一種WC-NiSiB激光熔覆材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一：選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；步驟二：將質(zhì)量百分比20％～80％碳化鎢粉末與80％～20％鎳硅硼粉末混合均勻，將混合粉末預置在45鋼基體表面，粉末厚度3～4mm；步驟三：使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬為8～15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
【專利說明】-種WC-N iS i B激光熔覆材料的制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光熔覆金屬陶瓷復合材料領域，是一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂 層材料的工藝和方法，尤其涉及一種激光熔覆金屬陶瓷粉末及其制備工藝。

【背景技術】
[0002] 磨損是金屬機械零件失效的3大方式（磨損、腐蝕、斷裂）之一。據(jù)統(tǒng)計，，現(xiàn)代工 業(yè)迫切需要能在惡劣磨損工況（如高溫、高速摩擦磨損等）下有效工作的工件。
[0003] 隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，機械設備的運轉(zhuǎn)速度越來越高，受摩擦的 零件被磨損的速度也越來越快，其使用壽命越來越成為影響現(xiàn)代設備（特別是高速運轉(zhuǎn)的 自動生產(chǎn)線）生產(chǎn)效率的重要因素。盡管材料磨損很少引起金屬工件災難性的危害，但其 所造成的能源和材料消耗是十分驚人的。據(jù)統(tǒng)計，由磨損造成的損失約占能源消耗的1/3 至1/2,材料報廢的80%。這一類工況廣泛存在于冶金、建材、礦山、機械加工等許多行業(yè) 中，世界工業(yè)化發(fā)達的國家約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上的。如在美國，每年由 于摩擦磨損和腐蝕造成的損失約1〇〇〇億美元，占國民經(jīng)濟總收入的4%。而我國僅在冶金、 礦山、電力、煤炭和農(nóng)機部門，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年由于工件磨損而造成的經(jīng)濟損失約400 億元人民幣。因此，研究和發(fā)展耐磨材料，以減少金屬磨損，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的 意義。
[0004] 激光熔覆技術是一項新興的零件加工于表面改型技術。具有較低稀釋率、熱影響 區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。激光熔 覆技術應用到表面處理上，可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械 性能，可以極大提高材料的使用壽命。同時，還可以用于廢品件的處理，大量節(jié)約加工成本， 對環(huán)境的污染小。激光熔覆應用到快速制造金屬零件，所需設備少，可以減少工件制造工 序，節(jié)約成本，提高零件質(zhì)量，廣泛應用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個方面。同 其他表面強化技術相比，它具有以下特點：冷卻速度快；熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低 (一般小于5% )，與基體呈冶金結(jié)合；能進行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能價格 比；光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔覆等。按熔覆材料的初始供應狀態(tài)，熔覆材料可分為 粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄板狀，其中應用最廣泛的是粉末狀材料。激光熔覆粉末材料主 要分為金屬粉末、陶瓷粉末、復合粉末等。其中，自熔性合金粉末的研究和應用最多。自熔 性合金粉末是指加入具有強烈脫氧和自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。主要包括鎳基 合金、鐵基合金、鈷基合金等。Co基自熔性合金粉末具有良好的高溫性能和耐蝕耐磨性能， 常被應用于石化、電力、冶金等工業(yè)領域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Fe基自熔性合金粉末適 用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基體多為鑄鐵和低碳鋼，其最大優(yōu)點是成本低且抗 磨性能好。但是，與Ni基、Co基自熔性合金粉末相比，F(xiàn)e基自熔性合金粉末存在自熔性較 差、熔覆層易開裂、易氧化、易產(chǎn)生氣孔等缺點。在Fe基自熔性合金粉末的成分設計上，通 常采用B、Si及Cr等元素來提高熔覆層的硬度與耐磨性，用Ni元素來提高熔覆層的抗開裂 能力。Ni基自熔性合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和適中的價格在激 光熔覆材料中研究最多、應用最廣。它主要適用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu) 件，所需的激光功率密度比熔覆鐵基合金的略高。鎳硅硼合金粉末相比于其他鎳基合金粉 末，不僅擁有良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用，而且其成分中不含鉻，因此，在實驗 或生產(chǎn)中不會對環(huán)境造成污染。碳化鎢（WC)為六方晶體，不僅韌性好、硬度高、抗沖擊載荷 及抗磨粒磨損能力強，與基體金屬結(jié)合具有較好的抗界面腐蝕磨損性能，而且與鎳基金屬 液潤濕性好。與其他金屬陶瓷顆粒（如碳化鈦等）相比易于獲得，綜合考慮，選擇碳化鎢顆 粒作為抗磨硬質(zhì)相在技術上和經(jīng)濟上都是合適的。
[0005] 激光熔覆技術在國內(nèi)尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。 激光熔覆過程中加熱和冷卻的速度極快，由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù) 的差異，可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。通過測定 熔覆層開裂時的溫度和對裂紋的斷口分析認為，激光熔覆層裂紋是在凝固溫度附近形成的 熱裂紋，也稱凝固裂紋。在凝固溫度區(qū)間，初生的發(fā)達枝晶相互連接形成一個結(jié)晶固態(tài)網(wǎng)， 造成枝晶間的液體封閉，在隨后冷卻中，由于收縮而無足夠液體補充，易于在枝晶間硬質(zhì)相 和雜質(zhì)等應力集中的部位形成凝固裂紋源，隨著溫度不斷降低，應力增大，裂紋將會沿枝晶 間擴展。由于激光熔覆冷卻的溫度梯度分布復雜，故不同區(qū)域可能會出現(xiàn)不同的結(jié)晶方向， 不同生長方向的共晶組織在快速凝固過程中會發(fā)生強烈的組織碰撞，導致共晶團界面產(chǎn)生 較大的應力而形成顯微裂紋。此外，由于陶瓷材料與金屬基體結(jié)構(gòu)上差異較大，二者的潤濕 性與匹配性不好，裂紋源也易在結(jié)合面處產(chǎn)生。歸納起來，裂紋源產(chǎn)生的部位主要有3種： (1)熔覆層中的硬質(zhì)相及夾雜物；（2)熔覆層中共晶團間的顯微孔；（3)熔覆層與基材界面 間的微孔洞。萌生的裂紋如果繼續(xù)穩(wěn)態(tài)擴展和失穩(wěn)擴展便會造成涂層的開裂。
[0006] 現(xiàn)有的鎳基碳化鎢激光熔覆涂層硬度不是很高，如專利CN103866320A公開了一 種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法，以質(zhì)量百分比為：氧化鑭〇. 8%、鎳基59. 2%、碳 化鎢40 %的混合粉末，使用1500-1800W功率的半導體激光器在A3鋼表面熔覆，得到的熔覆 層最高硬度為58HRC。上述方法得到的熔覆涂層硬度不是太高，不能保證在極為嚴重的磨粒 磨損工況下零件的使用壽命。
[0007] 因此，找到一種提高鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的硬度與組織穩(wěn)定性的方法十分重 要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對上述不足，通過使用鎳基代替其它鎳基合金，優(yōu)化工藝，進一步解決鎳 基碳化鎢激光熔覆層出現(xiàn)大量裂紋與氣孔以及鎳基粉末普遍含鉻而對環(huán)境造成污染的情 況，做到了低污染實驗，同時提高了零件在嚴重磨粒磨損工況下的壽命。
[0009] 本發(fā)明提供一種鎳硅硼碳化鎢激光熔覆涂層方法，其特征在于，包括以下步驟： [0010] 步驟一：選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干 凈基體表面油污和銹跡；
[0011] 步驟二：將質(zhì)量百分比20%?80%碳化鎢粉末與80%?20%鎳硅硼合金粉末混 合均勻，將混合粉末預置在45鋼基體表面，粉末厚度3?4_ ;
[0012] 步驟三：使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬 為8?15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
[0013] 步驟一中的碳化鎢粒度為：30?50 μ m ;鎳硅硼的粒度為：40?100 μ m。
[0014] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0015] 1、激光熔覆用合金粉末既有較高的硬度、又有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性；
[0016] 2、鎳硅硼合金粉末相比于其他鎳基合金粉末，不僅擁有良好的潤濕性、耐蝕性、高 溫自潤滑作用，而且其成分中不含鉻，因此，在實驗或生產(chǎn)中不會對環(huán)境造成污染；
[0017] 3、碳化鎢不僅韌性好、硬度高、抗沖擊載荷及抗磨粒磨損能力強，與基體金屬結(jié)合 具有較好的抗界面腐蝕磨損性能，而且與鎳基金屬液潤濕性好，與其他金屬陶瓷顆粒（如 碳化鈦等）相比易于獲得；
[0018] 4、激光光斑寬度大，能得到較大面積的熔覆層；
[0019] 5、在激光熔覆涂層與基體的結(jié)合區(qū)部分無任何裂紋與氣孔，只在熔覆層有極個別 的細小裂紋出現(xiàn)；
[0020] 6、得到的熔覆層具有很高的硬度，當混合粉末中碳化鎢質(zhì)量百分比分別為20%、 40%、60%、80%時，其熔覆層平均硬度為 648. 6HV、716HV、890. 5HV、722. 3HV。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明實例一的SEM金相圖片；
[0022] 圖2是本發(fā)明實例二的SEM金相圖片；
[0023] 圖3是本發(fā)明實例三的SEM金相圖片；
[0024] 圖4是本發(fā)明實例四的SEM金相圖片；
[0025] 圖5是本發(fā)明實例一的能譜（EDS)圖片；
[0026] 圖6是本發(fā)明實例二的能譜（EDS)圖片；
[0027] 圖7是本發(fā)明實例三的能譜（EDS)圖片；
[0028] 圖8是本發(fā)明實例四的能譜（EDS)圖片；
[0029] 圖9是各實例摩擦磨損條形數(shù)據(jù)圖。

【具體實施方式】
[0030] 實例一：
[0031] (1)選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基 體表面油污和銹跡；
[0032] (2)將質(zhì)量百分比20%碳化鎢與80%鎳硅硼粉末混合均勻，預置在45鋼基體表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0033] (3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬為 15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣；
[0034] (4)經(jīng)顯微硬度測試，所得熔覆層硬度平均值為648. 6HV ;SEM金相圖片如圖1所 示。使用NAN0SEM 430型掃描電鏡測其能譜，電壓15kW，得SEM金相圖標注處熔覆層含有質(zhì) 量百分比 1. 2% C、3. 53% Si、22. 06% Fe、73. 21% Ni。能譜圖如圖 5 所示；
[0035] (5)使用微機控制高速環(huán)塊摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，其摩擦方式為干 摩擦，壓力600N、轉(zhuǎn)速300r/min、時間15min。最后測得磨損速率為0· llmg/min，SEM金相 圖片如圖1所示。
[0036] 實例二：
[0037] (1)選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基 體表面油污和銹跡；
[0038] (2)將質(zhì)量百分比40%碳化鎢與60%鎳硅硼粉末混合均勻，預置在45鋼基體表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0039] (3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬為 15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
[0040] (4)經(jīng)顯微硬度測試，所得熔覆層硬度平均值為716HV，；SEM金相圖片如圖2所示。 使用NAN0SEM 430型掃描電鏡測其能譜，電壓15kW，得SEM金相圖標注處熔覆層含有質(zhì)量百 分比 1. 91% C、l. 17% 0、20· 85% W、50. 38% Fe、25. 69% Ni。能譜圖如圖 6 所示；
[0041] (5)使用微機控制高速環(huán)塊摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，其摩擦方式為干 摩擦，壓力600N、轉(zhuǎn)速300r/min、時間15min。最后測得磨損速率為0.09mg/min，SEM金相 圖片如圖2所示。
[0042] 實例三：
[0043] (1)選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基 體表面油污和銹跡；
[0044] (2)將質(zhì)量百分比60%碳化鎢與40%鎳硅硼粉末混合均勻，預置在45鋼基體表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0045] (3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬為 15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
[0046] (4)經(jīng)顯微硬度測試，所得熔覆層硬度平均值為890. 5HV ;SEM金相圖片如圖3所 示。使用NAN0SEM 430型掃描電鏡測其能譜，電壓15kW，SEM金相圖標注處熔覆層含有質(zhì)量 百分比 11. 34% C、4. 35% 0、6· 95% Si、0. 82% Cl、46. 06% Fe、5. 92% Ni、24. 57% W。能譜 圖如圖7所示；
[0047] (5)使用微機控制高速環(huán)塊摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，其摩擦方式為干 摩擦，壓力600N、轉(zhuǎn)速300r/min、時間15min。最后測得磨損速率為0.06mg/min。
[0048] 實例四：
[0049] (1)選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基 體表面油污和銹跡；
[0050] (2)將質(zhì)量百分比80 %碳化鎢與20 %鎳硅硼粉末混合均勻，預置在45鋼基體表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0051] (3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W。所選用的光斑寬為 15mm，焦距300。掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
[0052] (4)經(jīng)顯微硬度測試，所得熔覆層硬度平均值為722. 3HV ;SEM金相圖片如圖4所 示。使用NAN0SEM 430型掃描電鏡測其能譜，電壓15kW，SEM金相圖片如圖3所示。使用 NAN0SEM 430型掃描電鏡測其能譜，電壓15kW，SEM金相圖標注處熔覆層含有質(zhì)量百分比 3. 18% C、l. 53% 0、45· 46% Fe、6. 28% Ni、43. 56% W。能譜圖如圖 8 所示；
[0053] (5)使用微機控制高速環(huán)塊摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，其摩擦方式為干 摩擦，壓力600N、轉(zhuǎn)速300r/min、時間15min。最后測得磨損速率為0· 73mg/min。
[0054] 各實例摩擦磨損條形圖如圖9所示。
【權利要求】
1. 一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：選取45鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基 體表面油污和銹跡； 步驟二：將質(zhì)量百分比20 %?80 %碳化鎢粉末與80 %?20 %鎳硅硼粉末混合均勻，將 混合粉末預置在45鋼基體表面，粉末厚度3?4_ ; 步驟三：使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光功率為3000W;所選用的光斑寬為 8?15mm，焦距300 ;掃描速度為3mm/s，保護氣體為氬氣。
2. 如權利要求1所述的改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層材料的工藝和方法，其特征在 于，步驟二中的碳化鎢粒度為：30?50 μ m ;鎳硅硼的粒度為：40?100 μ m。
【文檔編號】C22C19/03GK104195550SQ201410468486
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】雷劍波, 顧振杰, 王植, 王云山 申請人:天津工業(yè)大學