CN112458457B - 一种铁基合金粉末及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁基合金粉末及其应用，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.76％‑1.2％、B为0.75％‑1.8％、Mn为0.8％‑2.5％、Si为0.75％‑2.2％、W为5％‑10％、Cr为4％‑6％、Nb为1.2％‑3.4％、Ti为0.1％‑1.2％、V为1.0％‑2.8％，其余为Fe。本发明的铁基合金粉末满足了耐磨部件表面对熔覆层高硬度，良好耐磨等性能的要求，其样品熔覆层中无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，熔覆层的硬度可达880HV0.5。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆层技术领域，具体地，涉及一种铁基合金粉末，以解决高硬度激光熔覆粉末使用时产生的缺陷，实现激光熔覆高硬度耐磨涂层的应用。
背景技术
随着激光技术的发展，激光熔覆技术已被广泛的应用于零件表面的改性，主要应用包括提高其表面耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性能等。其中提高零件表面的耐磨性是激光熔覆技术的重要应用之一，其应用领域主要包括：轴承、模具、轧辊、铁道尖轨等。与传统的表面渗碳、热喷涂等传统的表面强化技术不同，激光熔覆技术利用高能量、高密度的激光束，使金属粉末与基材表层同时熔化，达到涂层与基材形成冶金结合的效果，同时在基体表面得到一种组织与性能完全不同于基材的表面强化熔覆层。采用激光熔覆技术，可以在不能影响基材整体机械性能的前提下，提高基材表面的硬度与耐磨性，延长零部件的使用寿命，具有良好的经济与社会效益。
然而，目前国内外市场上用于制备高硬度激光熔覆涂层的粉末主要包括钴基粉末(如Stellite 6)和镍基粉末(如Ni60)，但是采用钴基粉末、镍基粉末存在制备成本较高等问题；市场很少有用于制备高硬度、抗开裂的激光熔覆耐磨涂层的铁基粉末，由于实际应用过程中的零件多为铁基材料，因此采用铁基粉末与零件的结合比钴基与镍基粉末好；除此以外，铁基粉末的价格相比于钴基与镍基粉末也相对较为低廉。经检索发现，现有技术中制备高硬度激光熔覆涂层的铁基粉末主要为M2，其主要元素的合金元素的质量配比为：C:1.0％；S:0.3％；Cr:4.0％；Mn:0.3％；Mo:5.0％；V:2.0；W:6.0％，余量为Fe。但是该组分含量的铁基粉末用于激光熔覆时存在一些问题，熔覆层中存在裂纹、气孔等缺陷，同时其涂层的硬度大约在680HV0.5左右，无法完全适用所有耐磨基材的激光熔覆熔覆工艺要求。
因此，研究开发出新的用于制备高硬度、抗开裂激光熔覆耐磨涂层的铁基合金粉末具有重大的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铁基合金粉末及其应用于制备激光熔覆耐磨涂层。
本发明第一个方面提供一种铁基合金粉末，所述铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.76％-1.2％、B为0.75％-1.8％、Mn为0.8％-2.5％、Si为0.75％-2.2％、W为5％-10％、Cr为4％-6％、Nb为1.2％-3.4％、Ti为0.1％-1.2％、V为1.0％-2.8％，其余为Fe。
优选地，所述铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.81％-1.15％、B为0.8％-1.75％、Mn为0.85％-2.45％、Si为0.8％-2.15％、W为5.05％-9.95％、Cr为4.05％-5.95％、Nb为1.25％-3.35％、Ti为0.15％-1.15％、V为1.05％-2.75％，其余为Fe。
优选地，所述铁基合金粉末的粒径介于75μm-150μm之间。
本发明第二方面提供一种铁基合金粉末的应用，将上述的铁基合金粉末用于制备激光熔覆耐磨涂层，得到的所述熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。
优选地，所述铁基合金粉末中Cr元素在激光熔覆时固溶于Fe中，对熔覆层起到固溶强化的作用。
优选地，所述铁基合金粉末中Nb、V和Ti元素在激光熔覆时生成MC碳化物或MB硼化物，形成熔覆层中的硬质相，提高熔覆层硬度。
优选地，所述铁基合金粉末中Fe和W元素在激光熔覆时生成M3(B,C)析出相，且所述M3(B,C)析出相与Fe之间形成共晶组织，在提高熔覆层硬度同时，起到抗开裂的作用。
优选地，所述铁基合金粉末制备出的熔覆层硬度可达880HV0.5以上。
本发明通过大量试验，精选合金强化元素，并对所选元素进行含量调控，使制备出的涂层在拥有高硬度的同时，表面与内部没有裂纹、气孔等缺陷。其中Cr元素在激光熔覆时会固溶于Fe之中，对熔覆层起到固溶强化的作用。Nb、V和Ti等元素在激光熔覆时会生成MC碳化物或MB硼化物，为熔覆层中的硬质相，可以提高熔覆层硬度。Fe和W等元素在激光熔覆时会生成M3(B,C)析出相，且这些M3(B,C)析出相会与Fe之间形成共晶组织，在提高熔覆层硬度同时，起到抗开裂的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述铁基合金粉末中，该质量百分含量的铁基合金粉末与传统的Fe基粉末相比，通过加入Cr对涂层基体进行固溶强化，提高涂层基体的硬度；加入Nb、V和Ti等元素在基体中析出M(C,B)强化相，这些强出相的硬度远高于基体，硬质析出相会与位错发生交互作用，阻碍位错的运动，起到弥散强化的作用，提高涂层的硬度从而提高其耐磨性能；而加入Fe和W等元素在涂层的晶界处M3(B,C)析出相，这些析出相在提高硬度与耐磨性能的同时还可以起到抗开裂的作用。
本发明解决并提高了合金粉末在激光熔覆中的硬度、耐磨性及抗裂性，满足耐磨部件对熔覆层硬度、耐磨性等性能的要求，可广泛用于碳钢、不锈钢等铁基材料之中。且该铁基粉末相比于传统的钴基、镍基及高合金铁基粉末的成本较低，应用前景及其广泛。
本发明上述铁基合金粉末的应用，用于制备高硬度、抗开裂激光熔覆耐磨涂层，其涂层表面与内部均无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，硬度是基体的3.5倍左右。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1、图2是本发明一优选实施例中的铁基复合粉末的形貌图；
图3a、图3b是本发明实施例1的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图4是本发明实施例1的激光熔覆样品的硬度变化图；
图5a、图5b是本发明实施例2中的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图6是本发明实施例2的激光熔覆样品的硬度变化图；
图7a、图7b是本发明实施例3的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图8是本发明实施例3的激光熔覆样品的硬度变化图；
图9a、图9b是本发明实施例4的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图10是本发明实施例4的激光熔覆样品的硬度变化图；
图11a、图11b是本发明实施例5的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图12是本发明实施例5的激光熔覆样品的硬度变化图；
图13a、图13b是本发明实施例6中的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图14是本发明实施例6的激光熔覆样品的硬度变化图；
图15是本发明实施例7的激光熔覆样品的熔覆层宏观图；
图16a、图16b、图16c是本发明实施例7的激光熔覆样品的熔覆层显微组织图；
图17a、图17b是本发明实施例7的激光熔覆样品的熔覆层扫描电镜形貌图；
图18是本发明实施例7的激光熔覆样品的熔覆层元素分布图；
图19是本发明实施例7的激光熔覆样品的硬度变化图；
图20是本发明实施例7的激光熔覆样品的摩擦磨损系数变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.76％、B为0.75％、Mn为0.8％、Si为0.75％、W为5％、Cr为4％、Nb为1.2％、Ti为0.1％、V为1.0％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合后得到。
参照图1、图2所示，铁基合金粉末的粒径在75μm，球形度良好。在其他实施例中铁基合金粉末的粒径可以介于75μm-150μm之间，适合用于激光熔覆。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到的熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图3a、图3b可以发现本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图4可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达850HV0.5以上。
实施例2
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为1.2％、B为1.8％、Mn为2.5％、Si为2.2％、W为10％、Cr为6％、Nb为3.4％、Ti为1.2％、V为2.8％，其余为Fe。铁基合金粉末的粒径为150μm，球形度良好。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合后得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图5a、图5b可以发现本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图6可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达800HV0.5左右。
实施例3
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为1.05％、B为1.25％、Mn为1.75％、Si为1.65％、W为7.5％、Cr为5％、Nb为2.5％、Ti为0.6％、V为1.9％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合后得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图7a、图7b可以发现本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图8可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达850HV0.5以上。
实施例4
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.81％、B为0.8％、Mn为0.85％、Si为0.8％、W为5.05％、Cr为4.05％、Nb为1.25％、Ti为0.15％、V为1.05％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图9a、图9b可以发现本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图10可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达880HV0.5以上。
实施例5
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为1.15％、B为1.75％、Mn为2.45％、Si为2.15％、W为9.95％、Cr为5.95％、Nb为3.35％、Ti为1.15％、V为2.75％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图11a、图11b可以发现上述实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图12可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达800HV0.5以上。
实施例6
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.9％、B为1.30％、Mn为1.65％、Si为1.95％、W为7.5％、Cr为4.5％、Nb为2.25％、Ti为0.55％、V为1.75％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，得到熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。通过图13a、图13b可以发现本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处存在大量的碳化物沉淀。由图14可见，涂层中硬度分布均匀，其平均值高达800HV0.5以上。
实施例7
本实施例提供一种铁基合金粉末，铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为1.0％、B为1.5％、Mn为2％、Si为1.8％、W为8％、Cr为5％、Nb为2.9％、Ti为1.0％、V为2.8％，其余为Fe。
上述铁基合金粉可由上述元素按照上述比例混合得到。
本实施例另一个方面提供一种铁基合金粉末的应用，采用上述铁基合金粉末制备激光熔覆耐磨涂层，激光熔覆耐磨涂层可以采用以下方法制备：
选用母材为42CrMo钢。母材尺寸为200mm×80mm×20mm，母材表面在熔覆之前用丙酮清洗。
选用8kW高功率半导体激光熔覆系统(Laserline LDF-8000)，激光熔覆参数如下：扫描速度3mm/s～6mm/s，激光功率4kW～5kW，送粉速率约40g/min～60g/min。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行。经激光熔覆后，得到的熔覆层厚度在1.6mm左右。
由图15中可见，本实施例得到激光熔覆耐磨涂层中没有裂纹、气孔夹杂等缺陷，熔覆层与基体结合良好。
由图16a、图16b、图16c可见，本实施例得到激光熔覆耐磨涂层内大部分区域为树枝晶组织，在晶界处还存在大量的网状析出相，其大小约为几微米，并且在晶内还弥散分布着细小的沉淀相颗粒。由图17a、图17b中可见，激光熔覆耐磨涂层内存在大量的块状共晶析出相。
由图18中线扫描结果可见，本实施例得到激光熔覆耐磨涂层中Fe元素的含量在晶界处减少，V、W、Nb和B元素的含量在晶界处急剧上升，在晶界处的析出相，主要为富W、Nb、V的碳化物与硼化物。
由图19可见，本实施例得到激光熔覆耐磨涂层中硬度最高达到916HV0.5，其平均硬度可以达到880HV0.5，约为基板硬度的3.5倍。
对本实施例得到激光熔覆耐磨涂层进行摩擦磨损试验，在摩擦磨损试验中选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。由图20中可见，激光熔覆耐磨涂层的摩擦系数为0.31左右，远低于基体(0.63)；而激光熔覆耐磨涂层的磨损量为0.0043g，是基体磨损量(0.0408g)的十分之一。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.76％-1.2％、B为0.8％-1.8％、Mn为0.8％-2.5％、Si为0.75％-2.2％、W为5％-10％、Cr为4％-6％、Nb为1.2％-3.4％、Ti为0.1％-1.2％、V为1.0％-2.8％，其余为Fe；
其中，Cr元素在激光熔覆时会固溶于Fe之中，对熔覆层起到固溶强化的作用；
Nb、V和Ti元素在激光熔覆时会生成MC碳化物或MB硼化物，为熔覆层中的硬质相，提高熔覆层硬度；
Fe和W元素在激光熔覆时会生成M3(B,C)析出相，且这些M3(B,C)析出相会与Fe之间形成共晶组织，在提高熔覆层硬度同时，起到抗开裂的作用。
2.根据权利要求1所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末由以下质量百分含量的元素组成：C为0.81％-1.15％、B为0.8％-1.75％、Mn为0.85％-2.45％、Si为0.8％-2.15％、W为5.05％-9.95％、Cr为4.05％-5.95％、Nb为1.25％-3.35％、Ti为0.15％-1.15％、V为1.05％-2.75％，其余为Fe。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的铁基合金粉末，其特征在于，所述铁基合金粉末的粒径介于75μm-150μm之间。
4.一种铁基合金粉末的应用，其特征在于，将权利要求1-3中任一项所述的铁基合金粉末用于制备激光熔覆耐磨涂层，得到的所述熔覆耐磨涂层具有高硬度和抗开裂性。
5.根据权利要求4所述的铁基合金粉末的应用，其特征在于，所述铁基合金粉末中Cr元素在激光熔覆时固溶于Fe中，对熔覆层起到固溶强化的作用。
6.根据权利要求4所述的铁基合金粉末的应用，其特征在于，所述铁基合金粉末中Nb、V和Ti元素在激光熔覆时生成MC碳化物或MB硼化物，形成熔覆层中的硬质相，提高熔覆层硬度。
7.根据权利要求4所述的铁基合金粉末的应用，其特征在于，所述铁基合金粉末中Fe和W元素在激光熔覆时生成M3(B,C)析出相，且所述M3(B,C)析出相与Fe之间形成共晶组织，在提高熔覆层硬度同时，起到抗开裂的作用。
8.根据权利要求4所述的铁基合金粉末的应用，其特征在于，所述铁基合金粉末制备出的熔覆耐磨涂层硬度可达880HV0.5以上。
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