较低的熔覆层稀释率、致密的组织、优异的覆层性能、以及易实现选区熔覆等优点而备受青睐。然而，当前适合于高锰钢表面修复的激光熔覆用合金粉末市场上还很罕见。为此，寻求一种能满足高锰钢表面修复的特定激光熔覆金属粉末是迫切需要的。
发明内容
虽然常规的金属粉末(如Ni60，Fe60等)能够获得高硬度的激光熔覆层，然而它们并不能很好地适用于高锰钢。因为这类金属粉末在高锰钢上的激光熔覆工艺性能较差，熔覆层容易开裂，在使用过程中甚至还会出现熔覆层剥落现象。
为解决上述技术问题，本发明提供一种有效利用高锰钢和激光熔覆特性、对高锰钢表面进行修复、熔覆效果良好、硬度高的激光熔覆材料。
本发明的技术方案是提供一种用于高锰钢表面修复的合金粉末，包括如下质量百分比的组分：0.7～1.2％C、0.2～0.6％Si、1.5～4.5％Mn、2～4％Ti、5.0～9.0％Ni、10.0～15.0％Cr、4.0～8.0％Mo、余量为Fe及不可避免的微量杂质。
本发明还提供一种上述合金粉末的制备方法，采用中频感应电炉熔炼后惰性气体雾化制备而得，包括如下步骤：
S1.按照配比称取原材料，并装入中频感应熔炼炉内；
S2.真空升温，然后充入惰性气体对合金进行熔炼；
S3.将步骤S2的合金熔液出炉并缓慢倒入中间漏包，并在惰性气体介质下雾化，得到合金粉末。
所述步骤S1中将原材料中的金属硅作为补料，此外添加铝块作为补料，在其他原材料熔化后将金属硅、铝块依次加入，其中金属硅最终作为合金粉末的成分，能够改善合金粉末加工性能，另外金属硅具有一定脱氧能力与脱氧能力更强的铝协同作用起到更好脱氧作用；加入补料时中频感应炉内的温度控制在1500～1550℃。
所述步骤S3中合金熔液出炉温度维持在1700～1750℃。
所述步骤S3中惰性气体介质的雾化压力为2～5MPa。
所述步骤S3中中间漏包采取保温措施，保证了气雾化过程中合金熔液的过热度，不易堵包，同时也提高了合金粉末的球形度和收得率，其中合金粉末球形度高有利于提高合金粉末熔覆层的组织均匀度和致密性，使熔覆层不易开裂，且耐磨耐蚀性良好。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明的合金粉末具有良好的激光熔覆工艺性能，激光熔覆过程中无需预热和后热处理即可获得大面积的熔覆层；
2.本发明的合金粉末激光熔覆后的熔覆层不开裂、硬度高，具有良好的耐磨性能；
3.本发明的合金粉末经熔覆后得到的熔覆层组织均匀，摩擦磨损为均匀磨损，说明合金成分少偏析，其中硬质增强相分布均匀，从而使熔覆层的硬度均匀；且熔覆层内应力小，与高锰钢表面结合良好，磨损过程中不剥落；
4.本发明用于高锰钢表面修复的激光熔覆合金粉末与高锰钢成分接近，界面结合牢固，成本低廉，易于推广和应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明根据高锰钢特性和激光熔敷工艺特性，为获得硬度高、耐磨损、与高锰钢表面结合良好的修复用合金粉末，对合金粉末进行了优化设计，使激光熔敷后得到的熔覆层组织为奥氏体，以减少熔覆层与基体结合界面的晶格失配度，增强界面结合性能；同时考虑抑制熔覆层的枝晶偏析倾向，促进细小等轴晶组织的形成，以增加熔覆层韧性和强度；通过固溶强化和沉淀析出强化，提高熔覆层的硬度，增加耐磨性。成分设计原理如下：
C：稳定奥氏体并形成合金碳化物，获得高硬度的熔覆层，增强熔覆层的耐磨性。
Cr：形成碳化物，能提高耐磨性。
Si：改善激光熔覆的工艺性能。
Ti：细化晶粒，抑制柱状晶的生长，防止形成穿晶。
Ni：稳定奥氏体，合金碳化物不易从奥氏体中析出；提高熔覆层的韧性。
Mo：含钼碳化物在奥氏体中沉淀析出，使奥氏体得到沉淀硬化，提高耐磨性；抑制和消除网片状碳化物形成，提高熔覆层的韧性。
实施例1
按照如下质量百分比称取原材料：1.0％C、0.3％Si、3.0％Mn、3.0％Ti、9.0％Ni、12.0％Cr、8.0％Mo、Fe为余量；同时称取0.2％的纯铝块。
将称好的原材料装入中频感应炉内，其中金属硅和铝块放置在补料口；中频感应炉熔炼室抽真空至5Pa，打开中频感应炉电源缓慢增加功率升温；待炉料开始熔化，关闭真空泵组，充入接近本地大气压的氩气；缓慢降低中频电源功率，待炉温降至1520～1570℃，依次从从熔料炉补料口加入金属硅和铝块，一方面待其他原材料熔化后从补料口加入金属硅能够减少硅元素的烧损，另一方面金属硅除了作为合金粉末组成成分外还具有一定的脱氧能力，可与脱氧能力更强的铝块协同作用对合金熔液进行脱氧精炼，又由于加入的铝块量非常少，在熔炼过程中铝块即与氧即形成不熔于合金熔液的渣滓，不会影响最终合金粉末的成分；然后增大中频感应熔炼炉电源的功率，在1700～1720℃将合金熔液缓慢倒入雾化中间漏包中进行雾化，雾化介质为氮气、雾化压力为3.0MPa；雾化完成待粉末冷却至室温，在氩气气氛保护的超声波振动筛中进行筛分，得到不同规格段的成品粉末；将成品粉末充氩气包装。
实施例2
按照如下质量百分比称取原材料：0.7％C、0.6％Si、1.5％Mn、2.0％Ti、7.0％Ni、10.0％Cr、6.0％Mo、Fe为余量；同时称取0.15％纯铝块；
将称好的原材料装入中频感应炉内，其中金属硅和铝块放置在补料口；中频感应炉熔炼室抽真空至5Pa，打开中频感应炉电源缓慢增加功率升温；待炉料完全熔化，关闭真空泵组，充入接近本地大气压的氩气；缓慢降低中频电源功率，待炉温降至1520～1550℃，依次从从熔料炉补料口加入金属硅和铝块，一方面待其他原材料熔化后从补料口加入金属硅能够减少硅元素的烧损，另一方面金属硅除了作为合金粉末组成成分外还具有一定的脱氧能力，可与脱氧能力更强的铝块协同作用对合金熔液进行脱氧精炼，又由于加入的铝块量非常少，在熔炼过程中铝块即与氧即形成不熔于合金熔液的渣滓，不会影响最终合金粉末的成分；然后增大中频感应熔炼炉电源的功率，在1720～1750℃将合金熔液缓慢倒入雾化中间漏包中进行雾化，雾化介质为氮气、雾化压力为3.5MPa；雾化完成待粉末冷却至室温，在氩气气氛保护的超声波振动筛中进行筛分，得到不同规格段的成品粉末；将成品粉末充氩气包装。
实施例3
按照如下质量百分比称取原材料：1.2％C、0.4％Si、4.5％Mn、4.0％Ti、5.0％Ni、15.0％Cr、4.0％Mo、Fe为余量；同时称取0.15％纯铝块；
将称好的原材料装入中频感应炉内，其中金属硅和铝块放置在补料口；中频感应炉熔炼室抽真空至5Pa，打开中频感应炉电源缓慢升温；待炉料完全熔化，关闭真空泵组，充入接近本地大气压的氩气；缓慢降低中频电源功率，待炉温降至1520～1550℃，依次从从熔料炉补料口加入金属硅和铝块，一方面待其他原材料熔化后从补料口加入金属硅能够减少硅元素的烧损，另一方面金属硅除了作为合金粉末组成成分外还具有一定的脱氧能力，可与脱氧能力更强的铝块协同作用对合金熔液进行脱氧精炼，又由于加入的铝块量非常少，在熔炼过程中铝块即与氧即形成不熔于合金熔液的渣滓，不会影响最终合金粉末的成分；然后增大中频感应熔炼炉电源的功率，在1720～1750℃将合金熔液缓慢倒入雾化中间漏包中进行雾化，雾化介质为氮气、雾化压力为4.0MPa；雾化完成待粉末冷却至室温，在氩气气氛保护的超声波振动筛中进行筛分，得到不同规格段的成品粉末；将成品粉末充氩气包装。
本发明产品的性能测试过程和结果如下：
选用53～125um规格的合金粉末，在ZGMn13-1钢基材上，设定激光功率为1000W、激光束扫描速率为5mm/s、送粉量为50g/min，激光熔覆后得到熔覆层。熔覆层没有开裂现象，熔覆层的硬度为HRC59。
选用53～125um规格的合金粉末，在ZGMn13-5钢基材上，设定激光功率为1500W、激光束扫描速率为8mm/s、送粉量为80g/min，激光熔覆后得到熔覆层。熔覆层的表面平整，没有裂纹，硬度为HRC57。
采用MM-200型磨损试验机测定上述得到具有熔覆层的钢基材的耐磨性，试样尺寸为7×7×25mm，摩擦工况为干磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为2h。采用电子分析天平测量试样磨损前后质量的质量差(测量前均采用超声波清洗仪清洗试样)，实验结果如下：
具有熔敷层的ZGMn13-1钢基材失重1.0±0.1mg；具有熔敷层的ZGMn13-5钢基材失重1.2±0.1mg。
本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合合金镀覆材料领域的市售产品。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (9)
1.用于高锰钢表面修复的合金粉末，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：0.7～1.2％C、0.2～0.6％Si、1.5～4.5％Mn、2～4％Ti、5.0～9.0％Ni、10.0～15.0％Cr、4.0～8.0％Mo、余量为Fe及不可避免的微量杂质。
2.权利要求1所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，采用中频感应电炉熔炼后经惰性气体雾化制得。
3.根据权利要求2所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.按照配比称取原材料，并装入中频感应电炉熔炼炉内；
S2.真空升温，然后充入惰性气体对合金进行熔炼；
S3.将步骤S2的合金熔液出炉并倒入中间漏包，并在惰性气体介质下雾化，得到合金粉末。
4.根据权利要求3所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，将原材料中的金属硅作为补料，此外添加铝块作为补料，且在其他原材料熔化后将金属硅、铝块依次加入。
5.根据权利要求4所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，加入补料时中频感应电炉内的温度控制在1500～1550℃。
6.根据权利要求3所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中合金熔液出炉温度维持在1700～1750℃。
7.根据权利要求3所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中惰性气体介质的雾化压力为2～5MPa。
8.根据权利要求3所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中中间漏包采取保温措施。
9.权利要求1所述的用于高锰钢表面修复的合金粉末的使用方法，其特征在于，激光熔覆时采用的参数为激光功率1000～1500W、激光束扫描速率为7～10mm/s、送粉量为70～90g/min。
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