CN112981052A - 一种纳米m2b增强铁基耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层及其制备方法，选取铸造Fe‑B合金为原始基体，对原始基体的表面进行打磨和去锈处理；将处理好的原始基体置于氩气内进行预热处理；利用高能激光对预处理后的原始基体进行表面熔融处理；对表面熔融处理后的原始基体进行淬火和回火热处理，在原始基体表面制备得到纳米M2B增强马氏体基体的表面耐磨涂层。本发明制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层具有优异的耐磨性，可用于抗冲击磨料磨损工况，较铸造Fe‑B合金的耐磨性提高3～7倍，可实现传统Fe‑B耐磨合金经适当的激光表面熔融制备涂层后，在冲击磨损工况下应用，具有重要工程应用推广价值。

Description

一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于铁基耐磨材料技术领域，具体涉及一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
钢铁是目前使用量最大的材料之一，是重要的结构材料。钢铁耐磨铸造合金在冶金、矿山、电力等工业领域应用广泛，其耐磨性和服役安全性是影响零件使用寿命的关键因素。我国每年因磨损造成的金属材料失效高达300万吨，直接经济损失超1000亿元人民币，且这一损耗仍在不断上升。制备成本较低的铸造Fe-B耐磨合金由高硬度的M2B(M代指Fe和合金元素)和金属基体组成，可应用无冲击力或冲击力较低的磨损工况。然而，其中硬质相M2B呈连续网状结构，在磨损服役过程中易发生开裂及破碎现象，不仅严重影响其耐磨性，还会造成零件表面迅速开裂失效。因此，改善Fe-B合金中硬质相M2B的连续网状结构问题一直是当前的研究热点。
为了彻底打破硬质相M2B的连续网状结构，提高韧性及耐磨性能，本申请利用激光重熔对Fe-B合金表面进行处理，可简单高效的打破Fe-B合金表层组织中硬质相M2B的连续网状结构，且使其以孤立状形态弥散分布于金属基体中，实现了合金表面韧性及抗磨性能的协同提高。因此，本申请所制备的一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层，可保证Fe-B耐磨合金在高冲击磨料工况下的服役安全性和持久性，解决了传统Fe-B耐磨合金传统在冲击磨损工况下易脱落、耐磨性差的难题，且该涂层制备成本较低，对其推广应用具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层及其制备方法，实现Fe-B耐磨合金表面的硬质相M2B实现纳米化及晶粒表面尖角效应显著降低，在磨损过程中会降低晶界应力集中现象，减小磨耗，从而通过与基体协同作用可显著提高表面耐冲击磨损性能。
本发明采用以下技术方案：
一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取铸造Fe-B合金为原始基体，对原始基体的表面进行打磨和去锈处理；
S2、将步骤S1处理好的原始基体置于氩气内进行预热处理；
S3、利用高能激光对步骤S2预处理后的原始基体进行表面熔融处理；
S4、对步骤S3表面熔融处理后的原始基体进行淬火和回火热处理，在原始基体表面制备得到纳米M2B增强马氏体基体的表面耐磨涂层。
具体的，步骤S1中，Fe-B合金中硼化物的体积分数为10％～40％。
具体的，步骤S2中，预热温度为150～500℃。
具体的，步骤S3中，高能激光的功率为0.5～2kW，扫描的速度为0.1～1m/min。
具体的，步骤S4中，淬火处理的温度为850～1050℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间大于等于2～5h，淬火介质为机油。
具体的，步骤S4中，回火处理的温度为200～350℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间2h，随炉冷却。
本发明的另一个技术方案是，一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层，耐磨涂层的硬质相M2B晶粒尺度为40～800nm，涂层硬度为59～68HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的3～7倍。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层的制备方法，选取铸造Fe-B合金为原始基体，置于氩气内进行预热处理；利用高能激光进行表面熔融处理；再经淬火和回火热处理，在原始基体表面制备得到纳米M2B增强马氏体基体的表面耐磨涂层；制备得到的涂层较铸造Fe-B合金的耐磨性优异，特别是纳米M2B增强铁基耐磨涂层适用于冲击磨料磨损工况。
进一步的，铸造Fe-B合金中硼化物的体积分数为10％～40％，可实现表面耐磨性的宽幅调控。
进一步的，预热温度为150～500℃，合适的预热温度可明显减小铸造Fe-B合金在激光熔融表面时的应力，以避免开裂现象的产生。
进一步的，高能激光的功率为0.5～2kW，扫描的速度为0.1～1m/min，激光功率和扫描速度的合理搭配，可保证涂层质量，如实现涂层中晶粒为纳米晶，提高涂层与原始基体的结合力等。
进一步的，淬火处理的温度为850～1050℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间2-5h，淬火介质为机油，合适的淬火处理可保证获得涂层基体为马氏体，进而增加基体对主要抗磨相M2B晶粒的支撑和固定作用，可提高耐磨性。
进一步的，回火处理的温度为200～350℃，升温速率为5-10℃/min，保温时间2～4h，随炉冷却，合适的回火处理工艺可消除淬火应力，减小冲击磨损过程中开裂和脱落倾向，有利于耐磨性的提高。
一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层，纳米M2B增强铁基耐磨涂层中硬质相M2B晶粒尺度为40～800nm，涂层硬度为59～68HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为基体合金的3～7倍。该涂层可解决铸造Fe-B合金在冲击磨损中易剥落、耐磨性差的难题，不仅可显著提高耐磨性，而且还可改善服役安全性。
综上所述，本发明纳米M2B增强铁基耐磨涂层具有优异的耐磨性，特别是可用于抗冲击磨料磨损工况，较铸造Fe-B合金的耐磨性提高3～7倍，可实现传统Fe-B耐磨合金经适当的激光表面熔融制备涂层后，在冲击磨损工况下应用，具有重要工程应用推广价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层显微组织图片；
图2为本发明制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层深腐蚀形貌。
具体实施方式
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、选料；
选取铸造Fe-B合金为原料，对合金表面进行打磨，去锈。
Fe-B合金中硼化物的含量范围为10％～40％。
S2、预处理
将处理好的合金块体置于氩气保护腔内，预热处理。
合金试块进行预热处理，预热温度为150～500℃。
S3、激光熔融
利用激光器对铸造Fe-B合金表面进行熔融处理；
激光功率为0.5～2kW，扫描的速度为0.1～1m/min。
S4、热处理
将表面熔融处理后的试样进行淬火+回火热处理，即可获得纳米M2B增强马氏体基体耐磨涂层。
淬火处理温度为850～1050℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间为2～5h，淬火介质为机油，淬火时间为5min。
回火处理温度为200～350℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间2～4h，随炉冷却。
采用本发明方法制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，在铁硼铸造耐磨合金表面使用高能激光熔融，能够改善铁硼铸造合金表面硬质相M2B的形态，破碎硼化物的晶间网状分布，得到一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层，涂层硬质相M2B的尺度为40～800nm，硬度为59～68HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性约为基体合金的3～7倍。
请参阅图1，可知涂层中M2B晶粒为纳米尺度，在冲击磨损工况下，作为主要抗磨相开裂、脱落现象明显减少，从而有利于磨损量降低即耐磨性的提高。同时，晶粒实现其明显孤立分布，有利于涂层整体韧性的提高进而保证服役的安全性。
请参阅图2，可知纳米尺度的M2B晶粒表面较光滑，晶粒尖角效应显著减少，与淬火+回火后的马氏体基体复合会明显减少晶界的应力集中效应，从而在冲击磨损过程中，会明显降低磨损应力，从而有利于可提高涂层整体的耐磨性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为10％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为150℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为0.5kw，扫描速度为0.1m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理:淬火温度为1050℃，升温速率为20℃/min，保温2h后在机油中冷却5min；回火温度为350℃，升温速率为5℃/min，保温4h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为40nm，硬度为59.0HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的3.7倍。
实施例2
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为26％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为250℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为1.0kw，扫描速度为0.5m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理：淬火温度为950℃，升温速率为15℃/min，保温3h后在机油中冷却5min；回火温度为300℃，升温速率为8℃/min，保温3.5h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为356nm，硬度为61.5HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的4.6倍。
实施例3
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为34％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为350℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为1.5kw，扫描速度为0.8m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理：淬火温度为900℃，升温速率为10℃/min，保温4h后在机油中冷却5min；回火温度为250℃，升温速率为8℃/min，保温2.5h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为634nm，硬度为64.6HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为基体合金的7.0倍。
实施例4
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为40％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为500℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为2.0kw，扫描速度为0.1m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理：淬火温度为850℃，升温速率为5℃/min，保温5h后在机油中冷却5min：回火温度为200℃，升温速率为5℃/min，保温4h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为800nm，硬度为68.0HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的5.9倍。
实施例5
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为10％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为150℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为0.5kw，扫描速率为0.1m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理：淬火温度为850℃，升温速率为5℃/min，保温2h后在机油中冷却5min；回火温度为200℃，升温速率为5℃/min，保温2h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为156nm，硬度为60.3HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的4.4倍。
实施例6
以铸造Fe-B合金为原料，硼化物体积分数为40％，对合金表面进行打磨、去锈处理，将处理好的合金试样置于氩气保护腔内，对合金进行与热处理，预热温度为500℃。利用激光器对合金进行熔融处理，使用激光功率为2.0kw，扫描速度为1m/min。将处理过后的试样进行淬火+回火热处理：淬火温度为1050℃，升温速率为20℃/min，保温5h后在机油中冷却5min；回火温度为350℃，升温速率为10℃/min，保温4h，随炉冷却。
本实验制备的纳米M2B增强铁基耐磨涂层，硬质相M2B的尺寸为456nm，硬度为64.3HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的5.2倍。
综上所述，本发明一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层及其制备方法，含M2B纳米晶铁基耐磨涂层可适用于冲击磨料磨损工况，具有较激光熔融前的铸造耐磨Fe-B合金(不宜应用于冲击磨损工况)优异的耐磨性；同时，由于未掺杂其它硬质颗粒的涂层合金体系与原始Fe-B合金的成分体系相同，只是组相类别及形貌具有明显不同，可保证在冲击磨损时涂层与Fe-B合金具有良好的结合界面，显著改善了涂层脱落现象。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取铸造Fe-B合金为原始基体，对原始基体的表面进行打磨和去锈处理；
S2、将步骤S1处理好的原始基体置于氩气内进行预热处理；
S3、利用高能激光对步骤S2预处理后的原始基体进行表面熔融处理；
S4、对步骤S3表面熔融处理后的原始基体进行淬火和回火热处理，在原始基体表面制备得到纳米M2B增强马氏体基体的表面耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，Fe-B合金中硼化物的体积分数为10％～40％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，预热温度为150～500℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，高能激光的功率为0.5～2kW，扫描的速度为0.1～1m/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，淬火处理的温度为850～1050℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间大于等于2～5h，淬火介质为机油。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，回火处理的温度为200～350℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间2h，随炉冷却。
7.一种纳米M2B增强铁基耐磨涂层，其特征在于，根据权利要求1所述的方法制备得到，耐磨涂层的硬质相M2B晶粒尺度为40～800nm，涂层硬度为59～68HRC，抗冲击磨料磨损的耐磨性为Fe-B合金的3～7倍。
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Title
YONGXIN JIAN 等: "Microstructure,mechanical properties and toughening mechanism of directional Fe2B crystal in Fe-B alloy with trace Cr additon", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY》 *
章守华 等: "Fe-B及Fe-C-B合金的激光熔化激冷", 《北京钢铁学院学报》 *

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CN112981052B (zh) 2022-05-20

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