CN110273151B

CN110273151B - 一种在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法

Info

Publication number: CN110273151B
Application number: CN201910607647.3A
Authority: CN
Inventors: 戴挺; 戴剑雯; 王惟钊; 陈锴; 曹洪彬; 李淼; 贾晓健; 童蔚苹
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: CN110273151A

Abstract

本发明公开了一种利用层流等离子体制备贝氏体钢熔覆层的方法，该方法包括以下步骤：(1)将高碳钢基板表面打磨平整并清洁，预热至300～500℃；(2)取低碳钢合金粉末，干燥后与粘接剂混合均匀，放入模具中，平铺碳纤维布，压实，脱模取出带有碳纤维的粉末预置片，烘干待用；(3)将步骤(2)得到的带有碳纤维的粉末预置片放置在步骤(1)处理后的高碳钢基板上，开启层流等离子体发生器，等离子体产生的热量把带有碳纤维的粉末预置片与基板紧密结合在一起，形成熔覆层，继续保温后自然冷却。本发明方法能够减少层流等离子体表面熔覆过程中的飞溅、球化现象，在保证熔覆过程的顺利进行的同时，获得所需要的组织。

Description

一种在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法

技术领域

本发明属于等离子熔覆技术，特别是涉及一种采用粉末预置法在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法。

技术背景

等离子熔覆技术是以转移弧作为热源获得高能量密度的等离子弧，配合合金粉末材料进行的表面冶金方法。等离子炬的阴极电极和喷嘴(阳极)这两个部分被分别连接到负、正极，工作气体通过等离子炬，利用高频火花点火，气体被加热到很高的温度(15000K)产生压缩的效果，在磁压缩、热压缩和机械压缩综合作用下从喷嘴射出一个温度极高，速度极大的等离子射流。合金粉末或合金丝进入等离子束范围后被瞬时地加热至熔融状态，与表面微熔的基板产生冶金结合，形成熔覆层。

合金丝的熔覆技术现已成熟，但合金粉末的熔覆技术存在很多问题。粉末在较薄的表面喷涂上应用广泛，而较厚的表面，由于工艺原因，存在较多缺陷，粉末的体积收缩，飞溅，球化，发生器的串弧等导致实验的中断。如何减少球化，飞溅，实现熔覆层与基体良好冶金结合是一个关键问题。

发明内容

发明目的：针对现有的等离子熔覆技术不能很好的在高碳钢表面熔覆上一定厚度的熔覆层，实验效率低、缺陷多等问题，本发明提供了一种优化以后的采用粉末预置法在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法。

技术方案：本发明所述的一种在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法，包括如下步骤：

(1)高碳钢基板的预处理：将高碳钢基板表面打磨平整并清洁，预热至300～500℃；

(2)取低碳钢合金粉末，干燥后与粘接剂混合均匀，放入模具中，平铺碳纤维布，压实，脱模取出带有碳纤维的粉末预置片，烘干待用；

(3)将步骤(2)得到的带有碳纤维的粉末预置片放置在步骤(1)处理后的高碳钢基板上，粉末侧为下表面，碳纤维侧为上表面，开启层流等离子体发生器，等离子体产生的热量把带有碳纤维的粉末预置片与基板紧密结合在一起，形成熔覆层，继续保温，自然冷却至室温即可。

步骤(1)中，所述清洁可以采用酒精擦拭基板表面，去除表面的油污和灰尘；所述预热处理通过将基板平放在铜板的恒温加热平台上实现。

步骤(2)中，所述低碳钢合金粉末包含以下质量百分含量的各个组分：Mn:1.1％-1.8％，Cr:1.0％-1.5％，Mo:0.2％-0.4％，Ni:0％-0.6％，Si:1％-1.8％，C:0.2％-0.4％，其余成分为Fe。

优选的，所述低碳钢合金粉末包含以下质量百分含量的各个组分：Mn1.56％，Cr:1.29％，Mo:0.38％，Ni:0.6％，Si:1.58％，C:0.28％，其余成分为Fe。

所述粉末可以是球形粉末，也可以是非球形粉末。对于球形粉末尤其适用，球形粉末由于其形状效应，具有极好的流动性，粉末之间如果不添加粘接剂很难用压片机压成具有一定强度的预置片。

步骤(2)中，所述低碳钢粉末的粒径范围为100μm±50μm。

步骤(2)中，取低碳钢合金粉末干燥是指在真空干燥箱中60℃烘干12-30小时。

步骤(2)中，所述粘接剂选自羧甲基纤维素钠、硅酸钠、聚乙烯醇中的一种或多种。所述粘结剂是低熔点的，在较高的温度下直接汽化，不会残留在熔覆层中。

步骤(2)中，所述低碳钢合金粉末与粘接剂的重量比为10:1～9:1之间，以保证其高的粘性和较低的流动性。所述粘接剂的添加量足以保证水分很快去除，而低碳钢合金粉末没有明显的氧化生锈现象，不会影响熔覆层的质量。

步骤(2)中，预置片的厚度为1～2mm，保证熔覆过程中，金属粉末能够充分熔化。通过对低碳钢合金粉末和粘接剂的量的控制，保证熔覆层具有所需的厚度，无需进行多次熔覆。

步骤(2)中，所述碳纤维布的形状和基板形状一致，同时和模具底面的形状一致。

步骤(2)中，平铺碳纤维布后，表面轻压，再用粉末压机把粉末压实；压实后碳纤维布和金属粉末能够紧密贴合在一起，脱模时一同从模具中取下。

本申请所用碳纤维布具有良好的导电性，导电性保证层流等离子体的电弧能够正常产生；具有良好的导热性，导热性保证热量能够均匀在碳纤维布表面铺散开，使得下面的金属粉末能够均匀受热；所述碳纤维具有较高的比热容，碳纤维的比热容为0.7～0.9KJ/(Kg·K)，铁的比热容为0.44 KJ/(Kg·K)。碳纤维的比热容大于大多数金属的比热容，且熔点也高于金属粉末，因此当开始熔覆时等离子体通过碳纤维把热量传导给金属粉末时，金属粉末的达到熔点开始融化，而碳纤维布仅仅是氧化，并未达到其熔点，碳纤维覆盖在金属粉末表面，在一定程度上抑制了飞溅的产生。随着温度升高，碳纤维汽化，变成二氧化碳弥散到空气中。

步骤(2)中，所述烘干待用是指将带有碳纤维的粉末预置片迅速放入鼓风干燥箱中烘干，烘干的温一般可以设定为80℃，时间2min左右即可完成，保证粘接剂中的水分的去除，同时预置片变硬具有一定的强度和结合力而不发生氧化。

步骤(3)中，预置片的放置方式使得金属粉末与基板直接接触，可以避免杂质的带入和某些气体不能正常逸出导致的组织缺陷，保证高碳钢和低碳钢有一个良好的冶金结合。并且碳纤维在上，可以通过减少球化来控制熔覆层的形状，同时减少飞溅。

步骤(3)中，所述层流等离子体发生器的热源行走轨迹主要涉及的参数是搭接率，这与层流等离子电弧和机床的行走速度相匹配。具体的，所述层流等离子体发生器的运行参数是：机床运动速度1.6mm/s，2.0 L/min的主气(电离气体)，3.0 L/min的保护气，60A的电流。

步骤(3)中，继续保温一段时间后，用保温棉加盖在基板上，让基板随加热平台一起缓慢冷却至室温。该热处理可以减缓熔覆层的冷却速率，减少马氏体转变，增大奥氏体转变，有利于形成贝氏体钢。优选的继续保温为在300-500℃保温为0.5-1.5h。

有益效果：本发明的低碳钢合金粉末可以是球形粉也可以是非球形粉，并且对粉末的粒度、流动性等均没有要求，很大程度上降低了对材料的品质要求，提高技术的适用性。本发明每一个预置片的制备所需的时间仅2min，在较短的时间内就可以制备出很多预置片，极大的减少了原材料二次加工的时间成本。通过设计可以改变模具、预置片的形状，从而可以实现不同形状的基体的表面熔覆。本发明可以运用在钢轨的表面强化上，高碳钢的钢轨上熔覆低碳钢的合金层，获得强韧性匹配良好的贝氏体层，提高钢轨的使用寿命，具有很大的应用前景。本申请所述基板为高碳钢的基板，高碳钢焊接是容易产生裂纹，且与低碳钢粉末的结合性不易控制，通过本申请的改进，可以控制预置片的厚度、减少熔覆过程的飞溅、球化现象、较少发生器因串弧而出现的设备的损伤，实现基板与熔覆层的冶金结合，制备出所需的贝氏体层。

附图说明

图1为预置片放置的示意图；

图2为层流等离子体熔覆的设备原理图；

图3为层流等离子体的行走轨迹；

图4为U75V高碳钢基体的金相图；

图5为熔覆层保温350℃的金相图；

图6为熔覆层保温600℃的金相图；

图7为有、无碳纤维布的预置片经图3所示的行走轨迹处理过后的样品形貌示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。

实施例1

一种采用粉末预置法在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法，原理图如图2所示，其中1是层流等离子体设备的工作平台、2是铜板加热平台、3是U75V钢轨的基板、4是带有碳纤维布的预置片、5是层流等离子体、6是层流等离子体发生器；包括如下步骤：

(1)基板的预处理：取U75V高碳钢基板，金相图如图4所示，表面打磨平整后，用酒精擦拭，去除表面的油污和灰尘；把基板平放在铜板的恒温加热平台上预热温度500℃；

(2)取粒度在100μm左右的低碳钢的合金球形粉末，粉末成分的质量百分比如下:Mn1.56％，Cr:1.29％，Mo:0.38％，Ni:0.6％，Si:1.58％，C:0.28％，其余成分为Fe；真空干燥箱中60℃烘干24小时；然后取3g低碳钢合金球形粉末与0.3g粘接剂浓度为2％的羧甲基纤维素钠混合搅拌，搅拌均匀后加入20mm*20mm的方形模具中，粉末大致铺平后再把20mm*20mm的碳纤维布铺上，然后用粉末压片机压下，压片机压到不能下压为止，保载30s后脱模取出预置片，预置片厚度1mm，随后放入干燥箱干燥(80℃，2min)去除粘接剂中的水分，同时预置片变硬具有一定的强度和结合力；

(3)层流等离子体熔覆：将预置片放置在步骤(1)处理过的基板上，如图1所示，粉末侧为下表面，金属粉末与基板直接接触，可以避免杂质的带入和某些气体不能正常逸出导致的组织缺陷，保证U75V和与金属粉末有一个良好的冶金结合，碳纤维侧为上表面，开启层流等离子体发生器，热源的行走轨迹如图3所示，保证熔覆层向一侧均匀偏聚，而不是在中部形成厚度不均与的球，等离子体产生的热量把预置片与基板紧密结合在一起，形成熔覆层；熔覆结束后，基板继续放在加热平台上350℃保温1h，然后用保温棉加盖在基板上，让基板随加热平台一起缓慢冷却至室温，其光学显微镜金相图如图5所示，根据图示可见，组织为残余奥氏体，板条状的贝氏体铁素体和羽毛状的上贝氏体的机械混合物。

对比例1

该对比例操作同实施例1，不同之处在于，将步骤(3)熔覆结束后的保温温度调整为600℃。

金相图如图6所示，根据图示可见，保温热处理可以减缓熔覆层的冷却速率，减少马氏体转变，有利于形成贝氏体钢和珠光体钢。但是贝氏体钢保温温度在300-500℃，珠光体钢的保温温度500-800℃。对比例1的设定的保温温度为600℃，在珠光体的生长区间，故最终的组织为珠光体组织。

对比例2

该对比例操作同实施例1，不同之处在于，步骤(2)中不采用碳纤维布。

处理后的形貌对比如图7所示，由图可见熔覆层的形状是圆形或近圆形的，这是因为熔覆过程中金属液体的表明张力的原因，表面张力的作用强于电弧的吹力和各种电磁力的扰动，故为了使表面张力最小，熔覆层形成近似于圆形的状态。相反，实施例1由于表面存在碳纤维布，且其熔点较高，在电弧未到达前不会汽化消失，这就对表面张力的收缩作用起到了阻碍作用，形成了规则的方形，这有利于后续熔覆时形状的控制。当要熔覆一个大面积的表面时就可以通过多个小方形的叠加来完成，而这是圆形所不能完成的。

Claims

1.一种在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(3)将步骤(2)得到的带有碳纤维的粉末预置片放置在步骤(1)处理后的高碳钢基板上，粉末侧为下表面，碳纤维侧为上表面，开启层流等离子体发生器，等离子体产生的热量把带有碳纤维的粉末预置片与基板紧密结合在一起，形成熔覆层，继续保温，自然冷却至室温即可；

步骤(2)中，所述低碳钢合金粉末包含以下质量百分含量的各个组分：Mn:1.1％-1.8％，Cr:1.0％-1.5％，Mo:0.2％-0.4％，Ni:0％-0.6％，Si:1％-1.8％，C:0.2％-0.4％，其余成分为Fe；

步骤(2)中，所述低碳钢粉末的粒径范围为100μm±50μm；

步骤(2)中，所述粘接剂选自羧甲基纤维素钠、硅酸钠、聚乙烯醇中的一种或多种；

步骤(2)中，所述低碳钢合金粉末与粘接剂的重量比为10:1～9:1；

步骤(2)中，所述预置片的厚度为1～2mm；

步骤(3)中，所述层流等离子体发生器的运行参数是：机床运动速度1.6mm/s，2.0L/min的电离气体，3.0L/min的保护气，60A的电流；

步骤(3)中，形成熔覆层后300-500℃保温0.5-1.5h。

2.根据权利要求1所述的在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法，其特征在于，步骤(2)中，取低碳钢合金粉末干燥是指在真空干燥箱中60℃烘干12-30小时。

3.根据权利要求1所述的在高碳钢表面等离子熔覆贝氏体钢的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干待用是指将带有碳纤维的粉末预置片迅速放入鼓风干燥箱中80℃烘干2min即可。