高强韧性激光熔敷涂层用铁基合金粉末

摘要

一种合金材料技术领域的高强韧性激光熔敷涂层用铁基合金粉末，其组分含量为：0.60％～1.00％的C、0.35％～0.70％的Si、0.30％～0.60％的Mn、5.00％～7.00％的Cr、2.50％～4.00％的Ni、1.50％～2.50％的Mo、1.00％～1.50％的W、0.70％～1.00％的V、0.20％～0.40％的Ti、0.50％～0.70％的B、0.20％～0.40％的Nb、0.10％～0.30％的Ce，余量为Fe，本发明具有在无需预热和后热处理的条件下即可获得大面积无裂纹的铁基激光熔敷合金涂层，熔覆合金层硬度高，达到62HRC～67HRC，屈服强度达到1700MPa～2000MPa。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种合金材料技术领域的粉末，具体是一种高强韧性激光熔敷涂层用铁基合金粉末。

背景技术

表面工程技术领域中，传统的埋弧堆焊、热喷涂等表面工程技术已很难对类似于冷轧辊高载荷、一定的耐冲击韧性废旧零件进行恢复和性能提升。相比较埋弧堆焊、热喷涂等技术，激光熔敷技术是一种新型表面处理技术，激光熔敷层具有超固溶强化、位错强化、细晶强化、颗粒强化等效果，使得其具有高表面硬度，从而使得熔敷合金具有高速、高载荷摩擦磨损条件下的高耐磨性和抗疲劳性能。

激光熔敷是以高能密度的激光束作为热源，在基体材料表面熔焊一层新材料，从而使金属材料表面具有耐磨、耐蚀、抗氧化和热稳定性能好等优异性能的技术。然而，高硬度耐磨激光熔敷存在着熔敷过程中和服役过程中的裂纹问题，这一直是激光熔敷应用面临的棘手问题。激光熔敷的快速加热和快速冷却使得产生的熔敷层具有和普通金属熔炼不同的特点，熔敷层中的大块硬质相的不良分布以及铸态枝晶间块状或网状碳化物是产生裂纹的诱因，熔敷层材料的凝固收缩及与基材热膨胀系数的不匹配所产生的拉应力是导致熔敷层裂纹扩展直至开裂的直接因素。近年来，国内外从采用梯度材料、预热缓冷和调整工艺参数等工艺方面对降低熔敷层的开裂敏感性做了大量研究，通过在合金粉末中降低碳含量、添加Ti、稀土元素细化晶粒等材料设计降低熔敷层的开裂敏感性，设计出一些激光熔敷专用铁基合金粉末，以上方法虽然对抑制熔敷层裂纹起到一定的作用，但这些粉末还存在一定局限性。过高的碳含量(＞1％)则使涂层韧塑性显著降低，而过低的碳含量(＜0.25％)会使涂层达不到高硬度要求。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 1737197A(激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法)报道了一种通过超声振动改善熔覆成形组织，减小残余拉应力，减小和消除裂纹的发明，但这种方法设备繁琐。中国专利文献号CN 101381869A(激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末)报道了一种发明，熔覆层虽然可以降低裂纹敏感性，但由于较低含碳量(0.4％)和合金元素含量(10％)，难以生成弥散颗粒增强相，熔敷层硬度值在63HRC以下，抗拉强度为1300MPa，难以达到冷轧辊要求的高硬度(63～70HRC)，在应用于类似于冷轧辊的处于高载荷磨损工况的零部件表面强化方面还存在困难。CN 101298119A(激光熔敷合金焊粉)也报道了一种发明，其本质类似于1Cr13或2Cr13不锈钢类的焊接材料，以中碳(0.3～0.5％)、高铬(13％)和高硼(1.5％)为特征，但主要针对热轧辊的表面强化和修复。目前市场上缺乏一种针对冷轧辊之类的在高载荷磨损工况下应用的机械零部件的高硬度高韧性、较低成本的激光表面熔敷专用铁基合金粉末，以实现此类零部件的激光熔敷修复。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种高强韧性激光熔敷涂层用铁基合金粉末，实现以颗粒增强熔敷涂层基体组织，球化熔敷层枝晶间块状碳化物，以残余奥氏体韧化枝晶间，从而抑制熔敷层开裂的激光熔敷铁基合金粉末以应用于对类似于冷轧辊高载荷摩擦磨损应用场合的机械零件的激光熔敷修复和表面强化。该合金粉末可以在无需预热和缓冷的条件下，即可获得无裂纹、高强韧性的高耐磨激光熔敷铁基合金，这种激光熔敷铁基合金同时还具有较高的抗回火性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明合金粉末由C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Ce和Fe组成，其组分的重量百分比含量依次为：0.60％～1.00％的C、0.35％～0.70％的Si、0.30％～0.60％的Mn、5.00％～7.00％的Cr、2.50％～4.00％的Ni、1.50％～2.50％的Mo、1.00％～1.50％的W、0.70％～1.00％的V、0.20％～0.40％的Ti、0.50％～0.70％的B、0.20％～0.40％的Nb、0.10％～0.30％的Ce，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。

所述的合金粉末的粒度为150～300目。

一种根据上述任一权利要求所述合金粉末所形成的熔敷层组织，该熔敷层组织中以马氏体和残余奥氏体为基体，微、纳米颗粒增强基体，枝晶间为残余奥氏体韧化。

本发明的制备方法：将相应各种金属粉末按照上述配方配料后经过充分机械球磨混合而成。或按照上述的原料配比选择金属材料，将金属材料轧碎成小料，在冶炼炉中用高温冶炼成液体，以氮气为雾化介质进行雾化，在无氧或低氧环境下让金属粉末冷却至室温，然后进行粉末筛分。

采用本发明的铁基合金粉末进行激光熔敷时，激光热源可以是YAG固体激光，也可以是CO2气体激光，也可以是半导体激光或光纤激光。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明提出的上述成分铁基合金粉末，特别适用于高载荷工作状态下、有高强韧性要求的铁基合金零件的激光熔敷强化和修复，如冷轧辊的辊面激光熔敷强化和修复。激光熔敷铁基合金粉末工艺性能好，在无需预热和后续热处理的条件下即可获得无裂纹的激光熔敷铁基合金。

用本发明制成的铁基激光熔敷合金涂层的主要性能指标有：室温下，铁基激光熔敷合金涂层硬度为62HRC～67HRC，屈服强度为1700MPa～2000MPa。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：由C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Ce和Fe组成，其中各组分按重量百分比为：0.60％的C、0.42％的Si、0.50％的Mn、5.50％的Cr、2.50％的Ni、1.50％的Mo、1.50％的W、0.70％的V、0.25％的Ti、0.50％的B、0.30％的Nb、0.20％的Ce，余量为Fe。采用上述配方，将各种粒度为150～300目的粉末经过充分机械球磨混合而成。采用激光为热源，将合金粉末熔覆在冷轧辊用钢9Cr2Mo的基体上，获得的熔敷涂层硬度为HRC63，屈服强度为1721MPa。

实施例2：由C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Ce和Fe组成，其中各组分按重量百分比为：0.70％的C、0.45％的Si、0.50％的Mn、6.50％的Cr、3.50％的Ni、2.00％的Mo、1.00％的W、0.80％的V、0.35％的Ti、0.60％的B、0.30％的Nb、0.25％的Ce，余量为Fe。采用上述配方，涂层制备方法同实施例1。获得的熔敷涂层硬度为HRC65，屈服强度为1842MPa。

实施例3：由C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Ce和Fe组成，其中各组分按重量百分比为：0.90％的C、0.50％的Si、0.50％的Mn、7.00％的Cr、4.00％的Ni、2.00％的Mo、1.50％的W、0.80％的V、0.40％的Ti、0.70％的B、0.30％的Nb、0.30％的Ce，余量为Fe。采用上述配方，涂层制备方法同实施例1。获得的熔敷涂层硬度为HRC67，屈服强度为1962MPa。