CN116657130B - 一种等离子熔覆用铁基合金粉末及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子熔覆用铁基合金粉末及其制备方法和应用，属于合金材料技术领域；本发明提供的等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：25‑40％Mo、1‑5％Ni、1‑5％Cr、1‑4％B、0‑3％CeO2、余量为Fe。本发明提供的一种等离子熔覆用铁基合金粉末通过选择合适质量百分数的组分，并且控制其他元素的含量在一定范围内，从而能够实现将其采用等离子熔覆的方式应用于后续熔覆层的制备上，且得到的熔覆层具有优异的硬度、强韧性和耐磨性，且与基体冶金材料结合良好。并且提供的等离子熔覆用铁基合金粉末以及熔覆层的制备方法简单，有利于实际生产利用。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种等离子熔覆用铁基合金粉末及其制备方法和应用。
背景技术
我国科技的快速发展对不同工作环境下的工件材料提出更严苛的要求。在工业领域中传统材料逐渐无法满足生产应用对性能的需求，其中冶金、石化、核电、火电、航空航天等行业高温高载荷条件下工件的耐磨性能提升更是研究难点。为了解决上述问题，研究人员通过表面熔覆技术，对工件进行修复和强化，减少了生产成本和材料的浪费，同时增强了工件表面的耐磨损和耐腐蚀等性能。等离子熔覆技术是表面工程领域的关键技术之一，具有熔覆材料适用性广、工艺可控性好、工作环境要求低、设备成本较低且操作简单等特点。利用等离子熔覆技术，可以根据性能需求在基体材料表面制备耐磨熔覆层，提高基体材料表面耐磨性能。
熔覆层的性能与熔覆材料密切相关，相比钴基、镍基合金而言，铁基合金粉末由于价格低廉得到广泛应用。我国硼资源丰富且成本低廉，硼与合金元素生成的各类硼化物增强相具有比碳化物更高的硬度以及热稳定性，在耐磨损领域也有着广阔的应用前景。在硼化物增强铁基材料体系中，二元硼化物不稳定，易与基体粘结金属反应形成三元硼化物。B元素与其它元素反应形成Fe2B和Mo2FeB2等多种类型的二元及三元硼化物硬质相，具有高硬度及高温稳定性等优点。由于硼化物硬质相的反应析出行为受材料成分及制备工艺极大的影响，Fe2B和Mo2FeB2等呈现的不同形态、尺寸分布，都会对材料耐磨性能产生影响。Cr元素为铁素体形成元素，在基体中具有高溶解度，在高温加热下具有抗氧化脱碳的作用，硼碳化物中的部分Fe元素会被Cr元素取代，部分基体组织由珠光体和铁素体转变为马氏体，硬度及耐磨性上升，改善硬质相分布形态和力学性能。Mo元素的加入促使富Mo和富Cr的复合二元硼化物M2B生成，耐磨性提高。Ni为γ-Fe形成元素，Ni能提高熔覆层韧性，改善熔覆层组织和力学性能。另外，添加部分稀土元素，可以抑制裂纹的产生，调控Mo2FeB2硼化物的晶粒尺寸及形态分布。因此，对熔覆层的硼化物组织进行调控，开发硼化物强化的耐高温、耐磨、高硬度、高强韧、低稀释率、无冶金缺陷的等离子熔覆层具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种能够使得熔覆层具有较高的硬度和强韧性，并且具有良好的耐磨性以及与基体材料冶金结合良好的等离子熔覆用铁基合金粉末及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种等离子熔覆用铁基合金粉末，所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：25-40％Mo、1-5％Ni、1-5％Cr、1-4％B、0-3％CeO2、余量为Fe。
本发明提供的等离子熔覆用铁基合金粉末通过优选合适添加量的Mo、Ni、Cr、B和CeO2，从而能够实现组分间的相互配合，从而将得到的等离子熔覆用铁基合金粉末用于后续的熔覆层的制备上时，得到的熔覆层具有优异的硬度和强韧性，并且具有良好的耐磨性以及与基体材料冶金结合良好。
作为本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末的优选实施方式，所述等离子熔覆用铁基合金粉末还包括La2O3或Y2O3。
作为本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末的优选实施方式，以等离子熔覆用铁基合金粉末计，La2O3或Y2O3的质量百分数为1-3％。
发明人研究发现，在体系内进一步引入特定质量百分数的La2O3或Y2O3时，得到的产品用于熔覆层的制备上时，得到的熔覆层的综合性能更优；具体地，加入的La2O3或Y2O3能够降低制备过程中熔池的温度梯度和熔覆层的残余应力，降低裂纹的产生，获得表面平整的熔覆层，同时还能调控硼化物的形态尺寸，进而提升熔覆层整体性能。
作为本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末的优选实施方式，所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：30-35％Mo、2-3％Ni、4-5％Cr、2-3％B、1-3％CeO2、余量为Fe。
进一步优选地，所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：30％Mo、2％Ni、4％Cr、3％B、2％CeO2、余量为Fe。
发明人研究发现，进一步优选组分的质量百分数在上述范围内时，尤其是上述点值时，将得到的等离子熔覆用铁基合金粉末用于后续的熔覆层的制备上时，得到的熔覆层的硬度和强韧性更为优异，且耐磨性也更优。
作为本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末的优选实施方式，以等离子熔覆用铁基合金粉末计，C≤0.02％、Si≤0.10％、P≤0.015％、S≤0.01％。
发明人研究发现，采用本发明的技术方案得到的产品中，其他元素，如C、Si、P和S的含量需要控制在上述范围内；若超过出了本发明给出的范围，则会对产品后续制备得到的熔覆层的性能带来影响，降低其硬度和强韧性，且耐磨性也有所下降。
另外，本发明还提供了一种所述等离子熔覆用铁基合金粉末的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末与剩余组分粉末混合，得等离子熔覆用铁基合金粉末。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末采用真空气雾化制备而成，所述Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末的粒度为100-200目。
优选地，所述Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末的制备方法为：将Fe粉、Cr粉、Mo粉、Ni粉和B粉按照合金所需成分进行配料，将配好的料通过置于熔炼炉中，在真空系统进行熔炼，将金属溶液熔化后，，控制过热度为150℃，雾化压力为5.5MPa，在真空气雾化设备中进行雾化，将冷却后的雾化粉末收集后过筛，得粒度为100-200目Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述剩余组分粉末的粒度为100-200目；所述剩余组分粉末为CeO2粉末，或为CeO2粉末和La2O3粉末的混合粉末，或为CeO2粉末和Y2O3粉末的混合粉末。
优选地，所述CeO2粉末、La2O3粉末和Y2O3粉末的纯度都≥99.99％。
另外，本发明还提供了一种熔覆层，所述熔覆层采用本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末制备而成。
另外，本发明还提供了所述熔覆层的制备方法，所述制备方法为采用本发明所述等离子熔覆用铁基合金粉末进行等离子熔覆，等离子熔覆的基体为Cr5钢，送粉方式为同步送粉，送粉速率为8-9g/min。熔覆电流为95-105A，熔覆速度为2.5-3.5mm/s，熔覆层多道搭接率为35-45％，熔覆保护气为惰性气体。
优选地，等离子熔覆的基体为Cr5钢，送粉方式为同步送粉，送粉速率为8.5g/min。熔覆电流为100A，熔覆速度为3mm/s，熔覆层多道搭接率为40％，熔覆保护气为氩气。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种等离子熔覆用铁基合金粉末通过选择合适质量百分数的组分，并且控制其他元素的含量在一定范围内，从而能够实现将其采用等离子熔覆的方式应用于后续熔覆层的制备上，且得到的熔覆层具有优异的硬度、强韧性和耐磨性，且与基体冶金材料结合良好；具体地，将得到的等离子熔覆用铁基合金粉末采用等离子熔覆技术得到的熔覆层的平均显微硬度为980HV0.5、耐磨性良好且表现为轻微的磨粒磨损和粘着磨损、无开裂现象。并且提供的等离子熔覆用铁基合金粉末以及熔覆层的制备方法简单，有利于实际生产利用。
附图说明
图1为效果例2中熔覆层的宏观形貌图；
图2为效果例2中熔覆层尺寸分布及面积分布图；
图3为效果例2中熔覆层XRD结果图；
图4为效果例2中熔覆层金相组织结果图；
图5为效果例2中熔覆层显微硬度云图；
图6为效果例2中熔覆层磨痕三维形貌图；
图7为效果例2中熔覆层磨损形貌图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本领域常规试剂、方法和设备。
实施例1-11
本发明实施例1-11提供一种等离子熔覆用铁基合金粉末，所述等离子熔覆用铁基合金粉末的组分含量(质量百分数，％)如表1所示：
表1
实施例3中等离子熔覆用铁基合金粉末的制备方法为：
(1)Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末的制备：将Fe粉、Cr粉、Mo粉、Ni粉和B粉按照合金所需成分进行配料，在真空系统进行熔炼，将金属溶液熔化后，升温至熔点以上一定，控制过热度为150℃，雾化压力为5.5MPa，在真空气雾化设备中进行雾化将冷却后的雾化粉末收集后过筛，得粒度为100目Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末；
(2)等离子熔覆用铁基合金粉末的制备：将粒度为100目的CeO2粉末选用机械混合的方法添加入步骤(1)制备的Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末中，将配好的两种粉末放入V形粉末混合机进行4小时，直至混合充分，得等离子熔覆用铁基合金粉末。
实施例1-2和实施例4-11的制备方法同实施例3，若没有相关组分，则不加即可；若增加了La2O3粉末和Y2O3粉末，则在步骤(2)中将其与步骤(1)制备的Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末在V形粉末混合机进行4小时，直至混合充分即可。
对比例1-10
本发明对比例1-10提供一种等离子熔覆用铁基合金粉末，所述等离子熔覆用铁基合金粉末的组分含量(质量百分数，％)如表2所示：
表2
对比例1-10的制备方法同实施例3，若没有相关组分，则不加即可；若增加了La2O3粉末和Y2O3粉末，则在步骤(2)中将其与步骤(1)制备的Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末在V形粉末混合机进行4小时，直至混合充分即可。
效果例1
将实施例1-11和对比例1-10制备得到的等离子熔覆用铁基合金粉末进行等离子熔覆，得相应的熔覆层，具体的等离子熔覆的参数为：等离子熔覆的基体为Cr5钢，送粉方式为同步送粉，送粉速率为8.5g/min。熔覆电流为100A，熔覆速度为3mm/s，熔覆层多道搭接率为40％，熔覆保护气为氩气。对制备得到的相应的熔覆层进行以下性能检测：
1、利用HR-150A洛氏硬度计进行熔覆层的洛氏硬度测试，选取熔覆层表面不同区域进行8次测试，去除最大值和最小值后取平均值；
2、利用美国BUEHLER的WILSON VH1202型显微维氏硬度计进行显微硬度测试，对熔覆层表面以及截面区域完成显微硬度测试，得平均硬度，施加载荷为5N，加载时长为10s，测试点间隔为0.25mm，并记录测试数据；
3、利用线切割切取尺寸为10mm×20mm的试样，将熔覆试样进行打磨抛光保持表面平整光滑。利用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机，对熔覆层试样进行摩擦磨损试验，摩擦副采用GCr15磨球，直径为7mm，载荷选取50N，对磨时间为30分钟。摩擦磨损试验结束前后对试样进行称重，计算得到磨损失重，利用BRUKER光谱仪对磨损后等离子熔覆试样进行扫描分析获得磨痕的二维轮廓和三维形貌，计算得到磨损体积V；
得到的结果如表3所示：
表3
从表3中可以看出，当采用本发明的技术方案时，得到的产品的硬度高、耐磨性好，具体地，得到的熔覆层的洛氏硬度在71.2HRC以上，显微镜硬度在935.64HV0.5以上，磨损失重在0.28mg以下，磨损体积在0.00318mm3以下；
从实施例3和对比例1-8中可以看出，当组分的质量百分数不在本发明范围内时，得到的产品的综合性能呈现出明显的下降趋势；从实施例3和对比例9-10中可以看出，当其他微量组分的含量过多时，也会明显降低熔覆层的性能。
效果例2
在效果例1的基础上对采用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层进一步研究，并进行图形的记录与分析，包括以下几个方面：
1、根据测试所需尺寸，利用线切割方法从制备的熔覆层上切割出不同尺寸熔覆层试样。为了便于后续的打磨抛光，利用热镶法和冷镶法对熔覆层试样进行镶嵌。经过砂纸打磨以及抛光处理后，得到表面平整无划痕样品，采用2mL HNO3，2mL HF和50mL去离子水混合溶液蚀刻90秒。随后利用苏州汇光的HSH-200C平面测量显微镜，对熔覆层的截面形貌进行观察，观察分布均匀性以及尺寸、数量和形态分布：
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层宏观形貌如图1(a：实施例1CeO20％、b：实施例2CeO2 1％、c：实施例3CeO2 2％、d：实施例4CeO2 3％)所示，与未添加CeO2熔覆层相比，添加适量的CeO2或稀土氧化物后能够起到净化熔池、增强液态金属流动性的作用，降低熔池的温度梯度和熔覆层残余应力，降低裂纹产生，获得表面平整的熔覆层；但是过多的CeO2添加量达不到改善熔覆成形的目的，相反会降低液态金属的流动性，使得熔池元素分布不均匀，导致熔覆层组织分布不均以及产生裂纹等缺陷。
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层的尺寸及面积分数如图2(a：尺寸、b：面积分数)所示，不同CeO2添加量的条件下出现明显差异，CeO2的添加对硼化物硬质相的析出行为产生明显的影响。Mo2FeB2硬质相析出数量随着CeO2添加量呈先增大后减小的趋势，同时产生较明显细化作用，当CeO2添加为2％时，析出Mo2FeB2颗粒最致密且尺寸最小。
2、利用型号Smartlab 9KW的高分率X射线衍射仪对等离子熔覆试样的物相组成进行分析，测试采用Cu靶，扫描角度为10°到90°，扫描步长为0.01°：
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层的物相组成XRD结果如图3(a：实施例1CeO2 0％、b：实施例2CeO2 1％、c：实施例3CeO2 2％、d：实施例4CeO2 3％)所示，根据XRD分析结果可知，熔覆层主要由固溶体Fe(Ni、Cr)、Mo2FeB2、Fe2B和Fe3B组成，不同CeO2添加量的熔覆层物相组成基本相同。实验中发现添加CeO2或稀土氧化物后的熔覆层，Mo2FeB2硼化物硬质相衍射峰强度增强，当CeO2含量为2％时，Mo2FeB2衍射峰强度增强，而铁基体以及共晶硼化物衍射峰强度有所下降，此时熔覆层物相以析出物Mo2FeB2硬质相以及基体粘接剂为主。添加适量的CeO2能够对熔覆层中各组成相的相对含量进行调控，从而改善熔覆层性能。
3、利用德国蔡司的数字化金相显微镜Ario Imager观察熔覆层金相组织：
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层的金相组织结果如图4(a、b：实施例1CeO2 0％、c、d：实施例2CeO2 1％、e、f：实施例3CeO2 2％、g、h：实施例4CeO2 3％、)所示，从熔覆层显微形貌可以看出，熔覆层组织主要由各种形态的块状三元硼化物硬质相Mo2FeB2、二元共晶硼化物以及铁基体组成。在熔覆层熔合线附近可以观察到分界线并有明显扩散层，未发现气孔裂纹等冶金缺陷，表明熔覆材料和母材在等离子弧热源下产生良好的冶金结合。图4(a)和(b)为没有添加CeO2熔覆层显微形貌，熔覆层中析出的Mo2FeB2颗粒的形态、尺寸、数量和分布出现较大差异。图4(c)和(d)为添加1％ CeO2熔覆层显微形貌，Ce活性元素增加了液态金属的流动性，降低了凝固过冷度和成分偏析，使组织均匀化，Mo2FeB2颗粒产生明显的细化现象并且析出数量明显上升，形态转变为大量的细小方块状均匀分布。由图4(e)和(f)可以看出，添加2％的CeO2对Mo2FeB2硬质相颗粒产生进一步的细化作用，Mo2FeB2硬质相颗粒在熔池中优先析出。由图4(g)和(h)可以看出，随着CeO2含量的增加，3％ CeO2的添加对Mo2FeB2硬质相颗粒细化作用反而降低，Mo2FeB2硬质相颗粒数量减少且粗化。
4、利用美国BUEHLER的WILSON VH1202型显微维氏硬度计进行显微硬度测试：
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层的显微硬度云图如图5所示，熔覆层未添加CeO2时，熔覆层的硬度分布极不均匀，硬度值差异较大，600-700HV0.5的低硬度值区域较大。当添加1％CeO2后，由于熔覆层中Mo2FeB2硬质相颗粒数量增多，颗粒尺寸减小，分布更均匀，因此硬度值差异减小，熔覆层的硬度分布均匀性明显改善，并且整体硬度得到显著提高。当添加2％ CeO2后，熔覆层由密集分布的细小Mo2FeB2硬质相颗粒组成，硬度值进一步提高，熔覆层的硬度分布比较均匀。当添加3％ CeO2后，析出Mo2FeB2硬质相颗粒减少，硬度值反而降低，熔覆层的硬度分布均匀性有所下降。由此可见，添加适量的CeO2，能够使熔池加快流动速度，减少成分偏析，Mo2FeB2硬质相颗粒的析出数量增加且更均匀，进而提高熔覆层硬度。另外，随着CeO2含量的增加，熔覆层显微硬度呈先增大后减小的趋势，CeO2含量为2％时硬度最高达到980.00HV0.5。熔覆层硬度的提高主要是由于Mo2FeB2硬质相颗粒的析出，但是当CeO2的添加量超过一定值时，过多的CeO2导致使液态金属的流动性降低，反而抑制Mo2FeB2硬质相颗粒的析出，阻碍Mo2FeB2硬质相颗粒的生长，导致熔覆层硬度降低。
5、利用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机进行磨损试验：
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层磨痕三维形貌如图6(a：实施例1CeO2 0％、b：实施例2CeO2 1％、c：实施例3CeO2 2％、d：实施例4CeO2 3％)所示。未添加CeO2的试样，磨痕呈现较深较宽的凹坑；添加1％ CeO2后，析出Mo2FeB2颗粒大幅增加，凸起的颗粒增大表面粗糙度；添加量为2％时，熔覆层由密集相互连接的Mo2FeB2组成，随着CeO2添加量增大，熔覆层磨损体积呈先减小后增大的趋势，CeO2添加量为2％时耐磨性能最好。
利用实施例1-4制备得到的产品形成的熔覆层的磨损形貌图如图7(a、b、c：实施例1CeO2 0％、d、e、f：实施例2CeO2 1％、g、h、i：实施例3CeO2 2％、j、k、l：实施例4CeO2 3％)所示。未添加CeO2的熔覆层，由于Mo2FeB2颗粒含量较低，硬度较低，在对磨球的往复推挤的剪切力作用下，磨损表面出现严重的层状剥落现象。图7(d-f)为添加1％ CeO2熔覆层磨损形貌，观察到表层有轻微切削划痕的磨粒磨损和粘着磨损特点。图7(g-i)为添加2％ CeO2熔覆层磨损形貌，随着稀土氧化物的添加，熔覆层中Mo2FeB2颗粒密集相连组成较平滑表面，同时高硬度硬质相抵抗对磨球的压入，熔覆层的硬度和耐磨性得到提高，磨痕深度最小，出现轻微氧化现象，表现为轻微的粘着磨损和氧化磨损。图7(j-l)为添加3％ CeO2熔覆层磨损形貌，过量CeO2的添加导致Mo2FeB2析出受到抑制，硬度下降，由于Mo2FeB2起主要耐磨作用，熔覆层出现层状剥落现象，磨损机制主要表现为粘着磨损现象。
最后应当说明的是，以上实施例以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种等离子熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：25-40％Mo、1-5％Ni、1-5％Cr、1-4％B、1-3％CeO2、余量为Fe；
或所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：25-40％Mo、1-5％Ni、1-5％Cr、1-4％B、1-3％CeO2、1-3％La2O3或Y2O3、余量为Fe；
以等离子熔覆用铁基合金粉末计，C≤0.02％、Si≤0.10％、P≤0.015％、S≤0.01％。
2.根据权利要求1所述的等离子熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述等离子熔覆用铁基合金粉末包括以下质量百分数的组分：30％Mo、2％Ni、4％Cr、3％B、2％CeO2、余量为Fe。
3.如权利要求1-2任一项所述等离子熔覆用铁基合金粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末与剩余组分粉末混合，得等离子熔覆用铁基合金粉末。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末采用真空气雾化制备而成，所述Fe-Cr-Mo-Ni-B合金粉末的粒度为100-200目。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述剩余组分粉末的粒度为100-200目；所述剩余组分粉末为CeO2粉末，或为CeO2粉末和La2O3的混合粉末，或为CeO2粉末和Y2O3的混合粉末。
6.一种熔覆层，其特征在于，所述熔覆层采用如权利要求1-2任一项所述的等离子熔覆用铁基合金粉末制备而成。
7.如权利要求6所述的熔覆层的制备方法，其特征在于，所述制备方法为采用如权利要求1-2任一项所述的等离子熔覆用铁基合金粉末进行等离子熔覆，等离子熔覆的基体为Cr5钢，送粉方式为同步送粉，送粉速率为8-9g/min；熔覆电流为95-105A，熔覆速度为2.5-3.5mm/s，熔覆层多道搭接率为35-45％，熔覆保护气为惰性气体。
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| Fe-Cr-Mo-Ni-B 等离子熔覆层组织与性能的工艺调控研究;吴耀遷等;《热加工工艺》;第1、4节 * |
| 吴耀遷等.Fe-Cr-Mo-Ni-B 等离子熔覆层组织与性能的工艺调控研究.《热加工工艺》.2023,第1、4节. * |
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