CN116516257B - 一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐磨合金领域，具体涉及一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。本发明克服现有耐磨合金及其激光熔覆层难以兼顾耐磨性、结合强度、抗冲击性等的缺陷和不足，提供一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。通过控制耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.06‑0.09%，Si：0.1‑0.3%，Mn：3‑5%，Cr：5‑8%，V：0.5‑0.9%，Mo：1‑1.5%，W：0.5‑0.8%；余量为Fe；再经雾化工艺和激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层，得到的激光熔覆层的平均硬度在910HV以上；耐磨性、抗冲击性和抗磨损性优良。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨合金领域技术领域，尤其涉及一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，各类设备中合金零部件的强度和磨损严重影响了设备的工作效率。磨损是合金材料失效的主要形式之一，每年导致巨大的经济损失。耐磨合金具有高硬度、高耐磨性的特点，但结合强度不高，抗冲击性能有待改善。在制备耐磨合金层过程中合金的组织中可能出现网状碳化物，降低抗冲击和结合强度，不利于耐磨合金层的使用。因此，改善耐磨合金的耐磨性、结合强度和抗冲击性，具有重要意义。激光熔覆能制备高性能涂层，从而提高材料的表面硬度、结合强度、耐磨性等性能。将耐磨合金材料通过激光熔覆制备激光熔覆层可以提高耐磨材料的硬度、耐磨性、抗冲击性等力学性能。现有的耐磨合金还存在各种各样的问题，如制造成本较高，难以控制激光熔覆后的残余应力和裂纹敏感性，难以兼顾耐磨性、抗冲击性等。如专利文献1（CN110669997A）中存在硬度较低导致耐磨性不佳等问题，如沉积层的硬度基本低于400HV。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法，以解决现有耐磨合金及其激光熔覆层难以兼顾耐磨性、结合强度、抗冲击性等的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种高耐磨合金的制备方法，其特征在于，耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.06-0.09%，Si：0.1-0.3%，Mn：3-5%，Cr：5-8%，V：0.5-0.9%，Mo：1-1.5%，W：0.5-0.8%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1790-1820℃，雾化压力为1.2-1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为30-45μm；
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：800-1200W，激光扫描速度：14-18mm/s，送粉速度为30-45g/min；激光光斑直径1mm-2mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层。
本发明中的C含量有固溶强化的作用，过多会导致激光熔覆层结合强度的降低，还可能出现网状碳化物，降低激光熔覆层的性能。适量Si含量可促进硬质相的形成。本发明的C、Si在激光熔覆过程中可形成α-碳化硅硬质相，起到提高硬度和结合强度的作用。Cr可形成(Fe，Cr)3C相，进而降低降低激光熔覆层的裂纹敏感性，提高耐磨性能，并改善抗冲击性能；Mo、W可形成Fe3(W，Mo)C、W2C等相，改善材料的结合强度、硬度和耐磨性、抗冲击性能等。适当的Mn含量还能形成(Fe，Mn)3C，有利于材料的耐磨性和抗冲击性能。V有利于材料的结合强度和耐磨性，还能降低晶界碳化物，有利于抗冲击性能的提高。
特别地，C含量为0.07%、Si含量为0.2%时，更有利于发挥C、Si在激光熔覆过程的作用，提高硬度和结合强度的作用更为显著。
优选地，Mn：4%；优选地，Cr：6%；优选地，Mo：1.2%；优选地，W：0.6%；优选地，V：0.7%。材料的耐磨性能和抗冲击性能较好。
雾化温度对粉末状的耐磨合金的各类碳化物形貌和大小有影响，得出了最佳的雾化温度为1800℃，此时制备得到的激光熔覆层整体性能较好。雾化压力优选为1.3MPa。
激光功率过大，会导致激光熔覆层晶粒变大，激光熔覆层会出现不平、微细孔洞等不良现象；激光功率过小，会出现少量柱状晶等，不利于激光熔覆层的力学性能。优选地，激光功率为900W。激光扫描速度过低，激光熔覆层的组织变大，硬度降低，不利于耐磨性和抗冲击性能的提高；激光扫描速度过高，激光熔覆层的稀释率提高也不利于激光熔覆层的力学性能。优选地，激光扫描速度为16mm/s。
送粉速度会影响激光熔覆层的球化程度、碳化物分布均匀和成分偏析等，优选地，送粉速度为36g/min。激光光斑直径过大或过小会导致熔覆时的熔池成分不均匀，不利于激光熔覆层的结合强度、耐磨性和抗冲击性能的改善。优选地，激光光斑直径为1.5mm。
本发明激光熔覆层的制备方法简单，成本较低。本发明制得的激光熔覆层的平均硬度在910HV以上；在基材表面形成的激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；激光熔覆层具有良好的耐磨性能，表面无裂纹、孔洞等缺陷，并且具有良好的耐蚀性。
本发明的有益效果：
本发明克服现有耐磨合金及其激光熔覆层难以兼顾耐磨性、结合强度、抗冲击性等的缺陷和不足，提供了一种高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。本发明通过合金成分含量选取、雾化工艺和激光熔覆工艺调整，获得了制备简单、低成本的激光熔覆层的制备方法；激光熔覆层的平均硬度在910HV以上；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.13mg以下。在基材表面形成的激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固。 抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数不小于78次。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例1
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：800W，激光扫描速度：18mm/s，送粉速度为30g/min；激光光斑直径2mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.06%，Si：0.3%，Mn：3%，Cr：8%，V：0.5%，Mo：1%，W：0.8%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1790℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为30μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为915HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.13mg。激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；表面无裂纹、孔洞缺陷，具有良好的耐蚀性。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：81次。
实施例2
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：1200W，激光扫描速度：14mm/s，送粉速度为45g/min；激光光斑直径1mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.09%，Si：0.1%，Mn：5%，Cr：5%，V：0.9%，Mo：1.5%，W：0.5%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1820℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为45μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为919HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.127mg。激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；表面无裂纹、孔洞缺陷，具有良好的耐蚀性。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：78次。
实施例3
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：1200W，激光扫描速度：14mm/s，送粉速度为45g/min；激光光斑直径1mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.07%，Si：0.2%，Mn：5%，Cr：5%，V：0.9%，Mo：1.5%，W：0.5%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1820℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为45μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为930HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.11mg。激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；表面无裂纹、孔洞缺陷，具有良好的耐蚀性。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：80次。
实施例4
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：1200W，激光扫描速度：14mm/s，送粉速度为45g/min；激光光斑直径1mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.07%，Si：0.2%，Mn：4%，Cr：6%，V：0.7%，Mo：1.2%，W：0.6%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1820℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为45μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为955HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.104mg。激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；表面无裂纹、孔洞缺陷，具有良好的耐蚀性。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：86次。
实施例5
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：900W，激光扫描速度：16mm/s，送粉速度为36g/min；激光光斑直径1.5mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.07%，Si：0.2%，Mn：4%，Cr：6%，V：0.7%，Mo：1.2%，W：0.6%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1800℃，雾化压力为1.3MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为40μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为997HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.08mg。激光熔覆层均匀致密，与基材的结合强度牢固；表面无裂纹、孔洞缺陷，具有良好的耐蚀性。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：89次。
对比例1
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：820W，激光扫描速度：14mm/s，送粉速度为32g/min；激光光斑直径2mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.4%，Si：0.05%，Mn：5%，Cr：12%，V：0.2%，Mo：3%，W：1.5%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1815℃，雾化压力为1.45MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为31μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为705HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.26mg。激光熔覆层较均匀，与基材的结合强度较牢固；表面有少许裂纹、孔洞等缺陷。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：55次。
对比例2
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：2000W，激光扫描速度：20mm/s，送粉速度为60g/min；激光光斑直径5mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.06%，Si：0.3%，Mn：3%，Cr：8%，V：0.5%，Mo：1%，W：0.8%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1790℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为30μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为664HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.29mg。激光熔覆层一般均匀，与基材的结合强度较低；表面有少许裂纹、孔洞等缺陷。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：56次。
对比例3
一种激光熔覆层的制备方法，采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，激光熔覆工艺参数为：激光功率：1500W，激光扫描速度：10mm/s，送粉速度为40g/min；激光光斑直径2mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；
其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.01%，Si：0.5%，Mn：1%，Cr：3%，V：2%，Ti：0.3%，Nb：0.2%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1750℃，雾化压力为1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为42μm。
测试：基材采用10Cr17不锈钢，在基材上经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层的厚度为3mm。制得的激光熔覆层的平均硬度为648HV；采用UMT-3可控环境摩擦磨损试验机进行抗磨损试验：压力100N，转速300r/min，时间90min，磨损量0.28mg。激光熔覆层一般均匀，与基材的结合强度较低；表面有少许裂纹、孔洞等缺陷。抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，120MPa力冲击下，激光熔覆层开始出现裂痕的冲击次数：51次。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光熔覆层的制备方法，包括采用高耐磨合金的制备方法制备得到的粉末状的耐磨合金作为原料，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光功率：800-1200W，激光扫描速度：14-18mm/s，送粉速度为30-45g/min；激光光斑直径1mm-2mm；保护气体为氩气；经激光熔覆工艺处理后得到激光熔覆层；其中，高耐磨合金的制备方法：耐磨合金成分含量的质量百分比计为，C：0.06-0.09%，Si：0.1-0.3%，Mn：3-5%，Cr：5-8%，V：0.5-0.9%，Mo：1-1.5%，W：0.5-0.8%；余量为 Fe；按上述质量百分比称量耐磨合金原料并将其混合得到混合物；将混合物熔化，再经雾化和球磨后得到粉末状的耐磨合金；其中，雾化温度为1790-1820℃，雾化压力为1.2-1.5MPa；粉末状的耐磨合金的粒径为30-45μm。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述C含量为0.07%、Si含量为0.2% 。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述Mn含量为4%。
4.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述Cr含量为6%。
5.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述Mo含量为1.2%。
6.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述W含量为0.6%，V含量为0.7%。
7.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述雾化温度为1800℃，雾化压力为1.3MPa。
8.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述激光功率为900W。
9.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述激光扫描速度为16mm/s。
10.根据权利要求1或2所述的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，所述送粉速度为36g/min。
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