一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法

摘要

本发明涉及一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法，合金粉末材料原料组成如下：高碳铬铁粉8.4‑11.6％，低碳铬铁粉17.6‑24.4％，镍粉5.0‑6.3％，硅铁粉0.1‑0.9％，锰铁粉3.0‑4.5％，钼铁粉1.1‑3.3％，钒铁粉0.2‑0.6％，铌铁粉0.3‑0.8％，余量为还原铁粉。本发明制备的熔覆层材料热强性高，回火抗力高，高温抗氧化性好，且具有高硬度和高耐磨性，与Q235钢结合性良好，具有较高的经济应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于表面涂层领域，具体涉及一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法。

背景技术

表面熔覆技术是材料表面改性的重要方法之一，可以根据零部件的不同，以较低成本在材料表面制备出满足性能要求的复合材料。其中，钨极氩弧熔覆方法具有热量集中、灵活性高、覆层与基体结合牢固的特点，可以有效提高熔覆材料的表面性能，在热机部件、高温锅炉、成型模具等领域上有广泛的应用前景。

目前钨极氩弧熔覆层材料主要有铁基和镍基合金，国内外关于钨极氩弧熔覆层改性的研究主要通过在Ni基合金粉末中添加SiC，或原位生成TiC、TiB₂等陶瓷颗粒来强化熔覆层，由于主要组元Ni属于稀缺金属，价格昂贵，大幅增加了材料的成本，而且覆层材料的使用性能也不够理想。

铁基合金粉末使用范围较广，熔覆后界面与基体形成冶金结合，成分与钢件相近。此外，铁基合金粉末相对便宜，可有效降低成本，因此研究钨极氩弧熔覆用铁基合金粉末材料具有广泛的技术价值。

采用现有铁基合金粉末作为熔覆材料在Q235钢板等基体上进行表面改性，存在熔覆层热强性不足的问题。为此，本发明研制得到了具有高热强性和良好的抗高温氧化性的钨极氩弧熔覆层材料，且保持了高硬度和耐磨性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料及熔覆层制备方法，由该合金粉末材料制备的熔覆层热强性高、回火抗力高、抗高温氧化性好，且保持了高硬度和高耐磨性，具有较高的经济应用价值。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料，按重量百分比计，合金粉末材料原料组成如下：高碳铬铁粉8.4-11.6％，低碳铬铁粉17.6-24.4％，镍粉5.0-6.3％，硅铁粉0.1-0.9％，锰铁粉3.0-4.5％，钼铁粉1.1-3.3％，钒铁粉0.2-0.6％，铌铁粉0.3-0.8％，余量为还原铁粉。

按上述方案，所用原料及其规格牌号分别为：高碳铬铁粉FeCr55C6、低碳铬铁粉FeCr69C0.25、镍粉Ni99、硅铁粉FeSi75、锰铁粉FeMn84C0.30、钼铁粉FeMo60、钒铁粉FeV80、铌铁粉FeNb60-A、还原铁粉Fe99。

按上述方案，所述原料纯度≥99wt％，粒径为100～150目。

本发明还包括应用上述合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将原料按比例称重后，经球磨机混合、球磨1～3h，然后倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)将基体表面进行预处理除去表面氧化层；

3)将步骤1)所述原料采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)所述基体表面制备熔覆层；

4)对步骤3)所得熔覆层进行回火处理，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

按上述方案，步骤2)所述基体为Q235钢。

按上述方案，步骤2)所述预处理工艺为：基体表面先经180目砂纸预磨，然后利用粒度为60目棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理，气压为0.4-0.6MPa，粗化处理时间为10s。

按上述方案，所述钨极氩弧熔覆工艺参数为：焊接电流100～120A，焊接速度70～80mm/min，钨针伸出长度4～5mm，氩气流量6～7L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度50～60g/min。

按上述方案，步骤4)所述回火工艺条件为：回火温度为550～570℃，回火时间为2～4h。

本发明的有益效果在于：(1)本发明提供一种高热强性铁基熔覆层用合金粉末材料，发挥各个元素的最大优势：Ni主要用于提高材料润湿性并改善熔覆层性能，改善覆层材料的抗裂性和耐蚀性；Cr主要通过固溶强化及形成合金碳化物等方式，显著提高熔覆层材料的硬度、耐磨性、耐蚀性；Mo主要提高熔覆层的回火抗力，并起到了细化晶粒的作用，生成硬质相提高合金耐磨性；V、Nb主要与C形成细小的特殊碳化物，能细化晶粒、提高回火抗力，并且Nb还能降低钢的热敏感性；此外，Si和Mn主要用于脱氧，利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数，另外Mn是强奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区，改善熔覆层材料的韧性，有利于提高熔覆层材料的耐磨性和抗蚀性；(2)本发明提供的制备高热强性铁基熔覆层的方法工艺简单，实施简便，成本低廉，性能突出，无需焊前预热、焊后缓冷，焊接过程中飞溅小，并且制备的熔覆层表面平滑均匀，无裂纹，无脱落掉块，具有很大的实用价值；(3)本发明制备的熔覆层材料成形性好、硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性好、回火抗力高，与Q235钢结合性良好，与典型的热作模具钢H13钢和4Cr13钢相比，综合性能有显著提升，具有很高的经济价值。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用原料粉末及其规格牌号分别为：高碳铬铁粉FeCr55C6、低碳铬铁粉FeCr69C0.25、镍粉Ni99、硅铁粉FeSi75、锰铁粉FeMn84C0.30、钼铁粉FeMo60、钒铁粉FeV80、铌铁粉FeNb60-A、还原铁粉Fe99。

实施例1

利用合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，步骤如下：

1)选用上述述规格与牌号的原料粉末，各个组分纯度均大于等于99％，粒径为100～150目，将其按比例称重，质量百分比(wt％)为：高碳铬铁粉8.5、低碳铬铁粉20.2、镍粉5.0、硅铁粉0.1、锰铁粉3.0、钼铁粉1.1、钒铁粉0.2、铌铁粉0.3、余量为还原铁粉，原料经球磨机混合、球磨1～3h，获得均匀粉末，然后将粉末倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)基体选用Q235钢板(150mm×50mm×10mm)，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目的棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理去除表面氧化层，气体压力为0.5MPa，粗化处理时间为10s；

3)将步骤1)的粉末采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)的基体表面制备熔覆层，钨极氩弧焊参数：焊接电流(I)110A，焊接速度(V)75mm/min，钨针伸出长度(L)5mm，氩气流量7L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度60g/min；

4)对步骤3)所得熔覆层在560℃下回火处理3h，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

实施例2

利用合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，步骤如下：

1)选用上述述规格与牌号的原料粉末，各个组分纯度均大于等于99％，粒径为100～150目，将其按比例称重，质量百分比(wt％)为：高碳铬铁粉10.0、低碳铬铁粉21.0、镍粉5.6、硅铁粉0.4、锰铁粉3.7、钼铁粉2.2、钒铁粉0.4、铌铁粉0.6、余量为还原铁粉，原料经球磨机混合、球磨1～3h，获得均匀粉末，然后将粉末倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)基体选用Q235钢板，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目的棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理，气体压力为0.5MPa，粗化处理时间为10s；

3)将步骤1)的粉末采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)的基体表面制备熔覆层，钨极氩弧焊参数：焊接电流(I)110A，焊接速度(V)75mm/min，钨针伸出长度(L)4.5mm，氩气流量6.5L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度55g/min；

4)对步骤3)所得熔覆层在560℃下回火处理3h，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

实施例3

利用合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，步骤如下：

1)选用上述述规格与牌号的原料粉末，各个组分纯度均大于等于99％，粒径为100～150目，将其按比例称重，质量百分比(wt％)为：高碳铬铁粉11.5、低碳铬铁粉21.9、镍粉6.3、硅铁粉0.7、锰铁粉4.5、钼铁粉3.3、钒铁粉0.6、铌铁粉0.8、余量为还原铁粉，原料经球磨机混合、球磨1～3h，获得均匀粉末，然后将粉末倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)基体选用Q235钢板，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目的棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理，气体压力为0.5MPa，粗化处理时间为10s；

3)将步骤1)的粉末采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)的基体表面制备熔覆层，钨极氩弧焊参数：焊接电流(I)110A，焊接速度(V)75mm/min，钨针伸出长度(L)5mm，氩气流量7L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度60g/min；

4)对步骤3)所得熔覆层在560℃下回火处理3h，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

实施例4

利用合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，步骤如下：

1)选用上述述规格与牌号的原料粉末，各个组分纯度均大于等于99％，粒径为100～150目，将其按比例称重，质量百分比(wt％)为：高碳铬铁粉11.6、低碳铬铁粉17.6、镍粉5.0、硅铁粉0.1、锰铁粉3.0、钼铁粉1.1、钒铁粉0.2、铌铁粉0.3、余量为还原铁粉，原料经球磨机混合、球磨1～3h，获得均匀粉末，然后将粉末倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)基体选用Q235钢板，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目的棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理，气体压力为0.5MPa，粗化处理时间为10s；

3)将步骤1)的粉末采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)的基体表面制备熔覆层，钨极氩弧焊参数：焊接电流(I)110A，焊接速度(V)75mm/min，钨针伸出长度(L)5mm，氩气流量7L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度60g/min；

4)对步骤3)所得熔覆层在560℃下回火处理3h，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

实施例5

利用合金粉末材料制备高热强性铁基熔覆层的方法，步骤如下：

1)选用上述述规格与牌号的原料粉末，各个组分纯度均大于等于99％，粒径为100～150目，将其按比例称重，质量百分比(wt％)为：高碳铬铁粉8.4、低碳铬铁粉24.4、镍粉6.3、硅铁粉0.9、锰铁粉4.5、钼铁粉3.3、钒铁粉0.6、铌铁粉0.8、余量为还原铁粉，原料经球磨机混合、球磨1～3h，获得均匀粉末，然后将粉末倒入与钨极氩弧焊接设备配套使用的送粉器中；

2)基体选用Q235钢板，表面经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目的棕刚玉对基体表面喷砂粗化处理，气体压力为0.5MPa，粗化处理时间为10s；

3)将步骤1)的粉末采用钨极氩弧熔覆工艺在步骤2)的基体表面制备熔覆层，钨极氩弧焊参数：焊接电流(I)110A，焊接速度(V)75mm/min，钨针伸出长度(L)5mm，氩气流量7L/min，在钨极氩弧稳定起弧后，通过送粉器自动送粉，送粉速度60g/min；

4)对步骤3)所得熔覆层在560℃下回火处理3h，即在基体表面制备得到高热强性铁基熔覆层。

对比例1

选取热作模具钢H13，采取1040±10℃淬火，540±10℃回火处理，制备检测试样：150mm×50mm×10mm。

对比例2

选取马氏体不锈钢4Cr13，采取1000～1050℃淬火，200～300℃回火处理，制备检测试样：150mm×50mm×10mm。

实施例6

测试实施例1-5所得带有熔覆层的材料和对比例1-2所得材料的表面硬度：

采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔覆层取五个点测试硬度，最后得到各熔覆层的平均洛氏硬度值，结果见表1。

表1

通过表1可以发现，与H13及4Cr13相比，本发明得到的熔覆层材料硬度有明显提高。

实施例7

测试实施例1-5所得带有熔覆层的材料和对比例1-2所得材料表面的耐磨性：

采用MM-200型磨损试验机测定耐磨性，试样尺寸为7×7×25mm，摩擦工况为干磨滑动摩擦，加载为5kg，转速为200r/min，实验时间为1h；用电子天平测量磨损前后质量(测量前用超声波清洗仪清洗)，实验结果如表2所示。可以看出，对比例1-2所述材料的失重量是实施例1-5所得熔覆层的3倍左右，与H13钢及4Cr13钢相比，本发明所提供的熔覆层材料的耐磨性显著提高。

表2

试件磨损前质量/g磨损后质量/g失重/mg实施例19.30639.292114.2实施例29.28579.270215.5实施例39.18489.166917.9实施例49.19459.177916.6实施例59.26989.253715.2对比例19.11799.070847.1对比例29.15459.112342.2

实施例8

测试实施例1-5所述带有熔覆层的材料和对比例1-2所得材料的热强性：

采用Gleeble-3800实验机对各实施例与对比例所得材料进行高温力学性能测试，得到500～700℃温度下材料的屈服强度，如表3所示。

表3

通过表3结果可以发现，与H13钢及4Cr13钢相比，本发明得到的熔覆层热强性有明显提升，有利于改善热作模具钢的高温力学性能。

实施例9

测试实施例1-5所得带有熔覆层的材料和对比例1-2所得材料表面的高温抗氧化性：

采用3KW1200箱式电阻加热炉对实验材料样品进行抗高温氧化性测试，氧化温度设为750℃，氧化时间为36h，每隔6h在BS223S电子天平上进行一次试样称重，并记录材料样品质量增加的值(μg.mm^-2)，如表4所示。

表4

通过对比可以发现，与H13钢及4Cr13钢相比，本发明实施例得到的熔覆层材料的高温抗氧化性有很大提升，有利于改善热作模具钢的高温抗氧化性。