一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層及其制備方法，應用高能密度的激光束加熱熔化并快速凝固與基體形成冶金結合的表面耐磨涂層，屬于材料科學與工程領域。利用高能密度的激光束對部件工作面或次表面的失效部位進行多層熔敷，成型的激光熔敷涂層由耐磨涂層和過渡層組成，所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe(鐵)、C(碳)、Cr(鉻)、Nb(鈮)、W(鎢)和B(硼)，通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計(Wt/％)：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Nb：1.0-2.0，W：0.5-1.8，B：1.0-2.0，Fe：余量；所述過渡層材料為成型工藝較好的低碳合金鋼，過渡層厚度100-120μm。
【專利說明】一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料，應用高能密度的激光束加熱熔化 并快速凝固與基體形成冶金結合的表面耐磨涂層，屬于材料科學與工程領域。

【背景技術】
[0002] 材料的磨損、腐蝕及斷裂是導致機械裝備和部件失效的三大因素，由此給企業(yè)生 產和安全造成重大的損失。磨損失效造成的經濟損失最為嚴重，1/3 -1/2能源消耗于磨損， 80%的材料失效于磨損，若再加上更換部件導致的停工停產，則損失更加嚴重。在實際生產 中，部件耐磨性能差，使用壽命過短，頻繁地更換維修，增加停機時間所造成的經濟損失遠 遠超過部件的自身價值。解決機械裝備和易損部件失效的措施有直接更換部件，簡單維修 和再制造。
[0003] 再制造技術是指通過表面工程技術，對機械裝備易損部件表面的局部損傷進行修 復，使得部件的幾何尺寸和功能得以恢復與重新利用并提升部件的綜合性能。再制造技術 現已成為制造領域優(yōu)先發(fā)展的主題和關鍵技術之一。其中，激光熔覆再制造技術就是在需 要修復的部件表面添加熔覆合金材料，利用高能密度的激光束使添加的熔覆合金材料和基 體材料表面層同時熔化，并快速凝固與基體形成冶金結合的表面涂層，顯著改善基體表面 的耐磨、耐蝕、耐熱和抗氧化等性能，從而達到恢復和提升局部損傷部件的幾何尺寸和功 能。激光熔覆再制造技術具有稀釋率低，熱影響區(qū)小，部件表面修復后續(xù)加工量少，獲得的 表面耐磨涂層組織致密，涂層與基體結合強度高等特點，在修復部件的工作面或次表面失 效部位，如各類磨損、腐蝕、表面拉傷、微裂紋等，應用前景十分廣闊。激光熔覆再制造核心 技術就是熔覆合金材料成分的設計、選擇與使用正確與否是該項技術能否成功應用的關 鍵。目前，激光熔覆再制造技術常用的熔覆合金材料有鎳基、鈷基、鐵基、碳化鎢復合材料等 合金系統(tǒng)。激光熔覆再制造技術存在的主要問題是熔覆合金材料和基體材料的化學成分和 性能存在較大差異，材料相互間的兼容性和結合性較差，在提高基體表面耐磨涂層耐磨性 的同時又必然在結合面處產生較大的應力集中。此外，激光束的加熱速度快，熔覆合金材料 完全熔化而基體材料表面處于局部熔化，形成的熔覆層和基體間產生較大的溫度梯度，在 隨后的快速凝固過程中，由于溫度梯度和熱膨脹系數的差異造成熔覆層與基體體積收縮不 一致，熔覆層的收縮率大于基體，熔覆層受到周圍環(huán)境（處于冷態(tài)的基體）的約束，在熔覆 層中形成拉應力，當局部拉應力超過材料的強度極限時，界面結合處極易產生裂紋。因此， 如何同時提高激光熔覆表面耐磨涂層的耐磨性和抗疲勞性及其與基體的結合強度，延長部 件的使用壽命，提高機械裝備利用率，是科研工作者不可推卸的責任和長期而艱巨的任務。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料及其耐磨涂層的制備方 法，針對部件工作面或次表面的失效部位，如各類磨損、腐蝕、表面拉傷、微裂紋等，利用高 能密度的激光束進行多層熔敷，在失效部位熔敷一層成型工藝良好的較軟過渡層，然后在 過渡層表面熔敷一層鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料作為耐磨涂層，可同時提高激光熔覆表 面耐磨涂層的耐磨性和抗疲勞性及其與基體的結合強度。
[0005] 本發(fā)明的上述目的是這樣實現的：一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料及其耐磨涂 層的制備方法，熔覆合金材料為Fe(鐵）、C(碳）、Cr(鉻）、Nb(鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 2-3. 2, Cr :13. 5-26. 5, Nb : 1· 0-2. 0, W :0· 5-1. 8, B :1. 0-2. 0, Fe :余量。
[0006] 本發(fā)明的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料及其耐磨涂層的制備方法，熔覆合金 材料成分的設計是以Fe為基礎合金，添加 C、Cr、Nb、W和B等形成的鐵基合金具有價格低 廉，工藝性好等特點。合金元素的選擇和熔覆合金材料成分的確定非常重要，需要同時兼顧 激光熔覆表面耐磨涂層的耐磨性和抗疲勞性及其與基體材料的結合強度。C是鐵基合金中 的主要元素，其作用是與添加的合金元素形成各種類型的碳化物，提高激光熔敷耐磨涂層 硬度和耐磨性。含C量過低，獲得的熔敷耐磨涂層硬度低，耐磨性差；含C量過高，獲得的熔 敷耐磨涂層脆性大，熔敷層裂紋敏感性增大，表面形成較多細小裂紋。Cr、Nb、W都是強碳化 物形成元素，Cr是鐵基合金中的主要合金元素，Nb與C形成的碳化物為多邊形塊狀化合物， 具有提高激光熔敷耐磨涂層的硬度，W的作用在于增加碳化物量，并有細化碳化物的作用， 增加碳化物的穩(wěn)定性。添加 B主要是為了獲得高硬度的鐵鉻硼化物。
[0007] 制造耐磨部件的基體材料都是含碳量較高且含有多種合金元素的耐磨材料，激光 熔敷導致基體材料表面處于局部熔化，在隨后的快速凝固過程中，基體材料發(fā)生固態(tài)相變 產生馬氏體脆性相；同時，部件工作面或次表面的失效部位長期運行往往會引起表面冷作 硬化，如果在部件工作面或次表面的失效部位直接熔敷鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料，獲 得的熔敷耐磨涂層與基體材料結合強度低，再制造部件表面激光熔敷涂層的抗疲勞性差， 使用壽命低。本發(fā)明提出一種多材料組合設計方法，在熔覆耐磨涂層與基體材料之間熔敷 一層過渡層。過渡層材料選用成型工藝較好的低碳合金鋼，可以緩釋激光熔敷再制造過程 中因熔覆耐磨層和基體材料間產生較大的溫度梯度差在熔覆層中形成的應力集中，同時， 還能夠吸收部件工作過程中各種作用力對熔敷耐磨涂層的作用能量，提高再制造部件的耐 磨性能和使用壽命。
[0008] 本發(fā)明所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料及其耐磨涂層的制備方法，熔覆 合金材料粉末顆粒大小為60 - 120 μ m，成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 2-3. 2, Cr: 13. 5-26. 5，Nb :1. 0-2. 0，W :0· 5-1. 8，B :1. 0-2. 0，Fe :余量。過渡層材料選用成型工藝較好 的低碳合金鋼，過渡層厚度100-120 μ m。采用高能密度的激光束進行多層熔敷，在失效部位 熔敷一層成型工藝良好的較軟過渡層，然后再在過渡層表面熔敷一層鐵碳鉻鈮鎢硼合金系 耐磨材料作為耐磨涂層。采用1. 0KW脈沖Nd :YAG固體激光器進行激光熔敷，脈寬6. 0ms， 光斑直徑2. 0_，離焦位置10mm ;熔敷速度3mm/s，熔敷合金粉末通過側向送粉方式送入激 光熔敷熔池，激光熔敷前對粉末進行真空烘干處理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量 3. Og/min ;采用氬氣保護激光熔敷熔池，保護氣流量10L/min。
[0009] 本發(fā)明所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨材料及其耐磨涂層的制備方法，達到 的技術指標：
[0010] (1)激光熔敷耐磨涂層與基體結合強度150_200MPa ;
[0011] (2)激光熔敷耐磨涂層的耐磨性是高Cr合金鑄鐵材料耐磨性的1. 1 一 1. 4倍。
【權利要求】
1. 一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層，其特征在于： 利用高能密度的激光束對部件工作面或次表面的失效部位進行多層熔敷，成型的激 光熔敷涂層由耐磨涂層和過渡層組成，所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe (鐵）、C(碳）、 Cr(鉻）、Nb(鈮）、W(鎢）和B(硼），通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計 (Wt/% ) :C :2· 2-3. 2, Cr :13· 5-26. 5, Nb :1· 0-2. 0, W :0· 5-1. 8, B :1· 0-2. 0, Fe :余量； 所述過渡層材料為低碳合金鋼，過渡層厚度100-120 μ m。
2. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 采用1. 0KW脈沖Nd :YAG固體激光器進行激光熔敷，脈寬6. 0ms，光斑直徑2. 0mm，離焦 位置1〇_ ;熔敷速度3mm/s，熔敷合金粉末通過側向送粉方式送入激光熔敷熔池，激光熔敷 前對粉末進行真空烘干處理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量3. Og/min ;采用氬氣保 護激光熔敷熔池，保護氣流量l〇L/min。
3. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe(鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb(鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 2，Cr :13. 5，Nb :1. 0，W :0. 5， B :1. 0, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
4. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe (鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb (鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :3. 2, Cr :26. 5, Nb :2. 0，W :1. 8， B :2. 0, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
5. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe(鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb(鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 8, Cr :20. 0，Nb :1. 5, W :1. 0， B :1. 5, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
6. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe (鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb (鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 2, Cr :24. 5，Nb :1. 5, W :1. 5， B :1. 5, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
7. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe (鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb (鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :3. 0，Cr :18. 0，Nb :2. 0，W :0. 5， B :1. 5, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
8. 如權利要求1所述的一種鐵碳鉻鈮鎢硼合金系耐磨涂層的制備方法，其特征在于： 所述耐磨涂層的熔覆合金材料為Fe(鐵）、C(碳）、Cr (鉻）、Nb(鈮）、W(鎢）和B(硼）， 通過正交優(yōu)化試驗確定其成分按質量百分比計（Wt/% ) :C :2. 5, Cr :18. 0，Nb :1. 5, W :1. 5， B :2. 0, Fe :余量；所述低碳合金鋼100-120。
【文檔編號】C23C24/10GK104085148SQ201410331311
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月12日 優(yōu)先權日:2014年7月12日
【發(fā)明者】邱小明, 丁家偉, 任振安, 王明瑜, 邢飛, 魏阿娟 申請人:吉林大學