含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法
【專利摘要】含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法，屬于激光熔覆【技術(shù)領(lǐng)域】。對(duì)鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；將熔覆用合金粉末按化學(xué)成分與CeO2配比進(jìn)行機(jī)械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層；合金粉末元素成分為：Nb：10-15wt.%，Cr：10-15wt.%，B：1-3wt.%，Si：1-3wt.%，C：1.5-5.5wt.%，其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)；CeO2的添加量為合金粉末的3-8wt%。本發(fā)明原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相，并且與基體呈良好的冶金結(jié)合，該涂層組織致密，無(wú)氣孔和裂紋。
【專利說(shuō)明】含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光熔覆【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于激光特有的優(yōu)良屬性，自20世紀(jì)中期激光器研制成功以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)。激光表面改性是激光在表面【技術(shù)領(lǐng)域】中新的應(yīng)用。根據(jù)采用不同的激光能量密度和不同的處理方式，激光表面技術(shù)中比較典型的方法有激光熔覆、激光相變硬化、激光沖擊強(qiáng)化、激光表面合金化等。這些方法的目的都是為了使工作面獲得高硬度、高耐磨性及高耐腐蝕等性能。從而達(dá)到延長(zhǎng)工件使用壽命、節(jié)約成本的目的。
[0003]激光熔覆是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，它通過(guò)熔覆材料在基體表面的快速熔凝過(guò)程提高材料的表面性能。激光熔覆具備諸多優(yōu)勢(shì)，如:基體和熔覆層結(jié)合強(qiáng)度高；基體受到的熱影響較小，不易變形等。通過(guò)激光熔覆不同材料，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蝕、耐高溫抗氧化等性能，同時(shí)降低貴重金屬的消耗。因此該技術(shù)在材料表面改性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]鐵基合金價(jià)格低廉，常溫下力學(xué)性能好，與鋼鐵材料表面結(jié)合強(qiáng)度高。而添加硬質(zhì)相顆?？梢燥@著提高熔覆層硬度并有效抑制汽車擠壓模具凸凹模之間的拉延破壞。因此， 常用該合金體系對(duì)破損的模具材料表面進(jìn)行修復(fù)。
[0005]陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常用作金屬基激光熔覆層的增強(qiáng)相。原位自生的陶瓷增強(qiáng)相顆粒尺寸較為細(xì)小，與基體界面結(jié)合較好，裂紋傾向較低，是近年來(lái)發(fā)展較快的金屬基復(fù)合材料制備方法。NbC陶瓷顆粒具有高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量等優(yōu)越性能，是一種常用的涂層增強(qiáng)相。然而，由于激光熔覆過(guò)程冷卻速度極快，加之復(fù)合涂層各物相之間的組織應(yīng)力相對(duì)較高。因此，涂層內(nèi)部常會(huì)出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，或存在與基體潤(rùn)濕性差等問(wèn)題，導(dǎo)致涂層剝落等現(xiàn)象發(fā)生。
[0006]研究顯示:稀土元素可有效抑制涂層中孔洞、裂紋等缺陷，并促進(jìn)硬質(zhì)相顆粒析出、細(xì)化組織、提高涂層固溶度，進(jìn)而提高涂層的力學(xué)性能。因此本項(xiàng)發(fā)明中，在合 金粉末中添加了 CeO2。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有激光熔覆存在的缺點(diǎn)及汽車擠壓模具磨損失效機(jī)制，提出一種含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法，解決汽車模具鋼表面強(qiáng)化問(wèn)題。
[0008]一種含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及其制備方法，該方法是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0009](I)基體預(yù)處理[0010]對(duì)鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；
[0011](2)激光熔覆
[0012]將熔覆用合金粉末按照化學(xué)成分與CeO2配比進(jìn)行機(jī)械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層。
[0013]作為對(duì)本發(fā)明的限定，本發(fā)明所述的制備涂層時(shí)所用合金粉末元素成分為:
[0014]Nb: 10-15wt.%
[0015]Cr: 10-15wt.%
[0016]B:l-3wt.%
[0017]Si:l-3wt.%
[0018]C:1.5-5.5wt.%
[0019]其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0020]合金粉末粒度范圍為75-150 iim。在合金粉末中再添加粒度范圍為35_45 y m的 Ce02。CeO2的添加量為熔覆合金粉末總質(zhì)量的3_8wt%。熔覆層組織致密，無(wú)氣孔、裂紋，涂層與基體呈現(xiàn)良好冶金結(jié)合，原位合成的NbC顆粒分布均勻。
[0021]此外，為了獲得具有`特定力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)與基體結(jié)合良好的均勻致密的涂層，需選擇合適的激光熔覆工藝參數(shù)及粉末成分。激光熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率、 掃描速度、送粉率等。激光功率增加、掃描速度減小，會(huì)使更多粉末熔化，提高結(jié)合強(qiáng)度降低開(kāi)裂傾向，但激光功率過(guò)大、掃描速度過(guò)慢會(huì)造成一部分硬質(zhì)相合成元素?zé)龘p，也會(huì)使稀釋率增加。送粉率增大，熔覆層厚度增加，稀釋率降低，但裂紋敏感性增加。因此，只有各工藝參數(shù)間實(shí)現(xiàn)良好的搭配，才能獲得符合使用要求的涂層。鑒于此，本發(fā)明所述的激光熔覆工藝參數(shù)為:激光功率1500-2000W、掃描速度3-8mm/s ;光斑直徑:5X5mm ;送粉率:10_15g/ min !氣流量:10_15L/mino
[0022]通過(guò)激光加熱，涂層中原位合成陶瓷顆粒硬質(zhì)相為NbC。
[0023]上述鋼基體優(yōu)選Crl2MoV鋼。
[0024]采用上述方案后，本發(fā)明取得的有益效果是:熔覆粉末在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相，并且與基體呈良好的冶金結(jié)合，該涂層組織致密，無(wú)氣孔和裂紋。本發(fā)明的激光熔覆原位合成陶瓷相增強(qiáng)Fe基熔覆層的制備工藝簡(jiǎn)單、操作方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，且熔覆不需要在真空條件下進(jìn)行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于復(fù)雜表面的修復(fù)。該涂層顯微硬度值達(dá)1000HV以上。同時(shí)不使用鈷、鎢、釩、鑰等貴重金屬， 在材料表面改性上具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為實(shí)施例1所得熔覆層顯微組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明將就以下實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]在較高功率，較大送粉率下制備涂層，獲得高度、寬度較大的熔覆層。
[0029](I) Crl2MoV鋼基體預(yù)處理[0030]對(duì)加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面進(jìn)行砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面。
[0031](2)激光熔覆
[0032]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0033]Nb:10wt.%
[0034]Cr: 15wt.%
[0035]B:1.62wt.%
[0036]Si:1.5wt.%
[0037]C:2.5wt.%
[0038]其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0039]合金粉末粒度范圍為75_150μπι。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 μ m的Ce02。CeO2添加量為熔覆合 金粉末總質(zhì)量的4wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)，激光功率2000W、掃描速度4mm/s、光斑直徑:5X 5mm、送粉率:15g/min、氬氣流量:15L/min。在該工藝參數(shù)下制備原位合成NbC增強(qiáng)Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為1002HV。熔覆層顯微組織見(jiàn)圖1。
[0040]實(shí)施例2:
[0041]在較低功率，較小送粉率下制備涂層，獲得高度、寬度較小的熔覆層。
[0042](I) Crl2MoV鋼基體預(yù)處理
[0043]對(duì)加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0044](2)激光熔覆
[0045]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0046]Nb: 15wt.%
[0047]Cr: IOwt.%
[0048]B:1.62wt.%
[0049]Si:1.5wt.%
[0050]C:4.5wt.%
[0051]其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0052]合金粉末粒度范圍為75_150μπι。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 μ m的Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質(zhì)量的3wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)，激光功率1500W、掃描速度6mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:10g/min、氬氣流量:10L/min。在該工藝參數(shù)下制備原位合成NbC增強(qiáng)Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為1016HV。
[0053]實(shí)施例3:
[0054]提高熔覆粉末中的C含量，獲得高硬度涂層。
[0055](I) Crl2MoV鋼基體預(yù)處理
[0056]對(duì)加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0057](2)激光熔覆[0058]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0059]Nb: 12wt.%
[0060]Cr: 12wt.%
[0061]B:1.62wt.%
[0062]Si:1.5wt.%
[0063]C:5.5wt.%
[0064]其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0065]合金粉末粒度范圍為75_150iim。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 ii m的 Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質(zhì)量8wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)，激光功率1800W、掃描速度8mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:12g/min、氬氣流量:12L/min。在該工藝參數(shù)下制備原位合成NbC增強(qiáng)Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為 1065HV。
[0066]實(shí)施例4:
[0067]降低熔覆粉末中的C含量，獲得韌性較好的涂層。
[0068](I) Crl2MoV鋼基體預(yù)處理
[0069]對(duì)加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0070](2)激光熔覆
[0071]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0072]Nb:13wt.%
[0073]Cr:1 lwt.%
[0074]B:2.53wt.%
[0075]Si:1.89wt.%
[0076]C:1.5wt.%
[0077]其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0078]合金粉末粒度范圍為75_150iim。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 ii m的 Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質(zhì)量6wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)，激光功率1800W、掃描速度4mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:10g/min、氬氣流量:15L/min。在該工藝參數(shù)下制備原位合成NbC增強(qiáng)Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為 1003HV。
[0079]以本發(fā)明的幾項(xiàng)實(shí)施例為啟示，并通過(guò)本發(fā)明的說(shuō)明內(nèi)容,工作人員可以在本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行變更以及修改。本發(fā)明技術(shù)性范圍不局限于上述實(shí)施例的內(nèi)容，要根據(jù)權(quán)利要求范圍確定技術(shù)性范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)基體預(yù)處理對(duì)鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；(2)激光熔覆將熔覆用合金粉末按照化學(xué)成分與CeO2配比并進(jìn)行機(jī)械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層；合金粉末元素成分為:Nb:10-15wt.%Cr:10-15wt.%B:l-3wt.%Si:l-3wt.%C:1.5-5.5wt.%其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)；CeO2的添加量為合金粉末總質(zhì)量的3_8wt%。
2.按照權(quán)利要求1的方法`，其特征在于，合金粉末粒度范圍為75-150μ m，CeO2粒度范圍為 35-45 μ m。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(2)激光熔覆工藝參數(shù)為:激光功率1500-2000W、掃描速度3-8mm/s ;光斑直徑:5X5mm ;送粉率:10_15g/min ;氬氣流量:10-15L/min。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，鋼基體優(yōu)選Crl2MoV鋼。
5.按照權(quán)利要求1-4所述的任一方法得到的含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103526198SQ201310247604
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月20日
【發(fā)明者】李慶棠, 雷永平, 喬虹, 蔣志強(qiáng), 蔣業(yè)華, 符寒光 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)