一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨涂层及其制备方法，应用高能密度的激光束加热熔化并快速凝固与基体形成冶金结合的表面耐磨涂层，属于材料科学与工程领域。利用高能密度的激光束对部件工作面或次表面的失效部位进行多层熔敷，成型的激光熔敷涂层由耐磨涂层和过渡层组成，所述耐磨涂层的熔覆合金材料为Fe(铁)、C(碳)、Cr(铬)、Nb(铌)、W(钨)和B(硼)，通过正交优化试验确定其成分按质量百分比计(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；所述过渡层材料为成型工艺较好的低碳合金钢，过渡层厚度100-120μm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料，应用高能密度的激光束加热熔化并快速 凝固与基体形成冶金结合的表面耐磨涂层，属于材料科学与工程领域。

背景技术

材料的磨损、腐蚀及断裂是导致机械装备和部件失效的三大因素，由此给企业生产和安 全造成重大的损失。磨损失效造成的经济损失最为严重，l/3—1/2能源消耗于磨损，80％的 材料失效于磨损，若再加上更换部件导致的停工停产，则损失更加严重。在实际生产中，部 件耐磨性能差，使用寿命过短，频繁地更换维修，增加停机时间所造成的经济损失远远超过 部件的自身价值。解决机械装备和易损部件失效的措施有直接更换部件，简单维修和再制造。

再制造技术是指通过表面工程技术，对机械装备易损部件表面的局部损伤进行修复，使 得部件的几何尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升部件的综合性能。再制造技术现已成为 制造领域优先发展的主题和关键技术之一。其中，激光熔覆再制造技术就是在需要修复的部 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体材料表面层 同时熔化，并快速凝固与基体形成冶金结合的表面涂层，显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、 耐热和抗氧化等性能，从而达到恢复和提升局部损伤部件的几何尺寸和功能。激光熔覆再制 造技术具有稀释率低，热影响区小，部件表面修复后续加工量少，获得的表面耐磨涂层组织 致密，涂层与基体结合强度高等特点，在修复部件的工作面或次表面失效部位，如各类磨损、 腐蚀、表面拉伤、微裂纹等，应用前景十分广阔。激光熔覆再制造核心技术就是熔覆合金材 料成分的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功应用的关键。目前，激光熔覆再制 造技术常用的熔覆合金材料有镍基、钴基、铁基、碳化钨复合材料等合金系统。激光熔覆再 制造技术存在的主要问题是熔覆合金材料和基体材料的化学成分和性能存在较大差异，材料 相互间的兼容性和结合性较差，在提高基体表面耐磨涂层耐磨性的同时又必然在结合面处产 生较大的应力集中。此外，激光束的加热速度快，熔覆合金材料完全熔化而基体材料表面处 于局部熔化，形成的熔覆层和基体间产生较大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中，由于 温度梯度和热膨胀系数的差异造成熔覆层与基体体积收缩不一致，熔覆层的收缩率大于基 体，熔覆层受到周围环境(处于冷态的基体)的约束，在熔覆层中形成拉应力，当局部拉应 力超过材料的强度极限时，界面结合处极易产生裂纹。因此，如何同时提高激光熔覆表面耐 磨涂层的耐磨性和抗疲劳性及其与基体的结合强度，延长部件的使用寿命，提高机械装备利 用率，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制备方法，针对 部件工作面或次表面的失效部位，如各类磨损、腐蚀、表面拉伤、微裂纹等，利用高能密度 的激光束进行多层熔敷，在失效部位熔敷一层成型工艺良好的较软过渡层，然后在过渡层表 面熔敷一层铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料作为耐磨涂层，可同时提高激光熔覆表面耐磨涂层 的耐磨性和抗疲劳性及其与基体的结合强度。

本发明的上述目的是这样实现的：一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制 备方法，熔覆合金材料为Fe(铁)、C(碳)、Cr(铬)、Nb(铌)、W(钨)和B(硼)，通过 正交优化试验确定其成分按质量百分比计(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。

本发明的一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制备方法，熔覆合金材料成 分的设计是以Fe为基础合金，添加C、Cr、Nb、W和B等形成的铁基合金具有价格低廉，工 艺性好等特点。合金元素的选择和熔覆合金材料成分的确定非常重要，需要同时兼顾激光熔 覆表面耐磨涂层的耐磨性和抗疲劳性及其与基体材料的结合强度。C是铁基合金中的主要元 素，其作用是与添加的合金元素形成各种类型的碳化物，提高激光熔敷耐磨涂层硬度和耐磨 性。含C量过低，获得的熔敷耐磨涂层硬度低，耐磨性差；含C量过高，获得的熔敷耐磨涂 层脆性大，熔敷层裂纹敏感性增大，表面形成较多细小裂纹。Cr、Nb、W都是强碳化物形 成元素，Cr是铁基合金中的主要合金元素，Nb与C形成的碳化物为多边形块状化合物，具 有提高激光熔敷耐磨涂层的硬度，W的作用在于增加碳化物量，并有细化碳化物的作用，增 加碳化物的稳定性。添加B主要是为了获得高硬度的铁铬硼化物。

制造耐磨部件的基体材料都是含碳量较高且含有多种合金元素的耐磨材料，激光熔敷导 致基体材料表面处于局部熔化，在随后的快速凝固过程中，基体材料发生固态相变产生马氏 体脆性相；同时，部件工作面或次表面的失效部位长期运行往往会引起表面冷作硬化，如果 在部件工作面或次表面的失效部位直接熔敷铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料，获得的熔敷耐磨 涂层与基体材料结合强度低，再制造部件表面激光熔敷涂层的抗疲劳性差，使用寿命低。本 发明提出一种多材料组合设计方法，在熔覆耐磨涂层与基体材料之间熔敷一层过渡层。过渡 层材料选用成型工艺较好的低碳合金钢，可以缓释激光熔敷再制造过程中因熔覆耐磨层和基 体材料间产生较大的温度梯度差在熔覆层中形成的应力集中，同时，还能够吸收部件工作过 程中各种作用力对熔敷耐磨涂层的作用能量，提高再制造部件的耐磨性能和使用寿命。

本发明所述的一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制备方法，熔覆合金材 料粉末颗粒大小为60－120μm，成分按质量百分比计(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。过渡层材料选用成型工艺较好的低碳 合金钢，过渡层厚度100-120μm。采用高能密度的激光束进行多层熔敷，在失效部位熔敷 一层成型工艺良好的较软过渡层，然后再在过渡层表面熔敷一层铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材 料作为耐磨涂层。采用1.0KW脉冲Nd：YAG固体激光器进行激光熔敷，脉宽6.0ms，光斑直 径2.0mm，离焦位置10mm；熔敷速度3mm/s，熔敷合金粉末通过侧向送粉方式送入激光熔敷 熔池，激光熔敷前对粉末进行真空烘干处理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量3.0g/min； 采用氩气保护激光熔敷熔池，保护气流量10L/min。

本发明所述的一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制备方法，达到的技术 指标：

(1)激光熔敷耐磨涂层与基体结合强度150-200MPa；

(2)激光熔敷耐磨涂层的耐磨性是高Cr合金铸铁材料耐磨性的1.1－1.4倍。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料及其耐磨涂层的制备方法，下述所有实 施例均采用熔覆合金材料粉末颗粒大小为60－120μm，成分按质量百分比计(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。过渡层材 料选用成型工艺较好的低碳合金钢，过渡层厚度100-120μm。采用高能密度的激光束进行 多层熔敷，在失效部位熔敷一层成型工艺良好的较软过渡层，然后再在过渡层表面熔敷一层 铁碳铬铌钨硼合金系耐磨材料作为耐磨涂层。采用1.0KW脉冲Nd：YAG固体激光器进行激光 熔敷，脉宽6.0ms，光斑直径2.0mm，离焦位置10mm；熔敷速度3mm/s，熔敷合金粉末通过 侧向送粉方式送入激光熔敷熔池，激光熔敷前对粉末进行真空烘干处理，以去除粉末表面吸 附的水分，送粉量3.0g/min；采用氩气保护激光熔敷熔池，保护气流量10L/min。实施例见 下表1：

表1 激光熔敷合金材料成分及其性能