CN111676479B - 耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料及应用，该材料适用于高速激光熔覆工艺及铁基母材，包括以下按重量百分比计的组分：铁基合金粉末60‑80％，碳化硅粉末6‑20％，钛粉末10‑30％；所述铁基合金粉末为Fe‑Cr‑Ni‑Mo合金，其中Cr质量分数为15‑20％，Ni质量分数为1‑5％，Mo质量分数为1‑2％，余量为Fe；或所述铁基合金粉末为Fe‑Ni‑Mo合金，其中，Ni质量分数为20‑30％，Mo质量分数为1‑2％，余量为Fe；所述碳化硅为α晶型。经高速激光熔覆工艺所得涂层具有优异的硬度、耐磨性、耐冲击性和耐腐蚀性，特别适用于矿山凿岩、工程掘进、钢铁输送、轧辊等对耐磨性要求苛刻的工况条件，具有极高的应用价值。

Description

耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料及应用

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其是涉及耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料及应用。

背景技术

现有的涂覆技术，如热喷涂和等离子堆焊技术，由于其能量密度不足以熔化诸多性能优异的难熔金属及金属陶瓷材料，只能熔化低熔点合金粉末，表面改性效果有限，主要用于修复机械设备零部件的磨损，难以得到广泛应用，尤其不能解决诸多磨损方面的市场痛点。

电镀层虽然可以实现表面增硬，提高耐磨性，但是存在明显不足，例如镀层厚度、镀层结合强度、氢脆性、抗冲击性差、环保等方面的问题。因镀层薄，镀层结合可靠性不够，对于形状复杂的构件、大型构件均不能完成，耐磨性有限。基于电镀不可避免的氢脆作用，失效的方式一般是剥落脱落，修复工艺为去除电镀层，重新电镀，而脱落的镀层为不连续状，因此去除残余电镀层非常困难，修复成本高。

常规激光熔覆的能量密度高于等离子、热喷涂等工艺，但是低于高速激光熔覆，涂层耐磨性依然有限，不能实现性能优异的难熔材料如金属陶瓷材料的应用。对于高速激光熔覆，目前所用金属粉主要用于防腐涂层的制备，涂层耐磨性不好。

现有耐磨性涂层广泛使用NiCr碳化钨粉末，需要长时间熔化粘结剂以浸润碳化钨颗粒，与之匹配的热源是等离子，强化机理是包镶，需要做碳化钨的表面改性处理，使粘结剂与碳化钨颗粒充分浸润，保证包镶的强度。这种技术对碳化钨的表面处理技术要求很高，要求碳化钨颗粒的硬度很高，且粘结剂与碳化钨之间不是化学键，而是润湿后的包镶。国产的镍铬碳化钨涂层，没有颗粒表面改性技术，碳化钨颗粒硬度不及先进技术的一半，在磨粒磨损中以磨粒脱落的方式失效，冲击载荷作用下，会产生裂纹，不适合长时间的碾压破岩，泥浆管道输送，尤其不适合高温耐磨环境。

发明内容

目前的表面增材技术，如热喷涂、等离子堆焊、低速激光熔覆等，分别有对应的粉末，但所获得的涂层都不能同时具备耐磨、耐冲击和耐腐蚀特性。为解决这一问题，发明人基于高速激光熔覆能量密度高及母材稀释率小的特性，提供一种与之适配的耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，可获得硬度高及耐磨性、耐冲击性和耐腐蚀性优异的涂层，特别适用于矿山凿岩、工程掘进、钢铁输送、轧辊等工况。

根据本发明第一方面的实施例，提供一种耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，适用于高速激光熔覆工艺及铁基母材，该材料采用铁基合金粉末、碳化硅粉末与钛粉末复配，铁基合金粉末优选为Fe-Cr-Ni-Mo合金，其中Cr质量分数为15-20％，Ni质量分数为1-5％，Mo质量分数为1-2％，余量为Fe，即FeCr(15-20)Ni(1-5)Mo(1-2)；或优选为Fe-Ni-Mo合金，其中，Ni质量分数为20-30％，Mo质量分数为1-2％，余量为Fe，即FeNi(20-30)Mo(1-2)；更优选为FeCr18Ni4Mo2或FeNi20Mo2或FeNi30Mo2。碳化硅优选为α晶型。

按重量百分比计，铁基合金粉末含量优选为60-80％；碳化硅粉末含量优选为6-20％，更优选为6-15％；钛粉末含量优选为10-30％，更优选为10-25％。

第二方面，提供一种涂层的制备方法，包括以下步骤：将上述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料的各组分按配比调制成浆料，造粒，干燥，制成混合粉末；混合粉末经高速激光熔覆工艺制得涂层。高速激光熔覆工艺的功率优选为2～6kW，线速度优选为3～10m/min。造粒的方法优选是离心喷雾。

第三方面，提供一种涂层，其是将上述的耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料经高速激光熔覆工艺制得的。

第四方面，提供一种铁基制品，其包含上述涂层。

本发明的一种或多种实施例至少具有如下有益效果：

在高速激光熔覆过程中，铁基合金粉末中的Fe很容易与母材融合形成固溶体，结合强度为焊接强度，Ni可以提高涂层韧性，避免涂层开裂，Cr用于增加涂层硬度，提高耐磨性，Mo起细化晶粒作用。高温下，α晶型的碳化硅彻底分解成碳和硅，碳与钛结合，原位生成碳化钛细颗粒硬质相在晶界析出，硅一部分逸出，一部分脱氧逸出，一部分溶解在铁合金的熔池里，在晶界处析出，起粘结剂的作用。骤冷条件下，铁基合金形成微米级结晶，获得基于铁基合金细晶粒的金属陶瓷细颗粒弥散强化或晶须强化的涂层，保证高硬度、抗磨损、抗高温、抗冲击等优异特性，特别适用于矿山凿岩、工程掘进、钢铁输送、轧辊等对耐磨性要求苛刻的工况条件。

基于高速激光骤热骤冷的特点，原位形成均匀的金属陶瓷颗粒，并使晶粒细化，涂层厚度可以达到1mm，表面光滑平整，便于后续的精加工。高速激光熔覆对制件形状及尺寸无限制，涂层修复工艺简单，找圆后重新熔覆，效率提升两倍以上，具有极高的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1和对比例2的涂层外观；

图2为本发明对比例3的涂层与母材的界面结合情况；

图3是本发明实施例1-3和对比例1的涂层微观形貌。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例作进一步地详细描述。此处所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，不能理解为对本申请保护范围的限制。

本发明实施例的耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，适用于高速激光熔覆工艺及铁基母材，包括以下按重量百分比计的组分：铁基合金粉末60-80％，碳化硅粉末6-20％，优选6-15％，钛粉末10-30％，优选10-25％。

铁基合金粉末为FeCr(15-20)Ni(1-5)Mo(1-2)或FeNi(20-30)Mo(1-2)，其括号内的数值范围即相应元素的质量分数范围，余量为Fe。碳化硅为α晶型。各组分搭配，通过高速激光熔覆可形成基于铁基合金细晶粒的金属陶瓷细颗粒弥散强化或晶须强化的涂层，具有高硬度、抗磨损、抗高温、抗冲击等优异特性，特别适用于矿山凿岩、工程掘进、钢铁输送、轧辊等对耐磨性要求苛刻的工况条件。

铁基合金粉末在高速激光产生的熔池里熔化，其中的Fe很容易与母材融合形成固溶体，结合强度为焊接强度，Ni可以提高涂层韧性，避免涂层开裂，Cr用于增加涂层硬度，提高耐磨性，Mo起细化晶粒作用。经实验发现，铁基合金粉末的组成对涂层性能有较大影响，采用FeCr(15-20)Ni(1-5)Mo(1-2)或FeNi(20-30)Mo(1-2)，既利于母材与涂层的结合，也能获得更均匀细致的晶粒组织，所得涂层的性能更佳，例如与目前常用的等离子堆焊耐磨层相比，单位厚度耐磨性可提高近10倍以上。更优选为FeCr18Ni4Mo2或FeNi20Mo2或FeNi30Mo2，在具体实施例中，以FeCr18Ni4Mo2、FeNi30Mo2为例进行说明。

碳化硅的分解温度为2700℃以上，高速激光熔覆瞬间产生3000℃高温，使碳化硅分解，产生硅和碳，硅一部分逸出(气化温度2350℃以上)，一部分脱氧逸出(氧化硅气化温度2300℃以上)，一部分溶解在铁合金的熔池里，在晶界处析出，起粘结剂作用。碳化硅分解产生的碳与钛结合，原位生成碳化钛(熔点3140℃)颗粒硬质相在晶界析出，纯度高，与基体间有共价键结合，而简单添加TiC等陶瓷颗粒，陶瓷颗粒与基体不能形成化学键，只能包镶，且难以混合均匀，不能达到涂层的一致性要求。为保证碳化硅在高速激光熔覆过程中彻底分解，避免因分解不彻底而形成硬脆相夹杂物造成涂层开裂，碳化硅选用α晶型。

在不添加铁基合金粉末的情况下，也可以原位生成碳化钛硬质相，但涂层不能与母材充分融合，涂层韧性差，易开裂，易剥离脱落。

骤冷条件下，铁基合金形成微米级结晶，获得均一、细晶粒弥散强化或晶须强化的以铁合金为基体的涂层，涂层性能与密集生长于铁基合金细颗粒晶界上的金属陶瓷硬质点以及基体与母材具有焊接强度的结合强度密切相关。

通过高速激光熔覆设备瞬间产生的高温，在极短时间内完成上述所有化学反应，涂层厚度可以达到1mm，对制件形状及尺寸无限制，涂层表面光滑平整，便于后续的精加工，且修复工艺简单，找圆后重新熔覆，可以大幅度提升效率。与任何其它的高温装置不同的是，高速激光熔覆不是在封闭空间完成，被熔覆工件不需要整体加热和冷却，不影响已经做过热处理的金相组织，挥发份可以及时挥发。反应在保护气体及还原性气氛中进行，对原材料的含氧量要求不必作过高要求，适宜批量生产。高速激光熔覆工艺的功率可以为2～6kW，线速度可以为3～10m/min。

在高速激光熔覆之前，可以将原材料各组分按配比先调制成浆料，造粒，干燥，制成混合粉末，优选采用离心喷雾造粒干燥，制作成可以流动的球形颗粒结构，保证成分均匀及粉末的流动性。粉末的粒度以能够充分熔化以及便于实施应用为选择基准，粉末过粗会造成不能熔化或分解有残留，凝固时以杂质形态，成为裂纹源，过细则不便加工，也会造成造粒时的团聚，凝固时形成气孔或不均匀相。

由于具有上述优异特性，所得涂层可用于铁基制品的表面强化，包括但不限于巷道掘进凿岩截齿、矿用截齿、旋挖机截齿、牙轮等掘进工具，矿用液压支架、油缸、活塞等支撑类构件，盾构滚刀、盾构刀盘等盾构机械用钻具，石油钻、牙轮钻、与钻头连接的输送管等采油类磨损件，轧辊、层流辊、输送辊等冶金行业用部件，破碎机、矿石加工等机械部件，军用防弹板等，满足相应高耐磨性的使用要求。

以下通过示例性实施例对本发明进行进一步说明。

各实施例和对比例中，铁基合金粉末为按相应元素配比经冶金喷粉制成，粒度为260-800目；α-SiC粉末，纯度99.95％，不粗于320目；Ti粉末，纯度99.95％，粒度400-1000目。在高速激光熔覆前，先将各组分调制成浆料，混合均匀，经过离心喷雾造粒干燥，制成100-200目的球形颗粒，干燥后含水量可以忽略不计。母材为钢铁。

各实施例和对比例的原料组成见表1。

实施例1-3、对比例1和对比例3的涂层制备工艺为：高速激光熔覆，设备是由西安中科中美激光有限公司生产的≥2kW激光器，光斑移动线速度3-8m/min，功率4kW，喷粉量30-40g/min，保护气流速20L/min，每小时熔覆面积0.8-1m²，涂层厚度1-1.5mm。

对比例2，与其余实施例和对比例相比，区别在于，功率3kW，线速度0.5m/min。

表1

图1为本发明实施例1和对比例2的涂层外观，图1a、1b分别为实施例1和对比例2，其余实施例的涂层外观与实施例1类似，未示出。可以看出各实施例的涂层表面光滑平整，便于后续加工，对比例2线速度低，涂层表面非常粗糙，母材受损严重。对比例3的涂层原料不含铁基合金粉末，陶瓷相很难与母材形成冶金结合，导致涂层脱落，如图2所示，图2中A区域是涂层一侧，B区域是母材一侧。

图3为实施例1-3和对比例1的涂层微观形貌，图3a-3d依次为实施例1涂层截面、实施例2涂层截面、实施例3涂层表面和对比例1涂层表面的微观形貌。可以看出，实施例1形成了细颗粒弥散强化相，Cr含量高，硬度和耐磨性更好。实施例2形成了晶须强化相，Ni含量高，韧性更好。实施例3的晶界比实施例1和2模糊，铁基合金粉的含量稍高，强化相含量稍低，涂层强度、硬度和耐磨性不及实施例1和2。由于铁含量高，可以熔覆更厚的涂层，更适用于凿岩类刀具库体的耐磨性保护。对比例1不含Mo，铁基晶粒尺寸较大，硬质点分布欠均匀。

表2示出了实施例1-3和对比例1的涂层性能，每个样品平行测试5次，取平均值。各项测试方法如下：

耐磨性测试：UMT-3摩擦磨损试验机，速度300r/min，载荷50N，检测磨损60min后的质量磨损量。

硬度测试：依据GB/T9097-2016，检测仪器BUEHLER5104显微硬度计。

表2

测试项目	质量磨损/g	HV0.5
			实施例1	0.0005	801.1
实施例2	0.0009	720.2
			实施例3	0.0015	655.0
对比例1	0.0012	598.0

实验发现，实施例1、2涂层1mm的耐磨性与冷轧辊10mm的耐磨性相当。各实施例除具备优异的耐磨性和硬度以外，还显示出很好的韧性，用压痕法测试涂层韧性，在30公斤压力下，K_IC平均值达33.9以上，同时红硬性较好，能够解决类似热轧辊高温磨损条件下的耐磨性问题。

Claims (7)

1.一种耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，其特征在于，包括以下按重量百分比计的组分：

铁基合金粉末60-80%，碳化硅粉末6-20%，钛粉末10-30%；

所述铁基合金粉末为Fe-Cr-Ni-Mo合金，其中Cr质量分数为15-20%，Ni质量分数为1-5%，Mo质量分数为1-2%，余量为Fe；或所述铁基合金粉末为Fe-Ni-Mo合金，其中，Ni质量分数为20-30%，Mo质量分数为1-2%，余量为Fe；

所述碳化硅为α晶型；

所述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料的制备方法为：各组分按配比调制成浆料，造粒，干燥，制成混合粉末；

所述高速激光熔覆工艺的功率为2~6kW，线速度为3~10m/min；

所述造粒的方法是离心喷雾干燥。

2.根据权利要求1所述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，其特征在于，所述铁基合金粉末为FeCr₁₈Ni₄Mo₂或FeNi₂₀Mo₂或FeNi₃₀Mo₂。

3.根据权利要求1所述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，其特征在于，所述碳化硅粉末的含量为6-15%。

4.根据权利要求1所述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料，其特征在于，所述钛粉末的含量为10-25%。

5.一种涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将权利要求1-4任一所述耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料的各组分按配比调制成浆料，造粒，干燥，制成混合粉末；混合粉末经高速激光熔覆工艺制得涂层。

6.一种涂层，其特征在于，其是将权利要求1-4任一项所述的耐磨铁基高速激光熔覆涂层材料经高速激光熔覆工艺制得的。

7.一种铁基制品，其特征在于，其包含权利要求6所述涂层。

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