CN110499505B - 一种高温自润滑钴基耐磨复合层、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温自润滑钴基耐磨复合层、制备方法及应用，其包括如下步骤：分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，混合均匀得到合金粉，将所述的合金粉与粘结剂混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；对球墨铸铁辊基体表面进行打磨，然后依次用丙酮、酒精超声清洗，清洗完成后在基体表面涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，再进行烘干、保温处理；对涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体进行预热，然后在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层。制备的高温自润滑钴基耐磨复合层高温条件下耐磨性能强，表面不产生裂纹及气孔缺陷，延长了球墨铸铁热轧辊的使用寿命。

Description

一种高温自润滑钴基耐磨复合层、制备方法及应用
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种高温自润滑钴基耐磨复合层、制备方法及应用。
背景技术
球墨铸铁具有较高的强度和一定的韧性、塑性，同时还具有耐磨、减震、对缺口不敏感等特性，在工业中应用广泛，可代替碳钢和合金钢制造受力复杂、对强度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如高温球墨热轧辊、曲轴、缸套等。但球墨铸铁的高温耐磨性稍差，在苛刻的高温使用环境下，经常因表面受到磨损而导致失效。
而在大型钢铁企业，热轧辊的工作环境温度一般为700～800℃，该温度下的球墨铸铁耐磨性能较差，导致球墨铸铁热轧辊表面产生裂纹及气孔，缩短了球墨热轧辊的使用寿命，因此球墨铸铁热轧辊是大型钢材加工过程中的易损耗件，其耐磨性影响到大型钢铁产品的质量、要求、成本预算和生产效率。因此，提高球墨铸铁热轧辊的耐磨性、延长其使用寿命对提高大型钢材加工的生产效率至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：高温使用条件下球墨铸铁热轧辊的耐磨性差，提供了一种高温自润滑钴基耐磨复合层、制备方法及应用。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比为70：27：3：4：6分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，混合均匀得到合金粉，其中Co、Cr、Fe、B、Si的粒径为80～150μm，将所述的合金粉与粘结剂按照质量比1:1混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；
(2)对球墨铸铁辊基体表面进行打磨，然后依次用丙酮、酒精超声清洗，清洗完成后在基体表面涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，在200℃下烘干、保温处理，保温时间20～28h，烘干后涂层厚度为0.4～0.5mm；
(3)把涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体在250℃下预热，然后将其固定在激光器的基片架上，设置激光功率2200W，搭接率0.5，光斑直径为4.0mm，激光扫描速度1350mm/min，在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，粘结剂为酒精。
一种由所述的高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法制备得到的高温自润滑钴基耐磨复合层，包括球墨铸铁辊基体以及在基体上依次成型的热影响扩散层和钴基合金层，所述热影响扩散层的组织为细小的马氏体围绕着球状石墨。
作为本发明的优选方式之一，所述的钴基合金层厚度为1.0mm。
作为本发明的优选方式之一，所述的钴基合金层硬度为900HV0.1。
作为本发明的优选方式之一，所述的钴基合金层摩擦系数为0.36。
一种所述的高温自润滑钴基耐磨复合层在制备耐磨球墨铸铁热轧辊上的应用。
本发明公开一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，选择Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末混合后，制备高温自润滑钴基耐磨复合层，该高温自润滑钴基耐磨复合层包括球墨铸铁辊基体以及在基体上依次成型的热影响扩散层和钴基合金层，在高温使用条件下，钴基合金层内形成含CoO的氧化层，该氧化层具有自润滑作用，降低了钴基合金层的摩擦系数，减少了钴基合金层的表面裂纹率及气孔等缺陷，提高了球墨铸铁热轧辊在高温下的耐磨性能，延长了其使用寿命。球墨铸铁热轧辊基体与钴基合金层在硬度、成分上存在较大差异，导致钴基合金层产生裂纹，同时使钴基合金层与球墨铸铁热轧辊基体之间的结合力较差。通过在激光合金化过程中，在激光的热量作用下部分合金元素与基体发生互扩散，形成以细小的马氏体围绕着球状石墨的热影响区组织。这种组织在硬度和成分上介于钴基合金层和球墨铸铁，可以很好的减少钴基合金层由于与基体的硬度和成分相差大而产生的裂纹，同时提高钴基合金层与球墨铸铁热轧辊基体之间的结合力。
Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末的质量比为70：27：3：4：6，该配比条件下制备的高温自润滑钴基耐磨复合层，有较好的力学性能以及高温耐磨性能；Fe元素的加入可以进一步提高涂层的硬度。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的高温自润滑钴基耐磨复合层，高温使用条件下耐磨性能强，钴基合金层不产生裂纹及气孔缺陷，钴基合金层与球墨铸铁热轧辊基体之间的结合力强，延长了球墨铸铁热轧辊的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的高温自润滑钴基耐磨复合层的结构示意图；
图2是实施例1的高温自润滑钴基耐磨复合层的电镜照片；
图3是实施例1的钴基合金层的高温摩擦系数曲线；
图4是实施例1的钴基合金层的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
由图1所示，本发明的高温自润滑钴基耐磨复合层包括球墨铸铁辊基体及在基体表面上依次成型的热影响扩散层和钴基合金层。
实施例1
本实施例提供一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比为70：27：3：4：6分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，放入球磨机中混合均匀得到合金粉，将所述的合金粉与粘结剂混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；
(2)对球墨铸铁热轧辊基体表面进行打磨，然后用丙酮超声清洗15min，再用酒精超声清洗15min，将热轧辊基体表面打磨清洗至表面无杂质、无污渍，然后烘干并放置在操作台上，在基体表面手工均匀涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，再进行烘干、保温处理，保温时间20h，以确保高温自润滑钴基合金浆料充分干燥，减少气泡缺陷，烘干后涂层厚度为0.3mm；
(3)用火焰喷枪对涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体在200℃下进行预热处理，然后将其固定在激光器的基片架上，在操作系统上依次设定激光功率2000W，搭接率0.45，光斑直径3.5mm，激光扫描速度1350mm/min，将激光喷头根据基体位置和高度调节其角度，使激光射出方向与基体表面保持45°，激光喷头采用“之”字型移动方式，保持激光的最大利用效率和稳定的搭接率，激光的高瞬时能量输入及高冷却速度使金属组织可以充分细化，1350mm/min的激光扫描速度可以减少裂纹的扩展和气泡等缺陷的产生，提高钴基合金层形成过程中合金化的质量，整个实验过程在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层。
制备的高温自润滑钴基耐磨复合层的电镜照片如图2所示，由图2可知，所述的高温自润滑钴基耐磨复合层依次包括球墨铸铁基体、热影响扩散层和钴基合金层，所述的钴基合金层厚度为1mm。
图3是所述的钴基合金层的高温摩擦系数曲线，所述测试载荷为20N，时间3600s，转速为364r/min，磨痕直径为7mm，温度700℃。由图3知，所述的钴基合金层高温摩擦系数低至0.36。
制备的钴基合金层的表面硬度约为850HV0.1。
图4是所述的钴基合金层的拉曼光谱图，所述测试光斑尺寸为1μm,激发功率2mw，曝光时间10s。由图4可知，高温摩擦磨损后，所述的钴基合金层中形成CoO等具有高温自润滑作用的氧化物。
实施例2
本实施例提供一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比为70：27：3：4：6分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，混合均匀得到合金粉，将所述的合金粉与粘结剂混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；
(2)对球墨铸铁辊基体表面进行打磨，然后用丙酮超声清洗20min，再用酒精超声清洗20min，清洗完成后在基体表面涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，再进行烘干、保温处理，保温时间25h，烘干后涂层厚度为0.4mm；
(3)对涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体在220℃下进行预热处理，然后将其固定在激光器的基片架上，设置激光工艺参数为，激光功率2200W，搭接率0.47，光斑直径3.8mm，激光扫描速度900mm/min，激光喷头采用“之”字型移动方式，在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层。
制备的钴基合金层的高温摩擦系数为0.4，表面硬度约为870HV0.1。
实施例3
本实施例提供一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比为70：27：3：4：6分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，混合均匀得到合金粉，将所述的合金粉与粘结剂混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；
(2)对球墨铸铁辊基体表面进行打磨，然后用丙酮超声清洗30min，再用酒精超声清洗30min，清洗完成后在基体表面涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，再进行烘干、保温处理，保温时间28h，烘干后涂层厚度为0.5mm；
(3)对涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体在250℃下进行预热处理，然后将其固定在激光器的基片架上，设置激光工艺参数为，激光功率2500W，搭接率0.5，光斑直径4.0mm，激光扫描速度600mm/min，激光喷头采用“之”字型移动方式，在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层。
制备的钴基合金层的高温摩擦系数为0.3，表面硬度约为900HV0.1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照质量比为70：27：3：4：6分别称取Co、Cr、Fe、B、Si金属粉末，Co、Cr、Fe、B、Si的粒径为80～150μm，混合均匀得到合金粉，将所述的合金粉与粘结剂按照质量比1:1混合均匀，得到高温自润滑钴基合金浆料；
（2）对球墨铸铁辊基体表面进行打磨，然后依次用丙酮、酒精超声清洗，清洗完成后在基体表面涂覆所述的高温自润滑钴基合金浆料，在200℃下烘干、保温处理，保温时间为25～28h，烘干后涂层厚度为0.4～0.5mm；
（3）把涂覆有高温自润滑钴基合金浆料的基体在250℃下预热，然后将其固定在激光器的基片架上，设置激光功率2200W，搭接率0.5，光斑直径为4.0mm，激光扫描速度1350mm/min，在氮气保护下进行合金化处理，得到高温自润滑钴基耐磨复合层；
所述高温自润滑钴基耐磨复合层中，包括球墨铸铁辊基体以及在基体上依次成型的热影响扩散层和钴基合金层，所述热影响扩散层的组织为细小的马氏体围绕着球状石墨；所述的钴基合金层厚度为0.9～1.2mm。
2.根据权利要求1所述的高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，粘结剂为酒精。
3.一种由权利要求1、2任一项所述的高温自润滑钴基耐磨复合层的制备方法制备得到的高温自润滑钴基耐磨复合层。
4.根据权利要求3所述的高温自润滑钴基耐磨复合层，其特征在于，所述的钴基合金层硬度为900HV0.1。
5.根据权利要求3所述的高温自润滑钴基耐磨复合层，其特征在于，所述的钴基合金层摩擦系数为0.30～0.40。
6.一种如权利要求3～5任一项所述的高温自润滑钴基耐磨复合层在制备耐磨球墨铸铁热轧辊上的应用。
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