CN110527930B - 一种铁基非晶激光熔覆涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铁基非晶激光熔覆涂层材料及其制备方法，由Fe、Cr、Mo、B、C、Y六种元素组成，按照原子百分比计为：Fe 50.50～51.65％、Cr 14.32～15.02％、Mo 25.10～26.2％、B 1.10～1.42％、C 3.24～3.75％和Y 3.10～3.60％，在气体流量为15～20L/min的氩气保护下将上述粉末混合物进行激光熔覆，在Q235钢材表面熔覆耐磨硬质涂层，平均硬度达到1400HV以上，主要是非晶成分，并有少量Cr23C6和Fe23B6晶体相，显著提高Q235的耐磨性和硬度，用于重载高速液压转子、轴承、汽车同步器齿环和精密高强耐磨锻压件表面改性材料。

Description

一种铁基非晶激光熔覆涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种铁基非晶激光熔覆涂层材料及其制备方法。
背景技术
Q235钢材是最常用的结构材料，力学性能、焊接性能和热稳定性能优良，且成本相对较低。然而由于其质地较软，硬度不高，大大影响其使用寿命和应用领域。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆技术是在被熔覆基体表面上放置涂层材料，并经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化、快速凝固，形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，稀释度小、组织致密，层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大，可以显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足对材料表面特定性能的要求，又节约大量贵重元素，应用前景十分广阔。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述Q235钢材在工业应用中存在的不足，对其性能进行改善，提供一种铁基非晶激光熔覆涂层材料的制备方法，通过激光熔覆技术在Q235基体表面熔覆铁基非晶涂层，提高Q235钢材的耐磨和抗压性能，提高其制件的使用寿命，节约成本，用于零部件表面修复。
本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制得的铁基非晶激光熔覆涂层材料，主要是非晶成分，并有少量晶体相，包括Cr23C6和Fe23B6。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
本发明的第一方面，铁基非晶激光熔覆涂层材料，由Fe、Cr、Mo、B、C和Y六种元素组成，且按照原子百分比计为：Fe 50.50％～51.65％，Cr 14.32％～15.02％，Mo 25.10％～26.2％，B 1.10％～1.42％，C3.24％～3.75％，Y 3.10％～3.60％，且所述涂层材料包括非晶成分和少量Cr23C6、Fe23B6晶体相。
所述涂层材料由按照原子百分比计的元素Fe 51.35％～51.65％、Cr 14.70％～15.02％、Mo 25.58％～26.2％、B 1.19％～1.42％、C 3.61％～3.75％和Y 3.57％～3.60％组成，且所述涂层材料的平均硬度为1200～1450HV。
本发明的第二方面，上述铁基非晶激光熔覆涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)Fe、Cr、Mo、B、C和Y粉末按照配比均匀混合得混合粉末；和
(2)Q235钢材基体表面打磨后用二丙酮进行清洗，吹干；和
(3)步骤(1)所得混合粉末用二丙酮醇溶液搅拌成糊状，预置涂覆于步骤(2)所述Q235钢材基体表面，厚度为1～1.5mm，经自然风干后于200℃烘1.5～2h；和
(4)将步骤(3)中烘干试样置于保护气罩内，并置于激光头下的工作台上，使激光束和上述试样表面的法线保持轻微倾角，然后在气流量为15～20L/min的氩气保护下进行激光熔覆，得铁基非晶激光熔覆涂层；其中，激光器的功率为4500W，焦距为335～365mm，扫描速度为1200～3000mm/min。
步骤(1)中，所述Fe、Cr、Mo、B、C和Y粉末的粒度均为230～400目。
步骤(3)中，所述二丙酮醇溶液为乙酸纤维素和二丙酮醇的质量体积比为5～8：100的混合液。
本发明的第三方面，上述铁基非晶激光熔覆涂层材料作为重载高速液压转子、轴承、汽车同步器齿环和精密高强耐磨锻压件表面改性材料的用途。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的铁基非晶激光熔覆涂层材料组织均匀，与Q235钢材基体结合良好，无明显的气孔和裂纹，熔覆层厚度可以达到1.5mm，硬度平均为1400HV，主非晶成分，并有少量晶体相，组成包括Cr23C6和Fe23B6，显著提高Q235部件的耐磨性和硬度，扩大Q235钢材的应用范围。
(2)本发明的铁基非晶激光熔覆涂层材料提高Q235钢材的耐磨以及抗压性能，延长其所制零件的使用寿命，节约成本；不仅可以用于Q235钢材表面性能的改善，还可以修复其零件表面的损伤。
附图说明
图1为实施例1中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层的形貌。
图2为实施例2中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层的形貌。
图3为实施例3中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层的形貌。
图4为实施例1中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层表面的XRD分析。
图5为实施例2中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层内层的XRD分析。
图6为实施例1、2和3中Fe-Cr-Mo-B-C-Y激光熔覆涂层的显微硬度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
实施例1
铁基非晶激光熔覆涂层材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)通过球磨机对粒度为230～400目的Fe、Cr、Mo、B、C、Y粉末按照配比均匀混合；其中，元素按照原子百分比计为：Fe 50.70％，Cr 15.02％，Mo 26.2％，B 1.42％，C3.24％，Y 3.42％。
(2)用砂轮对Q235钢材基体表面打磨后用二丙酮进行清洗，冷风吹干；然后用粘结剂二丙酮醇溶液(其主要成分为乙酸纤维素和二丙酮醇溶液每100ml二丙酮醇溶液加乙酸纤维素5g)将步骤(1)中混合均匀的Fe、Cr、Mo、B、C、Y的粉末搅拌成糊状，预置涂抹于Q235钢材表面，厚度为1mm，经过自然风干后置于温度为200℃的干燥箱中烘干2h。
(3)将步骤(2)中烘干试样置于保护气罩内，并置于激光头下的工作台上，使激光束和上述试样表面的法线保持轻微倾角，然后在气流量为20L/min的氩气保护下进行激光熔覆，得铁基非晶激光熔覆涂层；其中，激光器的功率为4500W，焦距为350mm，扫描速度为1200mm/min。
Fe-Cr-Mo-B-C-Y铁基非晶激光熔覆涂层的形貌如图1所示。
如图4所示，用Rigaku X射线衍射仪结合EDS能谱仪对涂层中的物相进行鉴定，熔覆涂层主要是非晶成分，并有少量晶体相，组成包括Cr23C6。
用HXD-1000维氏显微硬度计测定熔覆层的硬度载荷为100g，时间为15s，结果如图6所示，熔覆层材料相对于基体材料具有高得多的显微硬度，约为1200HV左右，波动的主要原因是强化相Cr23C6弥散分布在熔覆层中。
在CETR-UMT多功能摩擦磨损试验机上进行干滑动摩擦磨损试验，摩擦方式为球-盘式旋转摩擦，试验条件为室温下干滑动摩擦，垂直压应力为100N，对磨球为碳化钨(WC)钢球，其硬度为HRA92，直径为9.5mm，摩擦旋转半径为2mm，摩擦时间为60min，总滑动距离为77m，相对于基体材料熔覆层材料在磨损实验中失重量约为0.031g，具有较好的抗摩擦性能。
实施例2
铁基非晶激光熔覆涂层材料的制备方法，具体步骤为：
(1)通过球磨机对粒度为230～400目的Fe、Cr、Mo、B、C、Y粉末按照配比均匀混合；其中，元素按照原子百分比计为：Fe 51.35％，Cr 14.70％，Mo 25.58％，B 1.19％，C3.61％，Y 3.57％。
(2)用砂轮对Q235钢材基体表面打磨后用二丙酮进行清洗，冷风吹干；然后用粘结剂二丙酮醇溶液(其主要成分为乙酸纤维素和二丙酮醇溶液每100ml二丙酮醇溶液加乙酸纤维素6g)，将步骤(1)中混合均匀的Fe、Cr、Mo、B、C、Y的粉末搅拌成糊状，预置涂抹于Q235钢材表面，厚度为1.2mm；经过自然风干后置于温度为200℃的干燥箱中烘干2h。
(3)将步骤(2)中烘干试样置于保护气罩内，并置于激光头下的工作台上，使激光束和上述试样表面的法线保持轻微倾角，然后在气流量为20L/min的氩气保护下进行激光熔覆，得铁基非晶激光熔覆涂层；其中，激光器的功率为4500W，焦距为350mm，扫描速度为1600mm/min。
Fe-Cr-Mo-B-C-Y铁基非晶激光熔覆涂层的形貌如图2所示。
如图5所示，用Rigaku X射线衍射仪结合EDS能谱仪对涂层中的物相进行鉴定，熔覆涂层主要是非晶成分，并有少量晶体相，组成包括Cr23C6和Fe23B6。
用HXD-1000维氏显微硬度计测定熔覆层的硬度载荷为100g，时间为15s，结果如图6所示，熔覆层材料相对于基体材料具有高得多的显微硬度，约为1400HV左右，波动的主要原因是强化相Cr23C6和Fe23B6弥散分布在熔覆层中。
在CETR-UMT多功能摩擦磨损试验机上进行干滑动摩擦磨损试验，摩擦方式为球-盘式旋转摩擦，试验条件为室温下干滑动摩擦，垂直压应力为100N，对磨球为碳化钨(WC)钢球，其硬度为HRA92，直径为9.5mm，摩擦旋转半径为2mm，摩擦时间为60min，总滑动距离为77m，相对于基体材料熔覆层材料在磨损实验中失重量约为0.027g，具有较好的抗摩擦性能。
实施例3
铁基非晶激光熔覆涂层材料的制备方法，具体步骤为：
(1)通过球磨机对粒度为230～400目的Fe、Cr、Mo、B、C、Y粉末按照配比均匀混合；其中，元素按照原子百分比计为：Fe 51.65％，Cr 14.58％，Mo 25.8％，B 1.22％，C3.45％，Y 3.30％。
(2)用砂轮对Q235钢材基体表面打磨后用二丙酮进行清洗，冷风吹干；然后用粘结剂二丙酮醇溶液(其主要成分为乙酸纤维素和二丙酮醇溶液每100ml二丙酮醇溶液加乙酸纤维素8g)将步骤(1)中混合均匀的Fe、Cr、Mo、B、C、Y的粉末搅拌成糊状，预置涂抹于Q235钢材表面，厚度为1.5mm；经过自然风干后置于温度为200℃的干燥箱中烘干2h。
(3)将步骤(2)中烘干试样置于保护气罩内，并置于激光头下的工作台上，使激光束和上述试样表面的法线保持轻微倾角，然后在气流量为20L/min的氩气保护下进行激光熔覆，得铁基非晶激光熔覆涂层；其中，激光器的功率为4500W，焦距为335mm，扫描速度为1400mm/min。
Fe-Cr-Mo-B-C-Y铁基非晶激光熔覆涂层的形貌如图3所示。
用Rigaku X射线衍射仪结合EDS能谱仪对涂层中的物相进行鉴定，熔覆涂层主要是非晶成分，并有少量晶体相，组成包括Cr23C6和Fe23B6。
用HXD-1000维氏显微硬度计测定熔覆层的硬度载荷为100g，时间为15s，结果如图6所示，熔覆层材料相对于基体材料具有高得多的显微硬度，约为1500HV左右，波动的主要原因是强化相Cr23C6、Fe23B6弥散分布在熔覆层中。
在CETR-UMT多功能摩擦磨损试验机上进行干滑动摩擦磨损试验，摩擦方式为球-盘式旋转摩擦，试验条件为室温下干滑动摩擦，垂直压应力为100N，对磨球为碳化钨(WC)钢球，其硬度为HRA92，直径为9.5mm，摩擦旋转半径为2mm，摩擦时间为60min，总滑动距离为77m，相对于基体材料熔覆层材料在磨损实验中失重量约为0.024g，具有较好的抗摩擦性能。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种铁基非晶激光熔覆涂层材料，其特征在于：由按照原子百分比计且粒度均为230–400目的元素Fe 51.35％–51.65％、Cr 14.70％–15.02％、Mo 25.58％–26.2％、B1.19％–1.42％、C 3.61％–3.75％和Y 3.57％–3.60％组成，所述涂层材料包括非晶成分和少量Cr23C6、Fe23B6晶体相，平均硬度为1200–1450HV；
所述铁基非晶激光熔覆涂层材料通过以下制备方法得到：Fe、Cr、Mo、B、C和Y粉末按照配比均匀混合，Q235钢材基体表面打磨后用二丙酮进行清洗，吹干；所得混合粉末用乙酸纤维素和二丙酮醇质量体积比为5–8：100的二丙酮醇溶液搅拌成糊状，预置涂覆于处理后的Q235钢材基体表面，厚度为1–1.5mm，经自然风干后于200℃烘1.5–2h；烘干后的试样置于保护气罩内，并置于激光头下的工作台上使激光束和上述试样表面的法线保持轻微倾角，在气流量为15–20L/min的氩气保护下进行激光熔覆，激光器功率为4500W，焦距为335–365mm，扫描速度为1200–3000mm/min。
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