CN113930760B - 一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层及制备方法和应用，属于金属表面处理技术领域。所述耐磨涂层包括以下质量百分比的原料：Mo粉45‑50wt％，Fe粉20‑25wt％，FeB粉25‑30wt％。本发明将提供的耐磨涂层，应用于耐磨工具零件上面，涂层表面硬度高，耐磨性能优异，使用寿命大幅度提升5倍以上，同时，涂层与基体为冶金结合方式，不会出现涂层脱落的情况。另外，该涂层使用的材料成本较低，没有高成本的合金元素，使用性价比很高。

Description

一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层及制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层及制备方法和应用。
背景技术
摩擦、磨损造成资源和能源的巨大浪费。国外统计资料表明：摩擦、磨损消耗了1/3的一次性能源，约有80％的机械零件部分都是因磨损而失效。因此，耐磨材料是一种非常重要的材料，而且工业上使用的耐磨材料的综合性能要求也越来越高，以满足更广泛的应用。金属陶瓷由于其优异的耐磨性能和超高的硬度，是一种优异的耐磨材料。但是，大块状的金属陶瓷零件由于工艺问题难于生产，且脆性很高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述方法所存在的缺点与不足，提供一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层及制备方法和应用，该涂层是件金属陶瓷以涂层的形式附着在金属零件上，可以大幅度提高零件的使用寿命。
本发明第一个目的是提供一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层，包括以下质量百分比的原料：Mo粉45-50wt％，Fe粉20-25wt％，FeB粉25-30wt％。
本发明第二个目的是提供一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
在惰性气体保护下，将原料进行机械研磨，获得涂层粉末，所述涂层粉末的粒径为15～45μm；
随后在金属基体表面采用激光器激光熔覆所述涂层粉末，即得耐磨涂层，涂层厚度为0.4-0.6mm。
优选的，激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
激光功率密度为30～45w/cm3，扫描速度10～15mm/s，送粉量1.5r/min。
优选的，所述机械研磨采用行星式球磨机，选用SiC材质的磨球，采用湿式球磨，其中，球料比例为6：1，球磨溶剂为乙醇，所述乙醇与原料粉体总质量比为1：1；球磨转速为250～280r/min，球磨时间为15～18h。
更优选的，粉体球磨后，于53～58℃蒸发，待乙醇挥发完后，再于50～55℃干燥，获得所述涂层粉末。
优选的，所述金属基体表面与所述耐磨涂层之间还激光熔覆有过渡层，所述过渡层为Ni45涂层，所述Ni45涂层厚度为0.4～0.5mm。
更优选的，激光熔覆Ni45涂层过程中，采用的工艺参数如下：
激光功率密度为30～45w/cm3，扫描速度15～18mm/s，送粉量1.5r/min。
本发明第三个目的是提供一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层在金属表面处理中的应用。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明提供的制备方法，将研磨后的由Mo粉，Fe粉，FeB粉组成混合涂层粉末，通过激光熔覆在金属基体上获得Mo-Fe-B基金属陶瓷，熔覆过程中粉末发生化学反应，反应公式为2Mo+2FeB＝Mo2FeB2+Fe和Mo+2Fe2B＝Mo2FeB2+3Fe，由于激光器能量密度很高，激光产生的瞬间高温使得细小均为的粉末瞬间产生反应生产硼化物硬质涂层，且激光器散热速度快，涂层不会因持续的高温导致碳化和开裂。激光熔覆后，即可得到致密无缺陷的涂层，该工艺下制得的涂层厚度为0.4-0.6mm。激光熔覆后的零件使用磨床磨去0.1-0.2mm的表面，即可得到表面平整致密的耐磨涂层。对涂层进行硬度测试，涂层表面硬度平均达到HRA85.3，远远超过金属基体。以油田井下射孔喷枪为例，未做涂层的喷枪使用工作寿命为大约120-150min，表面有明显的磨损凹陷。涂层后的喷枪喷射工作800min后，表面无明显磨损伤害。
本发明提供的Mo-Fe-B基金属陶瓷相比于传统W-Co系等材料具有生产成本低的特点，避免了使用战略性元素，如W、Co等，使得生产成本得到显著降低，同时具备同样水平的硬度和耐磨性，当其以涂层的形式附着在金属零件时，零件表面硬度得到大幅度提升，同时，激光熔覆的工艺使涂层和金属以冶金结合的方式连接在一起，可以有效的提高使用性能和使用寿命，大幅度提高经济效益。
本发明通过对原料采用球磨混合制备粉末，粉末颗粒均匀，有利于熔覆反应，使用激光熔覆工艺，涂层三元金属陶瓷耐磨涂层，不仅克服了块状金属陶瓷加工难、脆性大的问题，也克服了W-Co系金属陶瓷高成本的问题，该技术非常适用于石油井下工具，该涂层用于井下工具后，工具表面耐磨性大幅度提高，既提高了使用性能，也可以提高现场工具施工效率。
本发明的提供的耐磨涂层，三元硼化物涂层硬度高耐磨性好，应用于耐磨工具零件上面，涂层表面硬度高，耐磨性能优异，使用寿命大幅度提升5倍以上，同时，涂层与基体为冶金结合方式，不会出现涂层脱落的情况。另外，该涂层使用的材料成本较低，没有高成本的合金元素，使用性价比很高。
本发明熔覆过渡涂层有利于耐磨涂层的熔覆和结合，避免应力过大。
附图说明
图1为实施例提供的球磨后的涂层粉末实物照片。
图2为实施例提供的金属基体表面上熔覆后的耐磨涂层实物照片。
图3为对实施例提供的金属基体表面上熔覆后的耐磨涂层通过油田井下射孔喷枪喷射800min后的实物照片。
图4为对金属基体表面未熔覆后的耐磨涂层通过油田井下射孔喷枪喷射800min后的实物照片。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是，下述各实施例中采用的Mo粉，Fe粉，FeB粉，纯度大于99.9％；其他试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到；所述实验方法中如无特殊说明，均为常规方法。
下述各实施例采用的金属基体为42CrMo合金钢。
下述各实施例采用的Ni45为中高硬度镍铬硼硅合金粉末。
实施例1
一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层，包括以下质量百分比的原料：Mo粉48wt％，Fe粉24wt％，FeB粉28wt％。
上述激光熔覆硼化物基耐磨涂层是按照以下步骤制得：
按照以下质量百分比的称取原料：Mo粉48wt％，Fe粉24wt％，FeB粉28wt％，备用；
在惰性气体保护下，将原料置于行星式球磨机进行球磨，选用SiC材质的磨球，采用湿磨的方法进行球磨，通入氩气作为保护气体，以防止粉体氧化，具体球磨参数为：球料比例为6：1；乙醇与粉末总质量比为1：1；球磨转速为260r/min，球磨时间为16小时；球磨后的粉末尺度分布均匀，尺寸达到激光熔覆粉末尺寸要求；球磨后以旋转蒸发器将粉末进行干燥，蒸发温度为55℃。酒精排出后在真空烘干箱中，在53℃下进行干燥。干燥后得到涂层粉末，涂层粉末的粒径约为25μm，见图1所示；
然后进行激光熔覆工艺，采用自动送粉器送粉，使用2KW光纤激光器，由于涂层与基体硬度差异过高，熔覆金属陶瓷涂层前需要先熔覆一层过度涂层，先在金属基体表面激光熔覆Ni45涂层作为过渡涂层，其中，激光熔覆参数为激光功率密度为40w/cm3,激光扫描速度为16mm/s，厚度为0.45mm；
过度涂层熔覆打磨平整后，采用激光器激光熔覆所述涂层粉末，获得金属陶瓷涂层，即形成耐磨涂层，见图2所示，涂层厚度为0.5mm，其中，激光熔覆参数为激光功率密度为40w/cm3,激光扫描速度为12mm/s。
本实施里通过激光熔覆后，即可得到致密无缺陷的涂层，该工艺下制得的耐磨涂层厚度为0.5mm；激光熔覆后的零件使用磨床磨去0.1-0.2mm的表面，即可得到表面平整致密的耐磨涂层。
对耐磨涂层进行硬度测试，涂层表面硬度平均达到HRA85.3，远远超过金属基体。
以油田井下射孔喷枪为例，未做涂层的喷枪使用工作寿命为大约130min，表面有明显的磨损凹陷，见图4所示。采用耐磨涂层的金属基体在喷枪喷射工作800min后，表面无明显磨损伤害，见图3所示。
实施例2
与实施例1相同，不同之处在于，包括以下质量百分比的原料：Mo粉50wt％，Fe粉20wt％，FeB粉30wt％；涂层粉末的粒径约为15μm。
实施例3
与实施例1相同，不同之处在于，包括以下质量百分比的原料：Mo粉50wt％，Fe粉25wt％，FeB粉25wt％；涂层粉末的粒径约为45μm。
上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光熔覆硼化物基耐磨涂层，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：Mo粉45-50wt%，Fe粉20-25wt%，FeB粉25-30wt%；
金属基体表面与耐磨涂层之间还激光熔覆有过渡层，所述过渡层为Ni45涂层，所述Ni45涂层厚度为0.4~0.5mm。
2.一种权利要求1所述的激光熔覆硼化物基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在惰性气体保护下，将原料进行机械研磨，获得涂层粉末，所述涂层粉末的粒径为15~45μm；
随后在金属基体表面采用激光器激光熔覆所述涂层粉末，即得耐磨涂层，涂层厚度为0.4~0.6mm；
激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
激光功率密度为30~45w/cm3，扫描速度10~15mm/s，送粉量1.5r/min；
激光熔覆Ni45涂层过程中，采用的工艺参数如下：
激光功率密度为30~45w/cm3，扫描速度15~18mm/s，送粉量1.5r/min。
3.根据权利要求2所述的激光熔覆硼化物基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述机械研磨采用行星式球磨机，选用SiC材质的磨球，采用湿式球磨，其中，球料比例为6：1，球磨溶剂为乙醇，所述乙醇与原料粉体总质量比为1：1；球磨转速为250~280r/min，球磨时间为15~18h。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆硼化物基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，粉体球磨后，于53~58℃蒸发，待乙醇挥发完后，再于50~55℃干燥，获得所述涂层粉末。
5.一种权利要求1所述的激光熔覆硼化物基耐磨涂层在金属表面处理中的应用。
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