CN109811336A

CN109811336A - 一种改善h13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金

Info

Publication number: CN109811336A
Application number: CN201910121529.1A
Authority: CN
Inventors: 王树奇; 姜伟; 彭敬敦
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-02-16
Filing date: 2019-02-16
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明属于铁基合金高温耐磨技术领域，涉及激光熔覆技术，特指一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金。其成份按照质量百分比计算如下：Ni 2‑30％,Mo 2‑5％,Cr 3‑5％,Al 0.1‑0.2％,Ti 1‑2％,C≦0.2％,B 1‑2％,Si 1‑2％,Fe余量。将配置好的合金粉末以同轴送粉的方式，进行激光熔覆制备合金涂层。本发明的合金粉末为低碳铁基合金粉末，利用合金碳化物和金属间化合物弥散析出获得强韧化合金涂层，具备优异的高温耐磨性。所制备的高温合金层成分均匀，组织致密，无明显的裂纹和气孔，与H13钢呈现良好冶金结合。且工艺简单，成本低，易于应用推广。

Description

一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金

技术领域

本发明属于铁基合金高温耐磨技术领域，涉及激光熔覆技术，特指一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金。

背景技术

H13钢作为一种广泛使用的热作模具钢，具有良好的红硬性、较高的韧性以及抗疲劳等性能。H13钢往往在高温下使用，工作条件恶劣，其最主要的失效形式是高温磨损。因此，要求H13钢具有高的高温耐磨性。而常规淬火回火后的H13钢往往高温耐磨性不足，特别是600℃时，发生严重的塑性挤出磨损而早期失效。因此，采用表面合金化改善H13钢的高温耐磨性，是提高H13钢热作模具使用寿命的有效方法。

激光熔覆技术是一种先进的表面处理技术，随着激光器功率的不断提高和稳定性的增大，激光熔覆技术得到了充分的发展和推广。采用激光熔覆技术可以在零件表明获得所设计的合金涂层，涂层与基体呈现良好的冶金结合，达到所需要的性能，如硬度、热稳定性、耐磨性等。对于激光熔覆而言，合金涂层的合金成分设计尤为重要。目前，激光熔覆合金主要有镍基合金、钴基合金和铁基合金。由于在实际生产中所用的零件大多为铁碳合金，相比镍基合金和钴基合金，铁基合金与零件成分更为接近，与基体的结合更为牢固且制备成本低，易于推广使用，因此研究铁基合金粉末具有重要意义。

目前，一些研究者设计出了一些用于激光熔覆的铁基合金粉末。但是，这些粉末仍存在着局限性。如，为了提高合金涂层的硬度和耐磨性往往借助于提高碳化物含量，即增加碳含量，而高的碳含量(重量百分比>0.65％)会降低合金涂层的韧性和塑性，导致熔覆的涂层容易开裂，如天津大学，罗震等的发明(中国发明专利申请号：201310335742.5)“铁基激光熔覆粉末及熔覆层制备方法”中碳含量可达0.9％，熔覆层的硬度在900HV以上。相反，若加入的碳含量过低(质量百分比<0.25％)，碳化物含量少，会导致涂层的硬度和耐磨性不足，不足以达到优化零件表面性能的目的，使得熔覆合金性能受到局限。而在碳化物物数量不足，而辅以金属间化合物强化，是最好的解决途径。

发明内容

本发明的目的是为了弥补H13钢在高温耐磨性不足的缺点而设计的。本发明涉及的激光熔覆合金涂层，无明显裂纹和气孔，成分均匀，与H13钢良好冶金结合的高温耐磨合金，见附图1。在高温下涂层具有优异的耐磨性能，耐磨性显著优于H13钢。

本发明可通过以下成分设计和技术方案来实现：

本发明所述的H13钢激光熔覆高温耐磨合金，成份按照质量百分比计算如下：Ni2-30％,Mo 2-5％,Cr 3-5％,Al 0.1-0.2％,Ti 1-2％,0＜C≦0.2％,B 1-2％,Si 1-2％,Fe余量。

本发明所述的H13钢激光熔覆高温耐磨合金粉末，其制备步骤如下：

1.配制粉末

(1)准备粉末

将原料粉末按质量百分比:Ni 2-30％；Mo 2-5％；Cr 3-5％；Al 0.1-0.2％；Ti 1-2％；0＜C≦0.2；B 1-2％；Si 1-2％,Fe余量，用电子分析天平称量出相应的量，以上粉末的纯度为分析纯，粉末粒度均为60-200目。

(2)混合粉末

将准确称量的原料粉末，放入球磨机进行混合，时间为12h，确保原料粉末混合均匀。

2.制备涂层

(1)在熔覆前将混合好的粉末放入干燥箱中烘干。

(2)将烘干的粉末通过同轴送粉的方式，采用激光功率1000W、扫描速度2-5mm/s、送粉速度4-10g/min、光斑直径2-5mm、搭接率50％的激光进行激光熔覆。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明的合金成分为低碳、高镍铁基合金，采用合金碳化物、金属间化合物强化，制得的高温合金涂层不易产生裂纹、气孔，且具有良好塑性和韧性。

2.本发明的高温合金具有良好的高温耐磨性能，在高温条件下，特别是600℃左右，涂层的耐磨性能显著优于H13钢，弥补了H13钢高温耐磨性不足的缺点。

3.本发明的高温合金成本低，制备简单。

附图说明

图1为本发明激光熔覆合金涂层的金相图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式，对本发明进行进一步的详述。本发明所使用的基体材料H13钢的化学成分表1如下。表2给出激光熔覆合金组成实例。

表1 H13钢的化学成分(wt％)

表2激光熔覆合金组成实例(wt.％)

编号	Ni	Cr	Mo	Al	Ti	C	B	Si	Fe
										实施例1	2	2.5	2	0.1	1	0.15	1	2	余量
实施例2	5	2.5	2	0.1	1	0.15	1	2	余量
										实施例3	9	2.5	2	0.15	1	0.15	1	2	余量
实施例4	18	2.5	5	0.2	2	0.15	1	2	余量
										实施例5	25	2.5	5	0.2	2	0.15	1	2	余量
实施例6	30	2.5	5	0.2	2	0.15	1	2	余量

分别按表2给出1-6合金实例，采用电子天平称量粉末，并在球磨机中进行12h混合，然后在干燥箱中烘干。将烘干的粉末采用激光功率1000W、扫描速度2-5mm/s、送粉速度4-10g/min、光斑直径2-5mm、搭接率50％进行激光熔覆。

实验获得的各实例合金通过常规淬火回火处理获得与H13钢相近硬度HRC42-47下进行耐磨性对比。在MMU-5GA高温摩擦磨损机上进行600℃下50、100、150N的摩擦磨损实验，磨损时间20min，实验所得磨损量及与H13钢磨损量差值见表3。

表3实例合金和H13钢600℃下磨损量Δm及差值Δm*(mg)

Δm磨损量；Δm*为H13钢与合金磨损量之差。

由上述数据可知，H13钢在600℃时，耐磨性不足，而例1-6涂层在600℃的耐磨性均明显优于H13钢，其中例3，4，5合金显示出优异的高温耐磨性。

Claims

1.一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金，其特征在于，成份按照质量百分比计算如下：Ni 2-30％,Mo 2-5％,Cr 3-5％,Al 0.1-0.2％,Ti 1-2％,0＜C≦0.2％,B 1-2％,Si 1-2％,Fe余量。

2.如权利要求1所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金，其特征在于，成份按照质量百分比计算如下：Ni 9％,Mo 2％,Cr 2.5％,Al 0.15％,Ti 1％,C0.15％,B1％,Si 2％,Fe余量。

3.如权利要求1所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金，其特征在于，成份按照质量百分比计算如下：Ni 18％,Mo 5％,Cr 2.5％,Al 0.2％,Ti 2％,C0.15％,B1％,Si 2％,Fe余量。

4.如权利要求1所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金，其特征在于，成份按照质量百分比计算如下：Ni25％,Mo 5％,Cr 2.5％,Al 0.2％,Ti 2％,C0.15％,B1％,Si 2％,Fe余量。

5.如权利要求1所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)配制粉末

(a)准备粉末

将原料粉末按质量百分比:Ni 2-30％；Mo 2-5％；Cr 3-5％；Al 0.1-0.2％；Ti 1-2％；0＜C≦0.2；B 1-2％；Si 1-2％,Fe余量，用电子分析天平称量出相应的量；

(b)混合粉末

将准确称量的原料粉末，放入球磨机进行混合，确保原料粉末混合均匀；

(2)制备涂层

(c)在熔覆前将混合好的粉末放入干燥箱中烘干；

(d)将烘干的粉末通过同轴送粉的方式，进行激光熔覆。

6.如权利要求5所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金的制备方法，其特征在于，原料粉末的纯度为分析纯，粉末粒度均为60-200目。

7.如权利要求5所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金的制备方法，其特征在于，球磨机进行混合的时间为12h。

8.如权利要求5所述的一种改善H13钢高温耐磨性能的激光熔敷合金的制备方法，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光功率1000W、扫描速度2-5mm/s、送粉速度4-10g/min、光斑直径2-5mm、搭接率50％。