CN111020339B - 一种超高硬度齿轮涂层用高熵合金及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种超高硬度齿轮涂层用高熵合金及制造方法，属于超高硬度涂层材料技术领域。高熵合金包括等原子比的Fe、Mo、Cr、V、Ti元素构成，各元素原子占基体的比例不超过20％。为了提高基体的硬度，在上述元素基础上添加一定量的Si元素，其含量与其他元素原子比不高于50％，即合金体系为FeMoCrVTiSiX，0≤X≤0.5。制备方法包括：合金粉体准备、基体材料准备、激光熔覆、表面精整。优点在于，效率高、操作简单、性能好，可用于制造表面硬度要求较高的齿轮等零件。

Description

一种超高硬度齿轮涂层用高熵合金及制造方法
技术领域
本发明属于超高硬度涂层材料技术领域，尤其涉及一种超高硬度齿轮涂层用高熵合金及制造方法。
背景技术
齿轮是各种机械结构中最常见的基础零件之一，服役过程中承受周期载荷的影响，齿面点蚀是齿轮失效的常见方式，尤其是机车、卡车等重载荷机械，因此需要提高齿轮表面的硬度以便获得高接触疲劳强度和寿命。目前常用的齿轮硬化方式包括表面渗碳、渗氮等。但是渗碳工艺的工艺时间较长，能耗较高，同时表面硬度通常不超过700HV；渗氮工艺可以获得较高硬度，但是渗氮层的厚度有所限制，不适于重载齿轮的制造。采用涂层工艺在齿轮表面附加一层高硬度材料可以有效的解决表面硬度问题，其关键在于涂层材料的选择。
高熵合金采用五种或五种以上合金元素以等摩尔比或近等摩尔比混合得到，因内部较大的混合熵，抑制了金属间化合物的析出，从而形成具有单一结构的固溶相，如BCC、FCC、HCP等。高熵合金的特殊组织结构使其具有优异的力学性能、耐蚀性、热稳定性等，是良好的高硬度涂层材料。专利CN103911578A公布了一种Al1.5CoCrFeNiTix高熵合金涂层材料，X取值范围为0.4～0.6，合金元素按比例混粉后采用粉末等离子喷焊设备进行熔覆，制得的合金涂层硬度达到700HV。专利CN103290404A公布了一种激光熔覆用高熵合金，成分体系为10～15％Fe，14～17％Cr，22～25％Ni，22～24％Co，22～24％Mn，0～4％Si，0～4％B，并可添加适量Al，采用激光熔覆后表面硬度在750HV左右。专利CN103757631A公布了一种AlCoCrNiFeMo高熵合金的制备方法，采用电火花沉积方法制备耐磨涂层，但是没有涂层硬度说明。综合来看，高熵合金可用于涂层材料的制备，但是已有的发明专利中涂层硬度与渗碳工艺基本相当，优势并不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高硬度齿轮涂层用高熵合金及制造方法，可作为涂层材料用于机车、卡车等高表面硬度的齿轮等零件制造，该材料可以采用激光熔覆工艺进行涂层制造，表面硬度可以达到900HV以上，大幅度提高齿轮表面的接触疲劳强度和耐磨性能。
本发明介绍了一种FeMoCrVTiSiX高熵合金体系，通过改变Si元素的含量，该体系的硬度可达900HV以上，同时可通过退火处理提高合金的综合性能。该合金可采用激光熔覆方式进行涂层的制备，工艺简单，实用性强，可用于机车、卡车等高表面硬度的重载齿轮等零件的制造。
本发明高熵合金包括等原子比的Fe、Mo、Cr、V、Ti元素构成，各元素原子占基体的比例不超过20％。为了提高基体的硬度，在上述元素基础上添加一定量的Si元素，其含量与其他元素原子比不高于50％，即合金体系为FeMoCrVTiSiX，0≤X≤0.5。
本发明高熵合金的特点如下：
(1)合金体系包含了Fe、Mo、Cr、V、Ti元素，可以形成高熵合金固溶体，通过富V相的析出提高基体强度，其硬度可达700HV。
(2)体系中加入了Ti元素，在700～800℃的热处理过程中可以形成富Ti析出相，进一步提高合金的强度。
(3)体系中添加了一定量的Si元素，可以形成金属间化合物析出相，如Cr3Si、V5Si3等硬质相，使FeMoCrVTi高熵合金由单一BCC固溶体结构转变为含有较多金属间化合物的复合结构，进而提高基体的硬度。但是，过多的Si元素会使合金基体变脆，因此控制Si元素的含量在0.5以下。
本发明高熵合金可采用激光熔覆方法制备涂层，具体工艺如下：
(1)合金粉体准备：按照比例取用纯度99％以上的Fe、Mo、Cr、V、Ti、Si粉体，粒径控制在120～200目区间，采用真空球磨或其他混合方式混合均匀，制得高熵合金粉体。随后真空密封保存，避免粉体氧化。
(2)基体材料准备：通过锻造或切割方式获得所需的基体形状，表面经过超声清洗、打磨等工序，去除氧化皮等杂质。
(3)激光熔覆：采用激光同轴送粉方式在基体材料上熔覆合金涂层，激光的功率控制在2～3KW、送粉速度控制在10～20g/min、熔覆速度控制在200～500mm/min。熔覆过程中采用氩气保护，以避免氧化。
(4)涂层零件热处理：将熔覆后的零件放入加热炉中进行热处理，温度控制在700～800℃，保温时间5～10h，随后出炉空冷至室温。
(5)表面精整：采用铣削、磨削等方式对零件表面进行精整，获得高精度零件表面。
本发明提出了一种具有高硬度的涂层用FeMoCrVTiSix高熵合金材料，采用激光熔覆工艺制造，具有效率高、操作简单、性能好等优点，可用于制造表面硬度要求较高的齿轮等零件。
附图说明
图1为激光熔覆高熵合金显微组织图。
具体实施方式
本发明高熵合金的体系设计和制备工艺易于理解，以下采用平板零件进行制造方法说明。
实施例
根据元素组成取用99％以上高纯度粉体，元素配比如下表所示。粉体的粒径控制在120～200目范围内。
表1合金成分体系中各元素具体比例
Figure GDA0003617753880000041
粉体放入真空球磨机中进行球磨混粉，混粉时间2h，结束后经干燥获得合金粉体。基体钢板经打磨后超声清洗，去除表面杂质，干燥后备用。
采用激光同轴送粉工艺制备涂层，激光功率2.5KW、送粉速度15g/min、熔覆速度控制在300mm/min。熔覆过程中采用氩气保护。在样板上多道并行搭接，形成均匀的熔覆层，熔覆层厚度约1mm。熔覆后样板放入箱式炉中进行退火处理，温度800℃，保温时间8h，随后出炉空冷。热处理前后样板表面经打磨平整后进行硬度测试，其结果如下表所示。
表2FeMoCrVTiSix显微硬度测试结果
Figure GDA0003617753880000042
可见添加Si元素后涂层的硬度均高于900HV，热处理后的试样硬度均超过900HV，Si0.5试样的硬度接近1000HV，远远超过传统渗碳工艺。

Claims (1)

1.一种在基体钢板表面制备超高硬度高熵合金涂层的方法，其特征在于，具体工艺如下：
(1)按照以下配比称取原料粉体：按照比例取用纯度99％以上的Fe、Mo、Cr、V、Ti、Si粉体，Fe 18.18atom％、Mo 18.18atom％、Cr 18.18atom％、V 18.18atom％、Ti 18.18atom％、Si 9.10atom％，所述粉体的粒径控制在120～200目范围内，采用真空球磨或混合方式混合均匀，制得高熵合金粉体，随后真空密封保存；
(2)基体钢板准备：通过锻造或切割方式获得所需的基体形状，将基体钢板经打磨后超声清洗，去除表面杂质，干燥后备用；
(3)激光熔覆：采用激光同轴送粉方式在基体钢板表面上熔覆合金涂层，激光的功率控制在2～3KW、送粉速度控制在10～20g/min、熔覆速度控制在200～500mm/min，熔覆过程中采用氩气保护；
(4)涂层零件热处理：将熔覆后的钢板放入加热炉中进行热处理，温度控制在700～800℃，保温时间5～10h，随后出炉空冷至室温；
(5)表面精整：采用铣削、磨削方式对钢板涂层表面进行精整，获得具有超高硬度表面涂层的钢板。
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