一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，該鐵基復合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素構成。該鐵基復合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余為Fe。該鐵基復合粉末的粒度介于+140目～-325目之間。該粉末含有較高含量的C、Cr元素，可有效的提高涂層的硬度，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求，其樣品熔覆層無裂紋、無宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達到HV0.21000，是基體硬度的5倍，且高Cr含量提高了鐵基復合粉末熔覆層的耐腐蝕性，可用于常溫和高溫耐磨和耐腐蝕的工作條件。
【專利說明】一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光熔覆【技術領域】，特別是一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末。
【背景技術】
[0002]激光表面改性技術已廣泛應用于零件表面微觀結構和成分改良，以提高其耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性等性能。作為激光表面改性領域中最重要的技術之一，激光熔覆技術可以不受基體材料的制約，是改良材料表面性能的一種經(jīng)濟有效的手段，它利用激光光源的高能量，將特定的合金粉末與基材表面形成一復雜的物理化學過程和快速凝固過程，在基材表面形成結合致密的冶金涂層。與傳統(tǒng)的表面涂層技術，如熱噴涂、等離子熔覆等技術相比，激光熔覆具有熱影響區(qū)小，熱型變量小，熔覆層組織晶粒細小、熔覆層和基底的結合為冶金結合等優(yōu)點。激光熔覆技術可在低成本的基材上制備高性能的表面涂層以節(jié)省大量的貴重合金、稀有金屬等材料，極大的降低了制作成本，可廣泛應用于汽車、航空、模具軋輥等工業(yè)應用，具有顯著的經(jīng)濟效益和發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]然而，目前國內(nèi)外市場上幾乎沒有激光熔覆專用的金屬粉末，大多為熱噴涂所用的自熔性合金粉末，其中市場上常見的Fe基自熔性合金粉末元素質(zhì)量百分比如下:C:0.1 ?0.5%，Cr:10 ?13%, B:0.5 ?1.6%, Si:0.5 ?1.2%，余量為 Fe，這些粉末用于激光熔覆存在很多問題，比如裂紋、氣孔、成分不均勻等，不能完全滿足和適用于特定基材的激光熔覆工藝要求，限制了激光熔覆技術的應用。自熔性合金粉末主要組成元素有:C、Fe、N1、Co、Cr、S1、B等，根據(jù)其主要成分的不同，主要分為鐵基合金粉末、鎳基合金粉末和鈷基合金粉末，其具有脫氧、還原、造渣、除氣、潤濕金屬表面、良好的固態(tài)流動性、適中的粒度、含氧量較低等特性。然而，相比熱噴涂，自熔性合金粉末用于激光熔覆技術時，合金從熔化到冷卻速度更快，是一急熱急冷的過程，造成了熔覆層內(nèi)枝晶偏析更嚴重，且一些脆性低熔點的化合物來不及浮到熔池表面而殘留在涂層內(nèi)，使熔覆層內(nèi)易形成氣孔和裂紋，特別是硬度高于HVa2500時這種現(xiàn)象更加明顯。由于實際生產(chǎn)中的金屬零件主要是鐵基基體材料，鐵基合金粉末與鐵基基體結合良好，成本相比鎳基和鈷基的較低，易于研究和推廣應用。因此開發(fā)激光熔覆專用的鐵基合金粉末具有重要的戰(zhàn)略意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，以解決激光熔覆自熔性合金粉末時所產(chǎn)生的缺陷，實現(xiàn)激光熔覆的應用。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，該鐵基復合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構成。
[0008]上述方案中，該鐵基復合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ;C:4.2?4.5% ；Ni:3 ?5% ；Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。
[0009]上述方案中，該鐵基復合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
[0010]上述方案中，所述Cr3C2Xr和Fe的化合物在激光熔覆時可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能夠有效提高熔覆層的硬度和耐磨性。
[0011]上述方案中，所述Cr元素能夠提高鐵的電極電位，阻止電化學腐蝕的發(fā)生，提高了熔覆層的耐腐蝕性。
[0012]上述方案中，所述Si和B元素在激光熔覆時起到脫氧、造渣和潤濕的作用，其中元素Si和Fe能夠生成熔覆層中的韌性相Y ’ (Fe, Si)。
[0013]上述方案中，所述Ni元素能夠增加涂層的潤濕性，提高熔覆層的潤濕角，并提高熔覆層表面的光滑程度和亮度。
[0014]上述方案中，所述Mo元素能夠細化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0015]上述方案中，該鐵基復合粉末在激光熔覆，其熔覆層無裂紋、無宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度是基體硬度的5倍。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其結構主要由Cr3C2, Cr和Fe的化合物，以及少量N1、Mo、S1、B組成。其中Cr3C2, Cr和Fe的化合物在激光熔覆時可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，可有效提高熔覆層的硬度和耐磨性；Si和B在激光熔覆中起到脫氧、造渣和潤濕等作用，其中元素Si和Fe可生成熔覆層中的韌性相Y’(Fe，Si) ;Ni元素可以增加涂層的潤濕性，提高熔覆層的潤濕角，并提高了熔覆層表面的光滑程度和亮度；而少量的Mo元素可細化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0019]2、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，與鐵基基體結合良好，成本相比鎳基和鈷基的較低，其中高鉻含量一可以增加熔覆層中的碳化鉻硬質(zhì)相，進而提高了鐵基復合粉末熔覆層的硬度；二鉻元素可以提高鐵的電極電位，阻止電化學腐蝕的發(fā)生，并且使熔覆層的內(nèi)部電極電位基本一致，減小其原電池腐蝕，進而提高了鐵基復合粉末熔覆層的耐腐蝕性，可用于常溫和高溫耐磨和耐腐蝕的工作條件。
[0020]3、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，含有高鉻含量的鐵基復合粉末是針對激光熔覆特別研制的，其熔覆層無裂紋、無宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達到HVa2IOOO,約是基體硬度的5倍，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求，可開發(fā)石油鉆桿接頭、螺旋輸送器水輪機葉片、高爐料鐘、料頭、泥漿泵、粉碎機、襯板等部件的應用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末的組分占比示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層截面的光鏡掃描照片；
[0023]圖3是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層能譜檢測圖；[0024]圖4是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層硬度曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0026]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末的組分占比示意圖，該鐵基復合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構成。其中，該鐵基復合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ；C:4.2?4.5% ;Ni:3 ?5% ；Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。該鐵基復合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
[0027]對于上述用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，各元素和含量作用分析如下:
[0028]I)相比于常見的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復合粉末中C元素含量高出9倍可達到4.5 %，析出的C會生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，硬質(zhì)相的增多可有效提高熔覆層的硬度和耐磨性；
[0029]2)相比于常見的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復合粉末中Cr元素含量高出4倍左右可達到40%，高含量Cr元素既可以增加熔覆層中的碳化鉻硬質(zhì)相，進而提高了鐵基復合粉末熔覆層的硬度；高含量Cr元素又可以提高鐵的電極電位，阻止電化學腐蝕的發(fā)生，并且使熔覆層的內(nèi)部電極電位基本一致，減小其原電池腐蝕，進而提高了鐵基復合粉末熔覆層的耐腐蝕性；
[0030]3)相比于常見的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復合粉末中添加了少量Ni元素，Ni元素可以增加涂層的潤濕性，提高熔覆層的潤濕角，并提高了熔覆層表面的光滑程度和亮度，此外Ni元素也可以提高熔覆層的耐腐蝕性；
[0031]4)相比于常見的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復合粉末中B元素和Si元素也較高，Si和B在激光熔覆時起到脫氧、造渣和潤濕等作用，減少了熔覆層中的氣孔和裂紋的產(chǎn)生；
[0032]5)相比于常見的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復合粉末中添加了少量的Mo元素，Mo元素可細化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0033]此外該粉末粒度介于+140目?-325目之間，送粉時可均勻送出，在熔覆界面具有良好的流動性，既可迅速熔化又不會被燒蝕損耗。
[0034]本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，是專門針對激光熔覆而開發(fā)的合金粉末，其熔覆層具有耐磨、耐腐蝕等特性，無裂紋、無宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達到HVa2IOOO,是基體硬度的5倍，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求?？砷_發(fā)石油鉆桿接頭、螺旋輸送器水輪機葉片、高爐料鐘、料頭、泥漿泵、粉碎機、襯板等部件的應用潛力。
[0035]基于本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，將其應用于具體場景。
[0036]具體場景1:[0037]在尺寸為IOOmmX IOOmmX IOmm的Q235碳鋼基板表面進行激光熔覆，粉末與基材的成分如表1所示。
[0038]表1粉末與基材的成分(wt % )
[0039]
【權利要求】
1.一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，該鐵基復合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，該鐵基復合粉末中各兀素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ;C:4.2?4.5% ;N1:3?5%;Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，該鐵基復合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，所述Cr3C2、Cr和Fe的化合物在激光熔覆時可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能夠有效提高熔覆層的硬度和耐磨性。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，所述Cr元素能夠提高鐵的電極電位，阻止電化學腐蝕的發(fā)生，提高了熔覆層的耐腐蝕性。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，所述Si和B元素在激光熔覆時起到脫氧、造渣和潤濕的作用，其中元素Si和Fe能夠生成熔覆層中的韌性相Y ’(Fe，Si)。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，所述Ni元素能夠增加涂層的潤濕性，提高熔覆層的潤濕角，并提高熔覆層表面的光滑程度和亮度。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，所述Mo元素能夠細化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復合粉末，其特征在于，該鐵基復合粉末在激光熔覆，其熔覆層無裂紋、無宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度是基體硬度的5倍。
【文檔編號】C23C24/10GK103752818SQ201410027410
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】林學春, 王奕博, 趙樹森, 高文焱, 周春陽, 劉發(fā)蘭 申請人:中國科學院半導體研究所