CN115351295B - 一种复合板制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合板制备工艺，属于复合板生产技术领域，包括制备止裂过渡层的原料粉末，其组分为：Si：0.5‑1wt％，Mn：1.5‑2wt％，Cr：22‑23wt％，Ni：5‑6wt％，Mo：3‑4wt％，Al：1.6‑2wt％，其余成分为Fe；制备目标层的原料粉末，其组分为：C：0.8‑0.9wt％；Cr：20‑21wt％，Si：2‑2.5wt％，Ni：2.5‑2.8wt％，B：2.2‑2.5wt％，Mo：1.8‑2wt％，其余成分为Fe；以Ar与N2的混合气体作为保护气，在基板上堆积形成止裂过渡层，且止裂过渡层中的N含量为0.1‑0.3wt％，在止裂过渡层上堆积形成目标层。本发明提供的复合板制备工艺，止裂过渡层具有较好的韧性，目标层具有较高的硬度，使复合板兼具较高的强度和韧性两项性能。

Description

一种复合板制备工艺
技术领域
本发明属于复合板生产技术领域，更具体地说，是涉及一种复合板制备工艺。
背景技术
在矿山机械领域如刮板机、破碎机的高强耐磨板生产或者风机叶片、主轴的修复中，要求金属材料的表面具有较高的硬度，与此同时要求材料整体兼顾具有较好的冲击韧性。在具体的工况要求下，金属材料表面硬度需要达到60HRC以上，同时金属表面不能出现开裂，耐磨板整体的室温冲击韧性不低于(Ak)40J。这种工况要求使得采用单一同材质的金属很难满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合板制备工艺，以解决现有技术中存在的复合板的强度和韧性难以兼顾的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种复合板制备工艺，包括：
S1：制备止裂过渡层的原料粉末，其组分为：
Si：0.5-1wt％，Mn：1.5-2wt％，Cr：22-23wt％，Ni：5-6wt％，Mo：3-4wt％，Al：1.6-2wt％，其余成分为Fe；
S2：制备目标层的原料粉末，其组分为：
C：0.8-0.9wt％；Cr：20-21wt％，Si：2-2.5wt％，Ni：2.5-2.8wt％，B：2.2-2.5wt％，Mo：1.8-2wt％，其余成分为Fe；
S3：对基板进行预处理，去除所述基板表面的氧化膜；
S4：以95％Ar与5％N2的混合气体作为保护气，使用增材制造方式将止裂过渡层的原料粉末堆积于所述基板上，而形成止裂过渡层，所述止裂过渡层中的N含量为0.1-0.3wt％；
S5：以Ar作为保护气，使用增材制造方式将目标层的原料粉末堆积于所述止裂过渡层上，而形成目标层，所述基板、所述止裂过渡层及所述目标层形成复合板。
在一种可能的实现方式中，在S4中采用等离子弧粉末增材制造方式，工艺参数为：
保护气流量为12L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为3.5L/min；电流为90A；保护气延时4s；保护气提前1s。
在一种可能的实现方式中，在S5中采用等离子弧粉末增材制造方式，工艺参数为：
保护气流量为12.5L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为4.5L/min；电流为100A；保护气延时6s；保护气提前1s。
在一种可能的实现方式中，在S4中，增材制造方式为多道堆焊，每个焊道之间搭接率为1/3-2/3，且堆焊两层。
在一种可能的实现方式中，所述止裂过渡层的厚度为2-2.5mm。
在一种可能的实现方式中，所述止裂过渡层的原料粉末和所述目标层的原料粉末的粒度为100-200目。
在一种可能的实现方式中，在S5中，增材制造方式的层间温度为200-250℃。
在一种可能的实现方式中，还包括：
S6：所述复合板放置于炉中随炉冷却，炉内起始温度为200-220℃，或者使用石棉瓦包裹所述复合板。
在一种可能的实现方式中，在S3中去除所述基板表面的氧化膜后，使用有机溶剂丙酮超声波清洗或擦拭表面，洗除打碎的氧化膜残渣，溶解并去除表面油污。
本发明提供的复合板制备工艺的有益效果在于：与现有技术相比，本发明复合板制备工艺，加工前，先后制备含有设定质量分数的多种不同元素的粉末，以用于加工制造止裂过渡层和目标层，然后对基板进行预处理后使用粉末增材制造的方式，以95％Ar与5％N2的混合气体作为保护气，在基板上先加工止裂过渡层，使止裂过渡层内含有0.1-0.3wt％的N元素，并借助定量的N、Al元素使止裂过渡层韧性增大且实现止裂功能；进而在止裂过渡层上使用粉末增材制造的方式加工目标层，并借助B元素增加目标层的淬透性，进而提高淬硬层的深度，以使目标层的硬度较高，从而形成了复合板；通过这种方式，借助止裂过渡层协调基板与目标层之间组织与力学性能的差异，并且止裂过渡层具有较好的韧性，目标层具有较高的硬度，使复合板兼具较高的强度和韧性两项性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的复合板的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的复合板的结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的复合板的结构示意图三。
其中，图中各附图标记：
100、基板；200、止裂过渡层；300、目标层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，现对本发明提供的复合板制备工艺进行说明。一种复合板制备工艺，包括：
S1：制备止裂过渡层200的原料粉末，其组分为：
Si：0.5-1wt％，Mn：1.5-2wt％，Cr：22-23wt％，Ni：5-6wt％，Mo：3-4wt％，Al：1.6-2wt％，其余成分为Fe；
S2：制备目标层300的原料粉末，其组分为：
C：0.8-0.9wt％；Cr：20-21wt％，Si：2-2.5wt％，Ni：2.5-2.8wt％，B：2.2-2.5wt％，Mo：1.8-2wt％，其余成分为Fe；
S3：对基板100进行预处理，去除基板100表面的氧化膜；
S4：以95％Ar与5％N2的混合气体作为保护气，使用增材制造方式将止裂过渡层200的原料粉末堆积于基板100上，而形成止裂过渡层200，止裂过渡层200中的N含量为0.1-0.3wt％；
S5：以Ar作为保护气，使用增材制造方式将目标层300的原料粉末堆积于止裂过渡层200上，而形成目标层300，基板100、止裂过渡层200及目标层300形成复合板。
本发明提供的复合板制备工艺，与现有技术相比，加工前，先后制备含有设定质量分数的多种不同元素的粉末，以用于加工制造止裂过渡层200和目标层300，然后对基板100进行预处理后使用粉末增材制造的方式，以95％Ar与5％N2的混合气体作为保护气，在基板100上先加工止裂过渡层200，使止裂过渡层内含有0.1-0.3wt％的N元素，并借助定量的N、Al元素使止裂过渡层200韧性增大且实现止裂功能；进而在止裂过渡层200上使用粉末增材制造的方式加工目标层300，并借助B元素增加目标层300的淬透性，进而提高淬硬层的深度，以使目标层300的硬度较高，从而形成了复合板；通过这种方式，借助止裂过渡层200协调基板100与目标层300之间组织与力学性能的差异，并且止裂过渡层200具有较好的韧性，目标层300具有较高的硬度，使复合板兼具较高的强度和韧性两项性能。
本申请中通过金属粉末配方的设计与制备工艺优化实现止裂和增大硬度的效果，即当外载条件超出目标层300的性能并在目标层300产生裂纹时，裂纹扩展到止裂过渡层200会停止沿原始方向扩展，这样通过添加止裂过渡层200提高复合板的冲击韧性。其中，止裂过程层整体厚度不小于2mm。
止裂过渡层200和目标层300的元素以质量分数调配比例。其中，止裂过渡层200的元素中Mn、Si为脱氧剂，可以减少制备中合金氧化的可能性，也可以细化晶粒；Cr、Ni可以稳定奥氏体组织，Mo可以稳定铁素体组织，降低脆性；N限制在微量范围内，在少量N、Al元素的条件下，可形成稳定的铁素体、奥氏体双相组织，且晶粒细小均匀，经调整N、Al元素加入比例后，可达到止裂层的韧性要求。
而为保证目标层300的高硬度高耐磨性，目标层300的元素采用的基本设计思路是Fe-Cr-C-Ni-Mo粉末，其中调整优化C含量，碳为钢中基本组元，其含量与固溶的方式对目标层300性能产生重要影响，C含量增加有效提高硬度和耐磨性，经试验获得C含量为0.8-0.9％；Cr含量为20-21％，Cr含量较各种其他原料粉末的明显改变，并改善了目标层300的硬度。同时Si含量2-2.5％，较各种其他原料粉末的明显改变，Si作为主要的脱氧成分加入，调节整个目标层300各原料的含量比例。在另外在原料中加入B元素，含量为2.2-2.5％，增加目标层300的淬透性，在局部促进马氏体转变完全发生。
基板100采用Q235碳素结构钢，利用粉末增材制造获得的止裂过渡层200和目标层300厚度均匀，无裂纹缺陷。其止裂过渡层200测试平均维氏硬度值为263.5HV10,目标层300测试平均维氏硬度值为760.9HV10，所制备的复合板室温冲击吸收功平均值为166J/cm2。其中硬度测试分别取止裂过渡层200和目标层300厚度中间位置，取不少于5个测试点，每个测试点距离不小于1mm，测试结果偏差均不大于平均值的5％；冲击韧性测试采用GB/T229-2007标准测试方法，测试试样随机选取复合板不同位置，由目标层300向下加工10mm的标准试样，试样包含基板100、止裂过渡层200、目标层300，试样为10个，测试结果偏差均不大于平均值的5％。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，在S4中采用等离子弧粉末增材制造方式，工艺参数为：
保护气流量为12L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为3.5L/min；电流为90A；保护气延时4s；保护气提前1s。其中送粉气与离子气均为Ar气。
止裂过渡层200采用等离子弧增材制造的方式，这种方式的温度较高，可对多种不同金属进行加工，且工艺稳定性好，熔融材料的喷射速度高、堆焊层的密度高。并且使用等离子弧的加热方式沉积效率比较高，也可充分保证合金材料性能。同时设定保护气流量、离子气流量及送粉气流量的参数，以及电流、保护气延时、保护气提前的参数，保证止裂过渡层200准确、可靠地完成加工。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，在S5中采用等离子弧粉末增材制造方式，工艺参数为：
保护气流量为12.5L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为4.5L/min；电流为100A；保护气延时6s；保护气提前1s。其中送粉气与离子气均为Ar气。
同样地，目标层300的加工也采用等离子弧增材制造的方式，提高目标层300的加工效果，加工目标层300同样对保护气流量、离子气流量及送粉气流量的参数进行设定，以及电流、保护气延时、保护气提前的参数进行调整变化，保证目标层300准确、可靠地完成加工。
使用Ar作为保护气，可以提高该复合板的焊接质量，同时也使增材制造的热量集中，热影响区窄。也可以使用Ar与N2的混合气体作为保护气，可降低复合板的孔隙率水平，提高了复合板的整体表面质量。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，在S4中，增材制造方式为多道堆焊，每个焊道之间搭接率为1/3-2/3，且堆焊两层；采用多层多道堆焊的方式可以提高止裂过渡层200和目标层300的加工质量。优选的，每道焊缝之间的搭接率为1/2。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，止裂过渡层200的厚度为2-2.5mm，以使整个复合板的冲击韧性较强。优选地，止裂过渡层200的平均厚度为2.3mm。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，止裂过渡层200的原料粉末和目标层300的原料粉末的粒度为100-200目。设置原料粉末的粒度为100-200目，且为球形粉末，使原料粉末的流动性较好，且熔覆工艺性高、同时100-200目的原料粉末粒度，既不容易发生过热现象而导致的材料熔融过度，也不会出现原料粉末加热过程中获取的能量无法充分地将粉末加热至理想成形状态的情况，确保后期加工质量的致密性。在对原料粉末进行配比时需要严格称重，混合均匀后抽真空保存。这种条件下，使原料粉末一致性较好，加工过程中材料发生的冶金变化越稳定，进而保证复合板具有较高的硬度和韧性等性能。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，在S5中，增材制造方式的层间温度为200-250℃，使目标层300的加工表面较为平整，且目标层300的致密度高。同时目标层300无塌陷，内部无裂纹和气孔缺陷。
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，还包括：
S6：复合板放置于炉中随炉冷却，炉内起始温度为200-220℃，或者使用石棉瓦包裹复合板。
在基板100上先后加工止裂过渡层200和目标层300后，对复合板进行热处理，将复合板放置于200-220℃的炉内，使复合板随炉逐渐冷却以使复合板获得较高的性能。同样也可以使用石棉瓦将复合板包裹住，使复合板缓慢冷却。最后对复合板的目标层300进行加工，使其表面平齐。优选地，炉内起始温度为200℃.
请参阅图1至图3，作为本发明提供的复合板制备工艺的一种具体实施方式，在S3中去除基板100表面的氧化膜后，使用有机溶剂丙酮超声波清洗或擦拭表面，洗除打碎的氧化膜残渣，溶解并去除表面油污。在对基板100进行前处理时，先通过打磨或喷丸处理去除基板100表面氧化膜；然后将基板100放置于超声波清洗系统中，并加入有机溶剂丙酮对基板100进行超声波清洗，洗去基板100表面的氧化膜残渣，也能将基板100表面的油污溶解并去除，通过这种方式消除了基板100表面的不利因素，提高增材制造加工止裂过渡层200的质量。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合板制备工艺，其特征在于，包括：
S1：制备止裂过渡层的原料粉末，其组分为：
Si：0.5-1wt％，Mn：1.5-2wt％，Cr：22-23wt％，Ni：5-6wt％，Mo：3-4wt％，Al：1.6-2wt％，其余成分为Fe；
S2：制备目标层的原料粉末，其组分为：
C：0.8-0.9wt％；Cr：20-21wt％，Si：2-2.5wt％，Ni：2.5-2.8wt％，B：2.2-2.5wt％，Mo：1.8-2wt％，其余成分为Fe；
S3：对基板进行预处理，去除所述基板表面的氧化膜；
S4：以95％Ar与5％N2的混合气体作为保护气，使用增材制造方式将止裂过渡层的原料粉末堆积于所述基板上，而形成止裂过渡层，所述止裂过渡层中的N含量为0.1-0.3wt％；止裂过渡层采用等离子弧增材制造的方式；
S5：以Ar作为保护气，使用增材制造方式将目标层的原料粉末堆积于所述止裂过渡层上，而形成目标层，所述基板、所述止裂过渡层及所述目标层形成复合板；目标层采用等离子弧增材制造的方式；增材制造方式的层间温度为200-250℃；
S6：所述复合板放置于炉中随炉冷却，炉内起始温度为200-220℃，或者使用石棉瓦包裹所述复合板；
止裂过渡层具有韧性，目标层具有硬度，复合板兼具强度和韧性两项性能。
2.如权利要求1所述的复合板制备工艺，其特征在于，在S4中工艺参数为：
保护气流量为12L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为3.5L/min；电流为90A；保护气延时4s；保护气提前1s。
3.如权利要求2所述的复合板制备工艺，其特征在于，在S5中工艺参数为：
保护气流量为12.5L/min；离子气流量为1.75L/min；送粉气流量为4.5L/min；电流为100A；保护气延时6s；保护气提前1s。
4.如权利要求1所述的复合板制备工艺，其特征在于，在S4中，增材制造方式为多道堆焊，每个焊道之间搭接率为1/3-2/3，且堆焊两层。
5.如权利要求1所述的复合板制备工艺，其特征在于，所述止裂过渡层的厚度为2-2.5mm。
6.如权利要求1所述的复合板制备工艺，其特征在于，所述止裂过渡层的原料粉末和所述目标层的原料粉末的粒度为100-200目。
7.如权利要求1所述的复合板制备工艺，其特征在于，在S3中去除所述基板表面的氧化膜后，使用有机溶剂丙酮超声波清洗或擦拭表面，洗除打碎的氧化膜残渣，溶解并去除表面油污。
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