CN114635131A - 合金涂层的制备方法及金属零件 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种合金涂层的制备方法及金属零件，涉及涂层领域。合金涂层的制备方法包括以下步骤：通过激光熔覆技术使合金粉末在金属基材表面形成过饱和固溶体涂层，合金粉末按质量百分比包括：Mo：2.5％～3.5％、Co：1.2％～2.2％、V：3％～4％、C：1％～1.5％、Cr：7.5％～8.5％、Si：0.5％～1.5％，余量为Fe，过饱和固溶体涂层的硬度不大于750HV；然后对过饱和固溶体涂层进行时效处理，时效处理的温度为400～600℃，时间为1～4h。使用该制备方法制得的合金涂层，硬度较高，且没有冷裂纹产生，能延长金属零件的使用寿命。

Description

合金涂层的制备方法及金属零件
技术领域
本申请涉及涂层领域，具体而言，涉及一种合金涂层的制备方法及金属零件。
背景技术
在金属基材上制备合金涂层，能显著提升金属基材的耐磨和耐蚀性。目前，通常使用激光熔覆法，使合金粉末熔覆在金属基材的表面并与金属基材表面结合，形成金属基材的保护涂层，以提高金属基材的耐磨和耐蚀性能。
但由于合金涂层的硬度与韧性通常是不能兼顾的，通过激光熔覆法制得的合金涂层，虽然硬度较高，耐磨和耐蚀性强，但在熔覆过程中易产生冷裂纹。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种合金涂层的制备方法及金属零件，能实现高硬度无裂纹合金涂层的制备，从而延长金属材料的使用寿命。
第一方面，本申请实施例提供了一种合金涂层的制备方法，其包括以下步骤：通过同轴送粉激光熔覆技术使合金粉末在金属基材表面形成过饱和固溶体涂层合金粉末按质量百分比包括：Mo：2.5％～3.5％、Co：1.2％～2.2％、V：3％～4％、C：1％～1.5％、Cr：7.5％～8.5％、Si：0.5％～1.5％，余量为Fe，过饱和固溶体涂层的硬度不大于750HV；然后对过饱和固溶体涂层进行时效处理，时效处理的温度为200～600℃，时间为1～4h。
在上述技术方案中，通过激光熔覆技术将合金粉末加热后冷却至室温，能使得合金粉末附着于金属基材的表面，形成一层用于保护基材的过饱和固溶体涂层，控制过饱和固溶体涂层的硬度不大于750HV，使涂层具有一定的韧性，降低涂层熔覆过程中的裂纹敏感性，从而保证形成的过饱和固溶体涂层不会立刻出现冷裂纹；后续将冷却至室温的过饱和固溶体涂层加热至200～600℃保温1～4h进行时效处理时，一方面能使得过固溶的V，Mo，Co等元素脱溶析出形成偏聚区，能显著提升涂层的硬度，另一方面也能释放过饱和固溶体涂层内的应力，制成的合金涂层出现冷裂纹的情况会很大地减少，可延长金属零件的使用寿命。
在形成过饱和固溶体涂层时，其硬度若大于750HV，则容易出现冷裂纹，即使后续进行时效处理，也无法修复冷裂纹。在后续的时效处理过程中，若加热温度过低，或处理时间过短，则不能很好地提升涂层的硬度；若加热温度过高，或处理时间过长，则有可能影响基体的显微组织与性能，从而影响零件的使用寿命。
在一种可能的实现方式中，将过饱和固溶体涂层加热至400～600℃进行时效处理。
在上述技术方案中，400～600℃的时效处理更有利于制得高硬度的合金涂层，同时也不会影响基体的显微组织与力学性能。
在一种可能的实现方式中，使用激光熔覆法形成过饱和固溶体涂层。
在上述技术方案中，激光熔覆法的加热速度快，能够快速地形成过饱和固溶体涂层，提升合制备合金涂层的效率。
在一种可能的实现方式中，合金粉末加热至不低于1500℃。
在上述技术方案中，将合金粉末加热至不低于1500℃，能保证合金粉末熔融形成过饱和固溶体层。
在一种可能的实现方式中，激光功率为1800～2000W。
在上述技术方案中，激光功率在1800～2000W内，能保证合金粉末形成附着在金属基材表面上的过饱和固溶体涂层。
在一种可能的实现方式中，形成过饱和固溶体涂层时，冷却速率为103～105℃/s。
在上述技术方案中，冷却速率为103～105℃/s能使得溶质来不及析出，从而使得合金粉末形成过饱和固溶体涂层。
在一种可能的实现方式中，时效处理后，还在空气中自然冷却至室温。
在上述实现过程中，时效处理后，在空气中自然冷却至室温，也可以进一步增强合金涂层的硬度。
在一种可能的实现方式中，在将合金粉末形成过饱和固溶体层之前，还包括对合金粉末进行干燥的步骤。
在一种可能的实现方式中，干燥温度为80～120℃，干燥时间为3～6h。
第二方面，本申请实施例提供了一种金属零件，其包括金属基材，金属基材的表面附着有合金涂层，合金涂层是由上述的合金涂层的制备方法制备得到的。
在上述技术方案中，使用上述制备方法，能显著提升金属基材的耐磨和耐蚀性能，而且合金涂层也不容易出现冷裂纹。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1的过饱和固溶体涂层的显微形貌图；
图2为本申请实施例1的合金涂层的显微形貌图；
图3为本申请实施例2的合金涂层的显微形貌图；
图4为本申请实施例1的合金涂层的表面着色探伤的形貌图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的金属零件及合金涂层的制备方法进行具体说明。
本申请实施例提供的一种金属零件包括金属基材，金属基材的表面附着有合金涂层，合金涂层的制备方法如下：
(1)配制合金粉末并干燥，合金粉末的组成元素按质量百分比计包括：C：1％～1.5％、Mo：2.5％～3.5％、Co：1.2％～2.2％、Cr：7.5％～8.5％、V：3％～4％、Si：0.5％～1.5％，其余为Fe，先干燥合金粉末。
干燥处理有利于合金粉末后续形成过饱和固溶体涂层；在干燥处理时，可以将合金粉末在80～120℃下烘干3～6h。例如，可以在80℃下将合金粉末干燥3h、4h或6h，或者在120℃下将合金粉末干燥3h、5h或6h。作为示例性地，本实施例中，将合金粉末于100℃下干燥3h。
在此需要说明的是，本申请实施例中，合金粉末是指粒径53～150微米的颗粒。
(2)然后将干燥的合金粉末涂覆在金属基材的表面，加热至1500℃以上，并以103～105℃/s的速率快速冷却，使合金粉末熔融后附着于金属基材表面形成过饱和固溶体涂层，而且形成的过饱和固溶体涂层硬度不超过750HV。
在形成过饱和固溶体涂层时，可以使过饱和固溶体涂层的硬度尽量接近750HV，这样能使得饱和固溶体不会立刻形成冷裂纹的情况下，尽量提高其硬度，有利于后续时效处理后形成韧性和硬度均较高的合金涂层。在实际操作时，为了尽量保证过饱和固溶体涂层不会立刻出现冷裂纹，也可以使过饱和固溶体涂层的硬度不大于700HV，这样能使得过饱和固溶体涂层更不容易立刻出现冷裂纹的情况，同时也能够尽量确保过饱和固溶体涂层硬度。另外，在本申请实施例中，将合金粉末加热至1500℃以上，并以103～105℃/s的速率快速冷却都是为了保证合金粉末能够形成过饱和固溶体涂层。
而且为了能使合金粉末更快速地形成过饱和固溶体涂层，作为示例性地，本申请均采用激光熔覆法处理合金粉末。激光熔覆法是利用高能密度的激光束使合金粉末与基材表面薄层一起熔凝的方法。激光熔覆法的加热温度高，一般不会低于1500℃、加热速度快、冷却速率也快，能够达到103～105℃/s，可以很好地满足过饱和固溶体涂层的形成条件。当然，在其它一些实施例中，也可以通过其他方式进行固溶体涂层的制备，例如真空等离子熔覆，然后冷却的方式形成过饱和固溶体涂层，本申请对此不做限制。
本申请具体的实施例中，激光功率一般调整为1800～2000W，以保证加热温度能够使得合金粉末形成过饱和固溶体涂层，同时也为保证制得的过饱和固溶体涂层面积合适，能满足金属零件的需求。
需要说明的是，由于过饱和固溶体涂层需要合金粉末加热后快速冷却才能制得，而且合金粉末又是熔覆在金属基材表面的，因此在将合金粉末加热形成过饱和固溶体涂层后，过饱和固溶体涂层本身就可以附着在金属基材的表面，与采用何种方式制备过饱和固溶体涂层无关。
(3)之后将过饱和固溶体涂层在400～600℃保温1～4h进行时效处理，随后冷却至室温。
另外，本申请实施例中，室温一般为20～30℃，作为示例性地，一般将合金粉末急速冷却至室温25℃形成过饱和固溶体涂层。合金粉末中，V，Mo，Co之类的元素过固溶能保证形成的过饱和固溶体涂层在不产生冷裂纹的情况下，硬度尽可能的接近或达到750HV，有利于后续时效处理时，进一步提升过饱和固溶体涂层的硬度，同时不会在涂层中产生裂纹。
在时效处理时，V，Mo，Co之类的过固溶物质能脱溶析出，形成偏聚区，能在显著提升合金涂层硬度的同时，不在涂层中产生冷裂纹。而且在时效处理过程中，加热的温度过大或过小，以及保温时间过长或过短都会对合金涂层及基体的显微组织与力学性能造成不良的影响。若加热温度过低，或处理时间过短，则不能很好地提升涂层的硬度；若加热温度过高，或处理时间过长，则会影响涂层的显微组织与性能，从而使其不能满足其使用要求。例如，可以将过饱和固溶体涂层加热至400℃保温1h、2h、3h或4h，也可以将过饱和固溶体涂层加热至500℃保温1h、2h、3h或4h。
时效处理后还在空气中自然冷却至室温也有利于进一步增强合金涂层的硬度。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层作为保护层，其制备方法如下：
(1)选择合金粉末
先提供一种合金粉末，其组成元素按质量百分比计，包括：C：1％、Mo：2.5％、Co：1.2％、Cr：7.5％、V：3％、Si：0.5％、其余为Fe。并且将该合金粉末放入烘箱中于100℃条件下干燥3小时。
(2)形成过饱和固溶体涂层
采用同轴送粉技术将合金粉末送至金属基材表面，使用激光熔覆法形成过饱和固溶体涂层，使过饱和固溶体涂层熔融后附着于金属基材的表面，作为金属基材的初始保护层，此时过饱和固溶体涂层的硬度为728.7HV。
本实施例中的过饱和固溶体涂层的显微形貌图如图1所示，左侧为整体图，matrix是指过饱和固溶体涂层的整体形态，右侧为局部放大图，图中reinforcement是饱和固溶体层中的增强相。
本申请实施例中，使用最大功率为8kW的光纤激光器(Laserline LDF-8000)对合金粉末，激光功率调整为1200W，使用直径为5mm的光斑加热金属基材的表面，使金属基材的表面形成熔池，以氩气为载体，将合金粉末送入熔池，而且还采用高纯氩气作为熔覆过程中的保护气体；光纤激光器其余的参数如下表所示：
表1光纤激光器的参数
Figure BDA0003562158620000071
(3)对过饱和固溶体涂层进行时效处理
将形成的过饱和固溶体涂层于500℃条件下保温1小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。合金涂层的显微形貌图如图2所示，左侧为整体图，matrix是指过合金涂层的整体形态，右侧为局部放大图，图中reinforcement是合金涂层中的增强相。
实施例2
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
在步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于600℃条件下保温1小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
本实施例中，合金涂层的显微形貌图如图3所示，左侧为整体图，图中matrix是指过合金涂层的整体形态，右侧为局部放大图，图中reinforcement是合金涂层中的增强相。
实施例3
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例2，主要区别在于：
步骤(1)中，合金粉末的组成元素按质量百分比计为：C：1.5％、Mo：3.5％、Co：2.2％、Cr：8.5％、V：4％、Si：1.5％、其余为Fe。
实施例4
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
在步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于400℃条件下保温1小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
实施例5
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
在步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于450℃条件下保温1小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
实施例6
本实施例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
在步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于400℃条件下保温4小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
对比例1
本对比例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于350℃条件下保温4小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
对比例2
本对比例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于650℃条件下保温4小时，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
对比例3
本对比例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于500℃条件下保温30min，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
对比例4
本对比例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
步骤(3)中，将形成的过饱和固溶体涂层于500℃条件下保温4.5h，之后再在空气中自然冷却至25℃形成合金涂层。
对比例5
本对比例提供了一种金属零件，其包括表面附着有合金涂层的金属基材，合金涂层的制备方法相比于实施例1，主要区别在于：
步骤(1)中，合金粉末的组成元素按质量百分比计为：C：0.8％、Mo2％、Co：1％、Cr：4％、V：1％、Si：0.4％、其余为Fe。
应用例
硬度检测
将实施例1～6和对比例1～5中的金属零件的合金涂层使用GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验第1部分：试验方法方式进行硬度检测，此外，其性能参数如下表所示：
表2实施例1～6和对比例1～5的合金涂层的硬度
Figure BDA0003562158620000091
Figure BDA0003562158620000101
探伤检测
根据GB/T 18851.2-2008《无损检测渗透检测第2部分渗透材料的检验》方法对实施例1中的合金涂层进行着色探伤检测，如图4所示。由图可知，实施例1中的合金涂层表面无裂纹。
综上所述，使用本申请实施例的合金粉末和制备方法制得的合金涂层，其硬度性能优异，且表面无裂纹。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合金涂层的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
通过激光熔覆技术使合金粉末在金属基材表面制备过饱和固溶体涂层；所述合金粉末按质量百分比计包括：Mo：2.5％～3.5％、Co：1.2％～2.2％、V：3％～4％、C：1％～1.5％、Cr：7.5％～8.5％、Si：0.5％～1.5％，余量为Fe，所述过饱和固溶体涂层的硬度不大于750HV；
对所述过饱和固溶体涂层进行时效处理，所述时效处理的温度为400～600℃，时间为1～4h。
2.根据权利要求1所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为400～600℃。
3.根据权利要求1的所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，使用激光熔覆法形成所述过饱和固溶体涂层。
4.根据权利要求1或3所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，所述合金粉末加热至不低于1500℃。
5.根据权利要求1或3所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，形成所述过饱和固溶体涂层时，冷却速率为103～105℃/s。
6.根据权利要求3所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆法所采用的激光功率为1800～2000W。
7.根据权利要求1所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，在所述时效处理后，还包括在空气中自然冷却至室温的步骤。
8.根据权利要求1所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，在将所述合金粉末形成所述过饱和固溶体涂层之前，还包括对所述合金粉末进行干燥的步骤。
9.根据权利要求8所述的合金涂层的制备方法，其特征在于，干燥温度为80～120℃，干燥时间为3～6h。
10.一种金属零件，其特征在于，其包括金属基材，所述金属基材的表面附着有合金涂层，所述合金涂层是按照如权利要求1～9任一项所述的合金涂层的制备方法制备得到的。
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