CN116752052A - 一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料及其制备方法 - Google Patents
一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料及其制备方法，所述熔覆层的成分按质量百分比为：Co：10～30％、Mo：0～30％、W：0～30％、Ni：0～10％、增强相：0～30％、C：0.1～0.5％、Si：0.2～0.8％，余量为Fe；本发明的熔覆层克服了传统修复材料中高铬铸铁耐磨性不足且热处理易变形、硬质合金加工难度大且易开裂的问题，大大降低了生产成本。本发明提供的熔覆层表现出优异的热硬性、耐时效性、抗冲击性、耐腐蚀性、耐氧化性以及易加工性。
Description
技术领域
本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料及其制备方法。该材料作为高温应用环境中的熔覆层材料具有很大的性能优势及潜力。
背景技术
随着工业技术的不断发展，性能单一的材料不足以满足工业领域的应用，大量零部件往往会在高温高压、冷热交替、酸碱腐蚀等十分恶劣的工况条件下使用，导致零件表面往往会出现磨损，开裂，剥落等现象，从而大大缩短了零件的使用效率和使用寿命，产生极大的材料浪费，造成严重的经济损失甚至安全事故。
目前，熔覆材料主要包括Fe基、Co基、Ni基及金属-陶瓷复合粉末。其中，Fe基合金熔覆层虽然具有成本低、可焊性好、与钢基体润湿性好等优点，具有广阔的应用前景。但是，Fe基合金熔覆层的硬度和耐磨性需要进一步提高。Co基合金具有优异的高温性能，在高温条件下，仍能正常服役；Ni基合金具有优异的耐腐蚀性能，良好的高温抗氧化性能，广泛应用于650℃～1000℃的高温环境下。但是Ni和Co组元属于稀缺金属，价格昂贵，大幅度增加了材料的成本。金属-陶瓷复合粉末具有高的硬度和优异的耐磨性。但是，陶瓷颗粒与基体之间的热膨胀系数差异较大，使得熔覆层易出现开裂和脱落等现象，且熔覆层的韧性较低。专利202111595481.1公开发表了一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺。其组成成分为(重量百分比)：高碳铬铁0％-10％、铬粉35％-55％、锰粉1％-7％、硅铁1％-5％、镍粉10％-16％、钼铁1％-7％、铌铁1％-7％、钒铁1％-7％、氮化铬0％-7％，余量为铁粉；该药芯焊丝的组成成分属于典型的高铬铸铁类材料，其主要以M3C、M7C3和M23C6等碳化物作为弥散强化相，导致在高温下的硬度和耐磨性不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，该熔覆材料与基体具有良好的界面结合，具有高硬度，耐氧化，耐腐蚀，耐磨损且易加工等优势。尤其应用在中高温环境中。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其中，所述熔覆材料的成分按质量百分比分别为：Co：10～30％、Mo：0～30％、W：0～30％、Ni：0～10％、增强相：0～30％、C：0.1～0.5％、Si：0.2～0.8％，余量为Fe；
上述熔覆材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、按上述成分称取原材料粉末，并置于三维混料机中进行混粉；
步骤二、将步骤一所得混合粉末预制成压条或制成药芯焊丝，并置于真空干燥箱中干燥；
步骤三、用砂轮机将钢基体表面打磨清洗干净后置于氩气气氛中预热；
步骤四、采用氩弧熔覆技术，将步骤二中所得预制熔覆块或焊丝置于钢基体表面进行熔覆，先熔覆一层过渡层，再熔覆多层工作层，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；
步骤五、将步骤四所得熔覆层直接进行时效处理，以达到使用要求。
优选的，所述原材料粉末为元素粉或预合金粉末中的一种或多种；所述增强相为TiC、TiCN、Al2O3、SiC、TiB2等难熔陶瓷相中的至少一种。
优选的，步骤四中，氩弧熔覆工艺参数为：熔覆电流120A～150A，熔覆速度2mm/s～4mm/s，氩气作为保护气体，氩气纯度大于99.9％，气流量为5L/min～8L/min。
优选的，步骤五中，时效处理温度为500～800℃，时间为0.1h～8h；峰值时效硬度出现在520～630℃温度区间。
上述熔覆材料亦可以粉末、药芯焊丝或实心焊丝等形态用于常规电弧堆焊、热喷涂、激光熔覆、等离子熔覆、电子束熔覆等行业。
上述制备的沉淀硬化型熔覆材料可以改善传统修复材料中高铬铸铁类材料耐磨性不足，硬质合金类材料难加工的问题，大大降低了工件的加工成本；可在服役于高温高压以及耐酸碱等恶劣工况的工件修复层中应用；服役环境可达600～800℃；熔覆态硬度为430～550HV0.5，易于加工；熔覆后直接时效处理后硬度为800～1000HV0.5，时效过程中沉淀析出强化相μ相，具有显著的时效硬化特性。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，该熔覆材料通过金属间化合物μ相(Fe，Co)7(Mo，W)6的析出得到强化，与碳化物弥散强化相相比，μ相在高温下扩散系数更低，不易发生过时效现象，使熔覆层具有高的热硬性和优异的韧性。并且，采用氩弧熔覆技术，有助于保持Co和Mo元素在基体中的溶解，进一步保障熔覆层具有高韧性，并且可以防止熔覆过程中发生开裂等现象。
2、本发明的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料。该熔覆材料具有突出的加工性能，熔覆态硬度相对较低，塑性较高，易于加工；熔覆后直接时效处理后，随着金属间化合物μ相的析出，硬度和耐磨性可以得到显著的提高。
3、本发明的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料。该熔覆材料可以改善传统修复材料中高铬铸铁类材料耐磨性不足，硬质合金类材料难加工的问题，大大降低了工件的加工成本；可在服役于高温高压以及耐酸碱等恶劣工况的工件修复层中应用。
附图说明
图1为熔覆试样宏观形貌图
图2为实施例1～6中熔覆层的硬度结果
图3为实施例1中熔覆层显微组织SEM照片
图4为实施例2中熔覆层显微组织SEM照片
图5为实施例3中熔覆层显微组织SEM照片
图6为实施例4中熔覆层显微组织SEM照片
图7为实施例5中熔覆层显微组织SEM照片
图8为实施例6中熔覆层显微组织SEM照片
具体实施方式：
以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用。
实施例1
步骤1：将13.5％Co、13.5％Mo、17.5％W、10％Ni、10％TiC、0.1％C、0.2％Si以及35.2％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流140A，熔覆速度2.3mm/s，气流量为6L/min；
步骤5：将步骤4所得熔覆层进行时效处理，时效处理温度为580℃，时效时间为0.5h。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如图2所示，显微组织如图3所示。
实施例2
步骤1：将22.8％Co、16.3％Mo、10％TiC、0.1％C、0.3％Si以及50.5％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流145A，熔覆速度2.5mm/s，气流量为6L/min；
步骤5：将步骤4所得熔覆层进行时效处理，时效处理温度为580℃，时效时间为3h。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如图2所示，显微组织如图4所示。
实施例3
步骤1：将17.8％Co、10.5％Mo、12.4％W、15％TiC、0.2％C、0.3％Si以及43.8％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流150A，熔覆速度3.2mm/s，气流量为7L/min；
步骤5：将步骤4所得熔覆层进行时效处理，时效处理温度为610℃，时效时间为0.5h。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如图2所示，显微组织如图5所示。
实施例4
步骤1：将22.5％Co、28.2％W、15％TiC、0.2％C、0.4％Si以及33.7％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流150A，熔覆速度2.0mm/s，气流量为6L/min；
步骤5：将步骤4所得熔覆层进行时效处理，时效处理温度为610℃，时效时间为3h。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如图2所示，显微组织如图6所示。
实施例5
步骤1：将12.8％Co、12.8％W、13.5％Ni、5％TiC、0.2％C、0.4％Si以及55.3％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流130A，熔覆速度2.5mm/s，气流量为6L/min；
步骤5：将步骤4所得熔覆层进行时效处理，时效处理温度为580℃，时效时间为1h。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如2所示，显微组织如图7所示。
实施例6
步骤1：将16.8％Co、10.5％Mo、17.4％W、10％TiC、0.2％C、0.3％Si以及44.8％Fe在三维混料机中进行混料，混料时间为6h；
步骤2：将步骤1所得混合粉末放置自制模具中进行压制，得到预制熔覆块，并置于真空干燥箱的干燥；
步骤3：用砂轮机将钢表面打磨清洗干净后至于氩气气氛中预热；
步骤4：采用氩弧熔覆技术，将步骤2所得预制熔覆块在钢表面进行熔覆，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；熔覆电流150A，熔覆速度2.8mm/s，气流量为7L/min。
将按照上述方法制得的熔覆材料样品进行性能测试，测试结果如图2所示，显微组织如图8所示。
Claims (7)
1.一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，所述熔覆材料的成分按质量百分比分别为：Co：10～30％、Mo：0～30％、W：0～30％、Ni：0～10％、增强相：0～30％、C：0.1～0.5％、Si：0.2～0.8％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，所述熔覆材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、按上述成分称取原材料粉末，并置于三维混料机中进行混粉；
步骤二、将步骤一所得混合粉末预制成压条或制成药芯焊丝，并置于真空干燥箱中干燥；
步骤三、用砂轮机将钢基体表面打磨清洗干净后置于氩气气氛中预热；
步骤四、采用氩弧熔覆技术，将步骤二中所得预制熔覆块或焊丝置于钢基体表面进行熔覆，先熔覆一层过渡层，再熔覆多层工作层，制备出易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆层；
步骤五、将步骤四所得熔覆层直接进行时效处理，以达到使用要求。
3.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，所述原材料粉末为元素粉或预合金粉末中的一种或多种；所述增强相为TiC、TiCN、Al2O3、SiC、TiB2等难熔陶瓷相中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，步骤四中氩弧熔覆工艺参数为：熔覆电流120A～150A，熔覆速度2mm/s～4mm/s，氩气作为保护气体，氩气纯度大于99.9％，气流量为5L/min～8L/min。
5.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，步骤五中时效处理温度为500～800℃，时间为0.1h～8h；峰值时效硬度出现在520～630℃温度区间。
6.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，该材料亦可以粉末、药芯焊丝或实心焊丝等形态用于常规电弧堆焊、热喷涂、激光熔覆、等离子熔覆、电子束熔覆等行业。
7.根据权利要求1所述的一种易加工耐磨耐腐蚀沉淀硬化型熔覆材料，其特征在于，所述熔覆材料可以改善传统修复材料中高铬铸铁类材料耐磨性不足，硬质合金类材料难加工的问题，大大降低了工件的加工成本；可在服役于高温高压以及耐酸碱等恶劣工况的工件修复层中应用，服役环境可达600～800℃；熔覆态硬度为430～550HV0.5，易于加工；熔覆后直接时效处理后硬度为800～1000HV0.5，时效过程中沉淀析出强化相μ相，具有显著的时效硬化特性。
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