CN110965061A - 一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末及其激光熔覆层 - Google Patents
一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末及其激光熔覆层 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末及其形成的激光熔覆层，其特征在于，所述铁基合金粉末的组成及质量百分比为：C：2.5～3.0％、Cr：29～31％、Ni：8.3～8.5％、V：7.5～8％、Ti：1.6～1.8％、Fe余量。本发明的铁基合金粉末所形成的熔覆层具有良好的耐磨和耐蚀性能，同时具有较高的强度和韧性，焊接性能优异，制备的熔覆层致密无裂纹，能够克服高熔覆速率所带来的激冷开裂问题；本发明的铁基合金粉末所形成的熔覆层，耐蚀性能达国标(GB/T6461‑2002)9级水平，硬度可达61HRC～63HRC，屈服强度达到1700～1900MPa。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末及其激光熔覆层。
背景技术
激光熔覆技术是一种表面强化工艺技术，指在基材表面通过不同的填料方式添加被选择的熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面极薄层同时熔凝，并迅速凝固后形成组织致密、稀释度极低、与基体成冶金结合的表面熔覆层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性，应用范围非常广泛。激光熔覆不锈钢材料，能够赋予基材良好的耐蚀性能，是一种代替电镀硬铬的常用的工艺方法，与电镀相比，具有绿色清洁、高强度高寿命的特点。
常规高Cr不锈钢熔覆层由于C元素含量较低，熔覆层组织内部硬质强化相较少，导致熔覆层硬度普遍小于HRC55，耐磨损性能不高；而提高C含量会导致大量Cr23C6在晶界处析出，一方面稀释了组织中的Cr含量，降低了熔覆层的耐蚀性能和抗晶间腐蚀性能，另一方面脆性Cr23C6在晶界处的堆积增大了晶间开裂的风险，降低熔覆层强度。随着对熔覆效率越来越高的要求，以及降低使用成本的迫切需求，急需开发高强度耐磨耐蚀铁基合金材料。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种高强度耐磨耐蚀铁基合金粉末，该铁基合金粉末形成的熔覆层具有良好的耐磨和耐蚀性能，同时具有较高的强度和韧性，焊接性能优异，制备的熔覆层致密无裂纹，能够克服高熔覆速率所带来的激冷开裂问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末，包含以下质量百分比的各组分：C：2.5～3.0％、Cr：29～31％、Ni：8.3～8.5％、V：7.5～8％、Ti：1.6～1.8％、Fe余量。
进一步优选的，所述铁基合金粉末的球形度≥90％，粒度分布为15～65μm，流动性为32-41s/100g。良好的流动性以及合适的粉末粒度范围能够保证熔覆层质量和熔覆稳定性。一方面粒度分布小于15μm的细粉会发生团聚现象，而粉末球形度越小，细粉越容易团聚，两者共同作用，导致流动性变差，熔覆过程中容易出现堵粉现象，影响工艺稳定性；另一方面，在高熔覆速率下激光作用时间短，熔池凝固速度快，单位时间内传递到粉末上的能量相对较少，粒度分布大于65μm的粉末无法获得足够的能量来完全熔化，进而保留到熔覆层，形成裂纹、气孔等未熔合缺陷。
上述方案中，优选的，所述C元素的含量为2.5～3.0％。处于共晶成分范围内的C抑制了熔覆层中铁素体的形成，避免了生成铁素体导致的Cr、V、Ti合金元素的损失，保证了熔覆层在激冷过程中能够有尽量多的奥氏体转化为马氏体；同时合金中的碳化铬、碳化钒、碳化钛能够细化晶粒，有效的提高熔覆层的强度和硬度。但C的含量需要与V和Ti元素的含量相配合，确保尽量多的C能够与V和Ti结合，避免与Cr结合在晶界处析出Cr23C6损害熔覆层耐蚀性能和抗开裂性能。过高的C含量需要更多的V和Ti含量与之匹配，造成资源的浪费和成本的增加。
上述方案中，优选的，所述Cr元素的含量为29～31％。高的Cr含量能够提高熔覆层的腐蚀电极电位，阻止腐蚀的发生，提高耐蚀性能；同时高的Cr含量能够降低C元素的稀释作用，避免腐蚀性能的下降。但Cr作为铁素体形成元素，过高的Cr含量会促进熔覆层中铁素体的形成，进而导致Cr、V、Ti合金元素的损失。
上述方案中，优选的，所述Ni元素的含量为8.3～8.5％。Ni元素的存在一方面能够提高熔覆层的润湿性和延展性，另一方面能够提高熔覆层的耐蚀性能。
上述方案中，优选的，所述V的含量为7.5～8％。V是强的碳化物形成元素，与Cr元素相比，V优先与C结合生成碳化钒，一方面细化晶粒，提高熔覆层强度和硬度，另一方面减少晶界处Cr23C6的析出，从而提高熔覆层抗点蚀能力和抗晶间开裂能力。在优选的C、V含量范围内，共晶成分的碳化钒能够均匀分布在熔覆层组织中，提高了熔覆层整体的强度和硬度。
上述方案中，优选的，所述Ti的含量为1.6～1.8％。Ti是极强碳化物形成元素，与V、Cr元素相比，Ti优先与C结合生成碳化钛，减少或避免有害的Cr23C6析出，从而提高熔覆层的强度和耐蚀性能。超过优选范围，过量的Ti会与Ni结合生成Ni3Ti，并沿晶界析出，导致熔覆层韧性急剧下降。
上述方案中，所述铁基合金粉末所形成的熔覆层具有良好的耐磨和耐蚀性能，同时具有较高的强度和韧性，焊接性能优异，制备的熔覆层致密无裂纹，能够克服高熔覆速率所带来的激冷开裂问题。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的铁基合金粉末所形成的熔覆层具有良好的耐磨和耐蚀性能，同时具有较高的强度和韧性，焊接性能优异，制备的熔覆层致密无裂纹，能够克服高熔覆速率所带来的激冷开裂问题。
(2)本发明的铁基合金粉末所形成的熔覆层硬度为61HRC～63HRC，根据GB/T6461-2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》，中性盐雾试验熔覆层耐腐蚀性能达到9级水平，具有良好的耐磨和耐蚀性能。
(3)本发明的铁基合金粉末所形成的熔覆层具有良好的强度和韧性，熔覆性能优异，熔覆层屈服强度达到1700～1900MPa。
具体实施方式
本发明提出了一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末。激光熔覆之前需按照设计成分配置并制备原材料及粉末，其粉末原料的制备方法可以利用水雾化、气雾化或者机械球磨合金化法等，这些粉末制备方法及技术均为专业人员所熟悉，于此不再一一赘述。以下通过实例对本发明技术方案作进一步详述，但本发明保护范围不局限于所述内容。
按照表1所示实施例1、2及对比例1、2粉末成分，采用以下激光熔覆工艺和步骤，在φ110mm×1200mm的9Cr2Mo轴上熔覆铁基合金熔覆层：
(1)对铁基合金粉末进行筛分及净化处理。
(2)采用磨削加工清除轴类工件表面氧化层和油污，其中工件熔覆面积为0.414m2。
(3)在步骤(2)所述工件表面采用激光熔覆制备熔覆层，所用激光器为半导体激光，工艺参数为：激光功率2100W，光斑直径1mm，扫描线速度为55m/min，送粉速率为35g/min。
(4)在五轴数控机床上对步骤(3)所得的工件按零件图纸进行最终精加工。
对采用本发明所述方法熔覆的工件进行了统计和性能测试，结果如表1所示。实施例1和实施例2粉末成分均在优选范围之内，在55m/min的扫描线速度下得到的熔覆层性能优异，具有良好的硬度和屈服强度。而对比例1和对比例2粉末成分未在优选范围之内，在55m/min的扫描线速度下对比例1得到的熔覆层硬度偏低，耐磨性能较差；而对比例2得到的熔覆层屈服强度偏低，在高线速度下熔覆层开裂，两者均未达到使用要求。对比例3和对比例4粉末成分与实施例1相同，但球形度、粒度分布及流动性未在优选范围之内，对比例3球形度偏低，15μm以下的细粉较多，导致流动性差，熔覆过程中堵粉现象严重，无法实现稳定熔覆；而对比例4粉末粒度65μm以上的粗粉较多，虽然熔覆层硬度达到与实施例1相同的水平，但由于大量未熔化颗粒的存在，导致高熔覆线速度下熔覆层出现气孔等未熔合缺陷，两者均未达到使用要求。
表1具体实施例及对比例所述成分、球形度、粒度分布及流动性
| 序号 | C％ | Cr％ | Ni％ | V％ | Ti％ | 球形度 | 粒度分布 | D50 | 流动性 |
| 实施例1 | 2.9 | 30.2 | 8.1 | 7.2 | 1.8 | 91％ | 15～64μm | 33μm | 34s/100g |
| 实施例2 | 2.6 | 29 | 8.3 | 8.2 | 1.6 | 92％ | 15～62μm | 32μm | 33s/100g |
| 对比例1 | 2.1 | 26 | 7.5 | 5.4 | 1.3 | 91％ | 15～65μm | 34μm | 36s/100g |
| 对比例2 | 3.3 | 34 | 11.2 | 10 | 2.2 | 90％ | 15～64μm | 32μm | 32s/100g |
| 对比例3 | 2.9 | 30.2 | 8.1 | 7.2 | 1.8 | 87％ | 10～53μm | 24μm | 56s/100g |
| 对比例4 | 2.9 | 30.2 | 8.1 | 7.2 | 1.8 | 91％ | 15～88μm | 41μm | 31s/100g |
表2具体实施例及对比例熔覆层性能及熔覆层质量
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种用于激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金粉末，其特征在于，包含以下质量百分比的各组分：C：2.5～3.0％、Cr：29～31％、Ni：8.3～8.5％、V：7.5～8％、Ti：1.6～1.8％、Fe余量，各组分的质量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末的球形度≥90％，粒度分布为15～65μm，流动性为32-41s/100g。
3.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末C的含量为2.5～3.0％。
4.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末Cr的含量为29～31％。
5.根据如权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末Ni的含量为8.3～8.5％。
6.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末V的含量为7.5～8％。
7.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末Ti的含量为1.6～1.8％。
8.一种耐磨耐腐蚀的激光熔覆层，其特征在于，采用权利要求1-7任一项铁基合金粉末制备得到，包括：
(1)对所述铁基合金粉末进行筛分及净化处理，铁基合金粉末的球形度≥90％，粒度分布为15～65μm，流动性为32-41s/100g；
(2)采用磨削加工清除轴类工件表面氧化层和油污，其中工件熔覆面积为0.414m2。
(3)在步骤(2)所述工件表面采用激光熔覆制备熔覆层，所用激光器为半导体激光，工艺参数为：激光功率2100W，光斑直径1mm，扫描线速度为55m/min，送粉速率为35g/min。
(4)在五轴数控机床上对步骤(3)所得的工件按零件图纸进行最终精加工，得到耐磨耐腐蚀的激光熔覆层。
9.根据权利要求8所述的激光熔覆层，其特征在于，所述激光熔覆层，耐蚀性能达国标(GB/T6461-2002)9级水平，硬度为61HRC～63HRC，屈服强度为1700～1900MPa。
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