CN110405197A - 一种激光熔覆粉末及其制备方法和熔覆层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面加工技术领域，尤其涉及一种激光熔覆粉末及其制备方法和熔覆层及其制备方法。本发明提供的激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：C：1.25～1.55％，Si：3.4～4.6％，Mn：3.1～4.2％，Cr：21～23％，Mo：0.08～0.15％，W：9.5～10.3％，Ti：3.5～7.5％和Fe：余量。根据实施例的记载，本发明提供的激光熔覆粉末制备得到的熔覆层具有≥760HV的硬度，并具有较好的耐磨性能。

Description

一种激光熔覆粉末及其制备方法和熔覆层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面加工技术领域，尤其涉及一种激光熔覆粉末及其制备方法和熔覆层及其制备方法。
背景技术
激光熔覆是指将合金粉末、合金焊丝等通过激光扫描熔化，与基体表面熔化层在极短时间内发生冶金反应，制得稀释度极低，与基体成冶金结合的表面熔覆层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热等性能的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了材料表面特定性能的要求又节约了大量的贵重元素；与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、热变形小、与基体结合好且适合熔覆的材料多等特点。目前的激光熔覆合金粉末制备得到的熔覆层的硬度很难达到700HV以上，难以满足高磨损恶劣工况的需要。因此，如何开发一种低成本制备高硬度、高耐磨熔覆层的激光熔覆粉末成为近年来该领域研究的热点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本制备高硬度、高耐磨熔覆层的激光熔覆粉末。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分： C：1.25～1.55％，Si：3.4～4.6％，Mn：3.1～4.2％，Cr：21～23％，Mo：0.08～0.15％， W：9.5～10.3％，Ti：3.5～7.5％和Fe：余量。
优选的，按照质量百分比计，包括以下组分：C：1.35％，Si：3.45％， Mn：3.1％，Cr：22％，Mo：0.12％，W：9.5％，Ti：4.5％和Fe：余量。
优选的，所述激光熔覆粉末的粒径为135～325目。
本发明还提供了所述的激光熔覆粉末的制备方法，包括以下步骤：
将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe各自对应的金属单质进行混合，得到激光熔覆粉末。
优选的，进行所述混合前，先将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe 各自对应的金属单质独立地进行干燥；
所述干燥的温度为150～180℃，所述干燥的时间为2～3小时。
本发明还提供了一种熔覆层的制备方法，包括以下步骤：
将激光熔覆粉末进行激光熔覆，得到熔覆层；
所述激光熔覆粉末为上述技术方案所述的激光熔覆粉末或由上述技术方案所述制备方法制备得到的激光熔覆粉末。
优选的，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为2.8～4.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：450～650mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：2.2～3.5g/s，送粉气流量为8L/min。
优选的，所述激光熔覆的过程为：将所述激光熔覆粉末置于激光熔覆送粉器的送粉筒内，通过同轴送粉进行激光熔覆。
本发明还提供了所述制备方法制备得到的熔覆层，所述熔覆层的厚度为 1.8～2.2mm，所述熔覆层的硬度≥750HV。
本发明提供了一种激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分： C：1.25～1.55％，Si：3.4～4.6％，Mn：3.1～4.2％，Cr：21～23％，Mo：0.08～0.15％， W：9.5～10.3％，Ti：3.5～7.5％和Fe：余量。本发明通过调整合金粉末中各组分元素的用量，有效地提高了合金熔覆层的硬度和耐磨性能，并结合激光熔覆工艺使得到的熔覆层组织致密、晶粒细化，进一步提高了激光熔覆层的硬度和耐磨性。采用Fe作为母粉，通过合理添加Cr元素，有效的提高了母粉的硬度，通过添加W、Ti，有利于磨损激光熔覆粉末在激光熔覆过程中形成硬质相，如WC、TiO2等，显著提高了熔覆合金层的硬度和耐磨性；通过添加Mo粉，细化了熔覆合金晶粒，熔覆后得到性能最佳的超细化组织，使得本发明所述的激光熔覆粉末制备得到的熔覆层的硬度达到750HV以上，并且具有优异的耐磨性，能够满足恶劣工况的需要。
附图说明
图1为实施例4制备得到的熔覆层与基体之间的过渡层的微观组织；
图2为实施例4制备得到的熔覆层的微观组织。
具体实施方式
本发明提供了一种激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：C：1.25～1.55％，Si：3.4～4.6％，Mn：3.1～4.2％，Cr：21～23％，Mo：0.08～0.15％， W：9.5～10.3％，Ti：3.5～7.5％和Fe：余量。
在本发明中，按照质量百分比计，所述激光熔覆粉末包括1.25～1.55％的 C，所述C的含量优选为1.3～1.5％，更优选为1.35％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括3.4～4.6％的Si，所述Si的含量优选为3.4～3.6％，更优选为3.45％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括3.1～4.2％的Mn，所述Mn的含量优选为3.1～3.8％，更优选为3.1％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括21～23％的Cr，所述Cr的含量优选为21.5～22.5％，更优选为22％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括0.08～0.15％的 Mo，所述Mo的含量优选为0.10～0.13％，更优选为0.12％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括9.5～10.3％的W，所述W的含量优选为9.5～10.0％，更优选为9.5％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括3.5～7.5％的Ti，所述Ti的含量优选为4.0～6.0％，更优选为4.5％。
按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括余量的铁。
在本发明中，所述激光熔覆粉末的粒径优选为135～325目，更优选为 160～300目，最优选为200～250目。
本发明还提供了所述的激光熔覆粉末的制备方法，包括以下步骤：
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe各自对应的金属单质进行混合，得到激光熔覆粉末。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe各自对应的金属单质优选为粉末，所述粉末的粒径独立的优选为135～325目，更优选为 160～300目，最优选为200～250目；所述粉末的纯度独立的优选为≥99％。
在本发明中，进行所述混合前，优选将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti 和Fe各自对应的金属单质独立地进行干燥；所述干燥的温度优选为150～180℃，更优选为155～175℃，最优选为160～170℃，所述干燥的时间优选为2～3小时，更优选为2.2～2.8小时，最优选为2.4～2.6小时。在本发明中，所述干燥优选在烘干箱中进行。
在本发明中，所述混合优选在三维混合器中进行，所述混合的时间优选为2～3小时，更优选为2.2～2.8小时，最优选为2.4～2.6小时。本发明对所述混合的温度没有任何特殊的限定，在本领域技术人员熟知的混合温度下进行混合即可。
混合完成后，本发明优选对混合后的物料进行密封包装，待用；本发明对所述密封包装没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的密封包装的过程进行密封包装即可。
本发明还提供了一种熔覆层的制备方法，包括以下步骤：
将激光熔覆粉末进行激光熔覆，得到熔覆层；
所述激光熔覆粉末为上述技术方案所述的激光熔覆粉末或由上述技术方案所述制备方法制备得到的激光熔覆粉末。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述激光熔覆的基底优选为16Mn钢、45钢、40Cr或Q235；在进行激光熔覆前优选对所述基底进行本领域技术人员熟知的预处理。
在本发明中，所述激光熔覆的过程优选为：将所述激光熔覆粉末置于激光熔覆送粉器的送粉筒内，通过同轴送粉进行激光熔覆。
在本发明中，所述激光熔覆的激光功率优选为2.8～4.0kW，更优选为 3.0～3.5kW；所述激光熔覆的矩形光斑的尺寸优选为2×14mm；所述激光熔覆的搭接率优选为50％；所述激光熔覆的扫描速度优选为450～650mm/min，更优选为500～600mm/min，最优选为540～560mm/min；所述激光熔覆的保护气体优选为氩气；所述激光熔覆的送粉速度优选为2.2～3.5g/s，更优选为 2.5～3.0g/s；所述激光熔覆的送粉气流量优选为8L/min。
本发明还提供了所述制备方法制备得到的熔覆层，所述熔覆层的厚度为 1.8～2.2mm，所述熔覆层的硬度≥750HV。
下面结合实施例对本发明提供的激光熔覆粉末及其制备方法和熔覆层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1～4
提供激光熔覆粉末(135～425目)：包括以下组分：C：1.35％，Si：3.45％， Mn：3.1％，Cr：22％，Mo：0.12％，W：9.5％，Ti：4.5％和Fe：余量；
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe在150℃下独立地干燥3小时，然后利用三维混粉器混合3小时，密封包装，得到激光熔覆粉末，待用；
采用16Mn钢为基底，将所述激光熔覆粉末进行激光熔覆，所述激光熔覆的条件见表1，得到熔覆层。
表1实施例1～4中激光熔覆的条件参数(保护气体均为氩气)
将实施例1～4所述的熔覆层均铺展均匀、平整，熔覆层厚度均在 1.8～2.0mm的范围内；通过表面打磨处理后得到光滑无污渍的熔覆层表面；通过探伤剂对试样进行渗透探伤，所有试样均未出现裂纹。
实施例5
提供激光熔覆粉末(135～325目)：包括以下组分：C：1.25％，Si：3.4％， Mn：3.1％，Cr：21％，Mo：0.08％，W：9.5％，Ti：3.5％和Fe：余量；
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe在150℃下独立地干燥2小时，然后利用三维混粉器混合3小时，密封包装，得到激光熔覆粉末，待用；
采用45钢为基底，将所述激光熔覆粉末进行激光熔覆，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为2.8kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：450mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：2.2g/s，送粉气流量为8L/min；得到熔覆层(厚度为1.8mm)。
实施例6
提供激光熔覆粉末(135～325目)：包括以下组分：C：1.55％，Si：4.6％， Mn：4.2％，Cr：23％，Mo：0.15％，W：10.3％，Ti：7.5％和Fe：余量；
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe在180℃下独立地干燥2小时，然后利用三维混粉器混合3小时，密封包装，得到激光熔覆粉末，待用；
采用16Mn钢为基底，将所述激光熔覆粉末进行激光熔覆，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为4.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：650mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：3.5g/s，送粉气流量为8L/min；得到熔覆层(厚度为2.2mm)。
实施例7
提供激光熔覆粉末(135～325目)：包括以下组分：C：1.45％，Si：3.6％， Mn：3.8％，Cr：21％，Mo：0.08％，W：10.3％，Ti：5.5％和Fe：余量；
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe在170℃下独立地干燥3小时，然后利用三维混粉器混合3小时，密封包装，得到激光熔覆粉末，待用；
采用16Mn钢为基底，将所述激光熔覆粉末进行激光熔覆，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为3.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：500mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：3.5g/s，送粉气流量为8L/min；得到熔覆层(厚度为2.0mm)。
实施例8
提供激光熔覆粉末(135～325目)：包括以下组分：C：1.42％，Si：4.3％， Mn：4.0％，Cr：22％，Mo：0.09％，W：9.8％，Ti：5.5％和Fe：余量；
按照上述配比，将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe在180℃下独立地干燥3小时，然后利用三维混粉器混合3小时，密封包装，得到激光熔覆粉末，待用；
采用40Cr钢为基底，将所述激光熔覆粉末进行激光熔覆，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为3.5kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：550mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：3.5g/s，送粉气流量为8L/min；得到熔覆层(厚度为1.8mm)。
对比例1
配制合金粉末，合金粉末中各成分质量百分比为：YD-tz675 85％，WC 15％，其中YD-tz675各元素的质量百分比：C 1.0％、Cr 14.0％、Si 0.3％、 Mn 0.3％、Co 1.7％，Fe余量；将按比例配制好的合金粉末放入机械式混粉器中混合2小时，混合均匀，所述合金粉末粒度为100～150目；将合金粉末；将40Cr齿轮轴固定在大功率半导体激光加工数控机床上，设定激光熔覆工艺参数：功率P＝3500W、矩形光斑为2×14mm、搭接率50％、扫描速度V＝400mm/min；采用重力送粉，对熔覆过程中的熔池采用氩气进行保护, 最终获得厚度均匀的2mm高硬度、高耐磨性合金层。
测试例：
采用显微硬度计(FM-700e数字式显微硬度计)测量实施例1～8和对比例1熔覆区的显微硬度和基底的显微硬度及观察熔覆层与基底的金相结合，其中，实施例1～8和对比例1所述的熔覆层的显微硬度如表2所示；实施例 1～8和对比例1各自对应的基底的显微硬度如表3所示：
表2实施例1～8和对比例1所述的熔覆层的显微硬度
实施例 熔覆层的硬度(HV)
实施例1 760
实施例2 780
实施例3 785
实施例4 790
实施例5 767.5
实施例6 787
实施例7 779
实施例8 773
对比例1 600
表3基底的显微硬度
实施例 硬度值(HV)
实施例1 166
实施例2 175
实施例3 178
实施例4 180
实施例5 178
实施例6 189
实施例7 199
实施例8 185
对比例1 177
由表2和表3可知，熔覆层的硬度相比于16Mn钢的硬度有显著的提高；
采用显微硬度计在实施例4所述的激光熔覆层即熔覆层与基底的结合处进行观察(观察结果如图1和图2所示)，发现熔覆层与基底16Mn钢结合较好，基材表面产生了0.5mm左右的熔融区，熔融区与基材具有较好的结合面且没有夹杂物。
磨损试验：
采用MMU-5G屏显式高温断面摩擦磨损试验机对实施例1～8和对比例 1所述熔覆层进行磨损试验；所述磨损试验机的载荷为800N，磨损时间为 40min，设定温度为20℃，主轴转速为200r/min，磨损后用FA2004型电子天平称重，精度值0.1mg；测试结果如表4所示：
表4实施例1～4和对比例1所述熔覆层磨损前后的质量及磨损量
实施例 磨损前质量/g 磨损后质量/g 磨损量/mg
实施例1 101.6352 101.6297 5.5
实施例2 105.4393 105.4322 7.1
实施例3 103.5241 103.5193 4.8
实施例4 102.1295 102.1278 1.7
对比例1 106.1222 106.0965 25.7
由表4可知，本发明所述的激光熔覆粉末制备得到的熔覆层具有较好的耐磨性能。
由以上实施例可知，本发明提供的激光熔覆粉末制备得到的熔覆层具有≥760HV的硬度，并具有较好的耐磨性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光熔覆粉末，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：C：1.25～1.55％，Si：3.4～4.6％，Mn：3.1～4.2％，Cr：21～23％，Mo：0.08～0.15％，W：9.5～10.3％，Ti：3.5～7.5％和Fe：余量。
2.如权利要求1所述的激光熔覆粉末，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：C：1.35％，Si：3.45％，Mn：3.1％，Cr：22％，Mo：0.12％，W：9.5％，Ti：4.5％和Fe：余量。
3.如权利要求1所述的激光熔覆粉末，其特征在于，所述激光熔覆粉末的粒径为135～325目。
4.权利要求1～3任一项所述的激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe各自对应的金属单质进行混合，得到激光熔覆粉末。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，进行所述混合前，先将C、Si、Mn、Cr、Mo、W、Ti和Fe各自对应的金属单质独立地进行干燥；
所述干燥的温度为150～180℃，所述干燥的时间为2～3小时。
6.一种熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光熔覆粉末进行激光熔覆，得到熔覆层；
所述激光熔覆粉末为权利要求1～3任一项所述的激光熔覆粉末。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的条件参数为：激光功率为2.8～4.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：50％；扫描速度为：450～650mm/min；保护气体为：氩气；送粉速度为：2.2～3.5g/s，送粉气流量为8L/min。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的过程为：将所述激光熔覆粉末置于激光熔覆送粉器的送粉筒内，通过同轴送粉进行激光熔覆。
9.权利要求6～8任一项所述的制备方法制备得到的熔覆层，其特征在于，所述熔覆层的厚度为1.8～2.2mm，所述熔覆层的硬度≥750HV。
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