CN114293187A - 一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，包括有如下步骤：步骤一：配置熔覆层所需粉料：以粉末粒径为53‑150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，再分别添加质量分数为5％‑20％的NbC粉末作为陶瓷增强相，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需敷料；步骤二：通过逐层铺设和激光熔覆制备预置层。本发明可以在车轴钢基体表面激光熔覆NbC粉末强化的FeCrNiMo合金高强耐磨涂层，由于避免了成分的突变，其熔覆层与基体之间成分也较为相近且过渡均匀，熔覆层界面处的能量较低，因而熔覆层界面之间为良好的冶金结合，且涂层残余应力和裂纹驱动力也较小。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，尤其涉及一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法。
背景技术
轴类零件是航空、汽车等机械设备关键零部件之一，主要承受离心力、传递扭矩和支撑其它零件传动的作用，且工作在高温、高速的环境下，表面易发生摩擦磨损、挤压、腐蚀及冲击等失效行为。在长期的工作下，会造成轴类零件尺寸缩小，损耗巨大，严重影响设备的机械性能，甚至造成生命财产损失，然而大型设备轴类零件，工作周期长，更换维修不及时，且更换新轴成本高、还造成资源浪费，违背“减量化、再利用、资源化”的绿色循环经济原则。因此，利用表面改性技术对失效轴类零件表面修复成为一种简单高效的方法，激光熔覆技术具有熔覆层稀释率低、表面完整，与基体冶金结合良好等优势，可通过修复表面使其恢复原有公差尺寸，且充分发挥熔覆材料的优良特性，甚至使其超过原有的工作性能，有效延长机械设备车轴的使用寿命。
为满足工程零件恶劣环境的使用要求，涂层应具有出色的硬度、耐磨性、耐蚀性和耐高温性能，单一熔覆材料逐渐不能满足需求。激光熔覆粉末的选择应考虑到以下几点：(1)根据熔覆零件的生产作业环境，选择特殊性能的熔覆材料来满足高强度、耐磨损、耐腐蚀的使用性能。(2)应保持熔覆材料和基体之间物理性质的相似性，如：相近的热膨胀系数、熔点等。(3)粉末应保持一定的流动性，且熔覆材料与基体应保持一定的润湿性。当前常用激光熔覆材料分为自熔性合金粉末、陶瓷粉末和金属陶瓷复合粉末。
目前众多学者对于激光熔覆材料体系展开研究，通过合金体系粉末设计和激光熔覆工艺优化，但仍存在一些问题；参考中国专利申请公布号CN108359977A提出一种激光熔覆FeCoVWNbSc高熵合金粉末及成形工艺。此体系制备高熵合金涂层，残余应力较大，容易产生裂纹且粉末价格昂贵不利于大规模应用。申请公布号CN112795212A提出一种高性能耐腐蚀涂层及其制备方法。所述金属合金粉中各元素的质量百分比为：Cr40％～60％；Fe 3％～5％；C 3％～7％；Mo 0.06％～0.10％；Ce 0.8～1.02％。该方法制备的熔覆层硬度虽高，但Cr元素含量太高，涂层裂纹驱动力较大，造成缺陷严重。因此，针对基体材料及其轴类零件的特殊工作环境，有必要开发一种表面硬度高且耐磨性较好，便于大面积推广的铁基激光熔覆涂层。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，利用本方法可以制备出与基体良好冶金结合的熔覆涂层，能显著提高基体与熔覆层之间以及熔覆层与熔覆层之间的韧性，降低界面处的残余应力和裂纹驱动力。
为实现本发明目的而提供的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，包括有如下步骤：
步骤一：配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，再添加质量分数为5％-20％的NbC粉末作为陶瓷增强相，分别按照质量比添加NbC粉末，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需熔覆料；所述FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：0.1-1份C、1～3份Mo、2～10份Ni、1～4份Co、18～20份Cr、1～2份Si，其余为Fe元素。Cr、Mo元素的加入可以进一步提高涂层表面的耐蚀性，且Cr可以与C元素形成硬质相，提高涂层表面强度。
步骤二：将步骤一中球磨混合后得到的所需熔覆料分别铺设于基底上，激光熔覆得到试样。
所述步骤一中球磨混合得到所需熔覆料具体为：将按照质量分数称量好的NbC粉末与FeCrNiMo合金粉末混合后加入球磨罐中，抽真空，进行高能球磨。
作为上述方案的进一步改进，所述高能球磨中的具体参数如下：控制球料质量比为6:1；转速为80r/min；球磨时间为2h。保持合适的转速及球料比，有利于粉末颗粒的细化且更好地保持粉末球形度，有利于涂层成形质量。
作为上述方案的进一步改进，所用球磨罐为真空不锈钢罐，球磨中所用球为不锈钢球。采用不锈钢球为球磨介质，可以避免球磨介质对样品的污染。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤二中激光熔覆的具体参数为：激光功率1200W、光斑直径4mm、扫描速度4mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。合适的激光工艺可以最大程度发挥粉末的成形效果，得到最优的性能。
本发明经成分优化设计和工艺改善后，经激光熔覆成形后，得到高致密无孔洞裂纹的高强度耐磨涂层。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，可以在车轴钢基体表面激光熔覆NbC粉末强化的FeCrNiMo合金高强耐磨涂层，由于避免了成分的突变，其熔覆层与基体之间成分也较为相近且过渡均匀，熔覆层界面处的能量较低，因而熔覆层界面之间为良好的冶金结合，且涂层残余应力和裂纹驱动力也较小。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)通过本方法制备的FeCrNiMo合金/NbC高强耐磨涂层，材料成本较低而材料表面硬度提升较大；
(2)FeCrNiMo合金/NbC高强耐磨涂层为良好的冶金结合，组织均匀，没有明显的气孔和裂纹，熔覆层界面处的能量较低，因此结合处韧性较好，残余应力和裂纹驱动力较小，能够显著提高所制零件的表面使用寿命；
(3)本制备方法操作简单，陶瓷颗粒成本较低，易于工业化和自动化的实现，且本方法能量利用率高，进一步节约了成本。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的实施例一金相组织形貌图
图2为本发明的实施例一所得激光熔覆试样微观组织形貌图；
图3为本发明的实施例一、二、三及对比例一涂层的物相分析；
图4本发明的实施例一、二、三及对比例一涂层的摩擦磨损曲线图。
图5本发明的实施例一、二、三及对比例一涂层的横截面硬度曲线图；
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明提供的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，包括有如下步骤：
实施例一：
(1)配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，再分别添加质量分数为20％的NbC粉末作为陶瓷增强相，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需熔覆料，其中FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：0.1份C、1份Mo、2份Ni、1份Co、18份Cr、1份Si，其余为Fe；
(2)混合粉末采用高能球磨法制备，具体步骤为：将混合后的粉末分别加入球磨罐中，抽真空，控制球料质量比为6:1；转速为80r/min；球磨时间为2h，将两种粉体混合均匀；所用球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球。
(3)对基体进行预处理，具体步骤包括清洗、干燥、用#600砂纸打磨或喷砂后，用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污；
(4)将球磨混合得到的熔覆料铺设于处理后的基底上，制成预置层；
(5)将预置层进行激光熔覆处理，激光功率1200W、光斑直径4mm、扫描速度4mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。激光熔覆得到试样A；
实施例二
(1)配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，再分别添加质量分数为10％的NbC粉末作为陶瓷增强相，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需熔覆料，FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：0.5份C、2份Mo、6份Ni、2.5份Co、19份Cr、1.5份Si，其余为Fe；
(2)混合粉末采用高能球磨法制备，具体步骤为：将混合后的粉末分别加入球磨罐中，抽真空，控制球料质量比为6:1；转速为80r/min；球磨时间为2h，将两种粉体混合均匀；所用球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球。
(3)对基体进行预处理，具体步骤包括清洗、干燥、用#600砂纸打磨或喷砂后，用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污；
(4)将球磨混合得到的熔覆料铺设于处理后的基底上，制成预置层；
(5)将预置层进行激光熔覆处理，激光功率1200W、光斑直径4mm、扫描速度4mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。激光熔覆得到试样B；
实施例三
(1)配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，再分别添加质量分数为5％的NbC粉末作为陶瓷增强相，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需熔覆料，其中，FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：1份C、3份Mo、10份Ni、4份Co、20份Cr、2份Si，其余为Fe；
(2)混合粉末采用高能球磨法制备，具体步骤为：将混合后的粉末分别加入球磨罐中，抽真空，控制球料质量比为6:1；转速为80r/min；球磨时间为2h，将两种粉体混合均匀；所用球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球。
(3)对基体进行预处理，具体步骤包括清洗、干燥、用#600砂纸打磨或喷砂后，用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污；
(4)将球磨混合得到的熔覆料铺设于处理后的基底上，制成预置层；
(5)将预置层进行激光熔覆处理，激光功率1200W、光斑直径4mm、扫描速度4mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。激光熔覆得到试样C；
对比例一
(1)配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料；其中FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：0.1份C、1份Mo、2份Ni、1份Co、18份Cr、1份Si，其余为Fe；
(2)对基体进行预处理，具体步骤包括清洗、干燥、用#600砂纸打磨或喷砂后，用无水乙醇或丙酮清洗表面的杂质与油污；
(4)将未加NbC粉末的FeCrNiMo合金粉末铺设于基底上，制成预置层，
(5)将预置层进行激光熔覆处理，激光功率1400W、光斑直径4mm、扫描速度4mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。激光熔覆得到试样。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括有如下步骤：
步骤一：配置熔覆层所需粉料，即熔覆料：以粉末粒径为50-150μm的FeCrNiMo合金粉末作为熔覆材料，所述FeCrNiMo合金粉末由如下成分组成：0.1-1份C、1～3份Mo、2～10份Ni、1～4份Co、18～20份Cr、1～2份Si，再添加质量分数为5％-20％的NbC粉末作为陶瓷增强相，分别按照质量比添加NbC粉末，将配取的混合粉料加入球磨机中，球磨混合得到所需熔覆料；
步骤二：将步骤一中球磨混合后得到的所需熔覆料分别铺设于基底上，激光熔覆得到试样。
2.根据权利要求1所述的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一中球磨混合得到所需熔覆料具体为：将按照质量分数称量好的NbC粉末与FeCrNiMo合金粉末混合后加入球磨罐中，抽真空，进行高能球磨。
3.根据权利要求2所述的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述高能球磨中的具体参数如下：控制球料质量比为(6-8):1；转速为80-200r/min；球磨时间为2-6h。
4.根据权利要求2或3所述的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所用球磨罐为真空不锈钢罐，球磨中所用球为不锈钢球。
5.根据权利要求1所述的一种NbC强化的铁基合金高强耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤二中激光熔覆的具体参数为：激光功率1200-1800W、光斑直径4mm、扫描速度4-8mm/s、熔覆过程采用Ar气保护。
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