CN107557781B

CN107557781B - 一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末及其制备方法

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Publication number: CN107557781B
Application number: CN201710764314.2A
Authority: CN
Inventors: 钱铸
Original assignee: Tianjin Gold Casting Technology Development Ltd By Share Ltd
Current assignee: Tianjin Gold Casting Technology Development Ltd By Share Ltd
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: CN107557781A

Abstract

本发明属于激光熔覆技术领域，尤其涉及一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末，包括以下重量百分比的金属原料，C：≦0.12％；Cr：17.5～18.5％；Ni：6～7％；B：0.8～1.0％；Si：1～1.5％；微量元素：1.1～3.4％；余量为Fe；其中，所述微量元素包括按重量百分比计的V：0.2～0.8％；Nb：0.2～0.8％；Ce：0.4～0.8％；Mo：0.2～0.6％；Hf：0.1‑1％。本发明还涉及一种上述合金粉末的制备方法。

Description

一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，尤其涉及一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末，还涉及一种上述合金粉末的制备方法。

背景技术

激光熔覆工艺是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，对基体表面进行改性与修复。

随着激光器技术日益成熟，激光器功率与效率不断提升，激光熔覆工艺日益受到重视，应用领域也越来越多，不同领域的应用对激光熔覆工艺所用材料提出更多要求，例如耐磨、耐蚀、抗氧化等。传统热喷涂技术使用的自熔性合金粉末，加入了大量B，Si等促共晶元素，这些元素可以大幅降低粉体材料的熔点，可以适应火焰喷涂等低热效率热喷涂技术，但是B，Si加入会使熔覆层脆性加大。激光熔覆工艺特点是热能集中、冷却速度快，若采用高B，Si粉体材料，极易出现熔覆裂纹，在制备高硬度耐磨涂层领域存在瓶颈。同时B，Si都是亲氧元素加入过多增加粉体材料氧化，耐腐蚀性降低，在需要抗氧化、耐腐蚀的领域高B，Si也存在局限。

此外，激光熔覆用粉体材料对纯度要求高，氧含量应小于200PPM，以确保形成无气孔、夹渣的致密焊层；为确保粉体材料顺畅、均匀的、不间断的送入熔池，粉体材料要球型或近似球型，且需具有较好的流动性≦14s/50g和较大的松装密度≧4.4g/cm³。

因此，为解决现有技术中存在的问题，适应激光熔覆工艺特点，满足不同功能涂层的性能要求，急需研发激光熔覆工艺技术专用粉体材料。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种硬度高、耐腐蚀、含氧量低、流动性好的激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末，包括以下重量百分比的金属原料，C：≦0.12％；Cr：17.5～18.5％；Ni：6～7％；B：0.8～1.0％；Si：1～1.5％；微量元素：1.4～3.4％；余量为Fe；其中，所述微量元素包括按重量百分比计的V：0.5～0.8％；Nb：0.2～0.8％；Ce：0.4～0.8％；Mo：0.2～0.6％；Hf：0.1-1％。

本发明的优点和积极效果是：

1、低含量B、Si元素的加入，改善了激光熔覆工艺性以及涂层表面平整性，同时提高了抗磨损性，清除了焊层裂纹。

2、微量元素V、Ce、Mo的加入可细化合金晶粒，增加Cr的固熔量，进而改善提高合金的防腐性能。

3、微量元素Nb是碳化物形成元素，可形成稳定的NbC，造成二次硬化，提高基体硬度，提升耐磨性。

4、Hf可以起到净化合金、固溶强化的效果。

5、Hf通过抑制高温晶粒长大，来提高高温(700-800℃)持久强度，与不含Hf的合金粉末相比高温持久强度提高10％以上。

6、Cr、Co,、Mo、Hf高温时析出极为分散的富铪(Hf)型碳化物，如(Cr Mo Hf)₂₃C₆，(Co,Mo,Hf)₂C₆等，可以提高高温抗裂纹能力，提高高温性能。

7、Hf作为碳化物形成元素，可以改变MC型碳化物在晶体内的分布形态，抑制网状碳化物形成，同时降低碳化物偏析。

本发明的另一目的是提供一种上述激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末的制备方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末的制备方法，包括以下步骤：(1)原料的筛选与称量：按照上述重量百分比称取除微量元素之外的金属原料，选用的金属原料表面干燥、洁净，金属原料中S和P的总体含量低于0.001％；(2)烘干焙烧：将称取的金属原料在550-650℃进行烘干焙烧，去除吸附水与结晶水；(3)投料压实：将烘干焙烧后的金属原料混合均匀，投入到感应炉内，压实、盖上炉盖；(4)快速升温：150kg/炉的金属原料在30分钟内加热到1580℃熔炼得到钢液；(5)沉淀脱氧：上述得到的混合钢液采用总的重量百分比为0.5-1％的Si、Ca进行单独或联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入重量百分比为0.05-0.1％的Al进行终脱氧；(7)微量元素合金化：按照上述重量百分比称取除微量元素，将微量元素投入到终脱氧后的钢液中；(8)雾化浇包：倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；(9)高压气体雾化：采用高压惰性气体对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压惰性气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；(10)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。

优选地：所述步骤(9)中高压惰性气体选用纯度大于99.9999％的高压氮气。

本发明的优点和积极效果是：

1、熔炼过程中快速升温，由150kg/炉45分钟，降至30分钟即达1580℃，缩短了炉内吸气时间，减少了炉内氧化，以确保制备的合金粉末含氧量低，可形成无气孔、夹渣的致密焊层。

2、微量元素均在扒渣脱氧后投入，由于微量元素多为稀土及一些活性较强的金属如稀土钇以及常见的活泼金属铝、镁、钛、锆、钽等，这些微量元素含量非常低，但是这些元素在合金内部可以起到钉扎晶界、细化晶粒、同时可以促进强化相析出的作用，加入其中可以提高材料强度、红硬性等性能，但是这些元素较为活跃，如在熔炼初期加入烧损过大，所以需要在熔炼最后期加入，避免烧损过度。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例详细说明如下：

为了适应激光熔覆工艺特点，满足不同功能涂层的性能要求，研发制备激光熔覆工艺技术专用粉体材料，需要经过合金设计、合金熔炼、雾化制粉3个基本步骤。

一、合金设计

根据激光熔覆工艺特点，设计高硬度、耐腐蚀合金粉体材料，本材料以铁元素为基本材料，其主要合金成分为Fe、C、Cr、Ni、B、Si和微量元素(V、Nb、Ce、Mo、Hf)。成分范围为，C≦0.12％，Cr 17.5～18.5％，Ni 6～7％，B 0.8～1.0％，Si 1～1.5％，V 0.5～0.8％，Nb0.2～0.8％，Ce 0.4～0.8％，Mo0.2～0.6％，Hf0.1-1％，其余为Fe。

以下是各种元素在合金中的主要作用。

铁(Fe)：基体元素。

碳(C)：碳含量是铁基材料基本的强化材料可以起到、固溶强化作用，同时淬火时可以增加淬硬性，增加淬火后刚才硬度，同时碳(C)可以与其他元素形成碳化物，碳化物弥散分布在机体内可以明显增加材料耐磨性，达到二次硬化的效果。

铬(Cr)：Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。Cr又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，提高淬透性。

镍(Ni)：明显提升涂层材料的淬透性，同时增加材料韧性，避免熔覆层开裂。

硼(B)：降低粉体材料熔点，降低钢液表面张力，有利于雾化制粉。

硅(Si)：降低粉体材料熔点，降低钢液表面张力，有利于雾化制粉。

钒(V)：V是碳化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中的VC以细小弥散质点折出，造成二次硬化。增加涂层高温硬度，提升耐磨性。

铌(Nb)：Nb是碳化物形成元素，形成稳定的NbC，造成二次硬化，提高基体硬度，提升耐磨性。

铈(Ce)：起到细化涂层组织，同时提升涂层强度与韧性。

钼(Mo)：Mo能使涂层的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。

铪(Hf)：以固溶形式固溶于涂层中，可以提高强度，同时铪可以提升高温强度增加高温耐磨性。

二、合金熔炼

(1)原料的筛选与称量：按照上述重量百分比称取除微量元素之外的金属原料，选用的金属原料表面干燥、洁净，金属原料中S和P的总体含量低于0.001％；

(2)烘干焙烧：将称取的金属原料在550-650℃进行烘干焙烧，去除吸附水与结晶水；

(3)投料压实：将烘干焙烧后的金属原料混合均匀，投入到感应炉内，压实、盖上炉盖；

(4)快速升温：150kg/炉的金属原料在30分钟内加热到1580℃熔炼得到钢液；

(5)沉淀脱氧：上述得到的混合钢液采用总的重量百分比为0.5-1％的Si、Ca进行单独或联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；

(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入0.05-0.1％的Al进行终脱氧；

(7)微量元素合金化：按照上述重量百分比称取除微量元素，将微量元素投入到终脱氧后的钢液中。

三、雾化制粉

(1)雾化浇包：倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；

(2)高压气体雾化：采用高压惰性气体对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压惰性气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；

(3)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施例详细说明如下：

实施例1：

一种激光熔覆粉体材料，包括以下重量百分比的原料，C 0.05％，Cr 17.8％，Ni6％，B 0.8％，Si 1％，微量元素(V 0.2％，Nb 0.2％，Ce 0.4％，Mo0.2％，Hf0.3％)，其余为Fe。

制粉过程：

1)原料筛选与预处理：选用的原料表面干燥、整洁，称取上述重量百分比的原料(除微量元素之外的原料)；

2)烘干焙烧：原料进行600℃烘干焙烧，去掉吸附水与结晶水；

3)投料压实：将原料投入到感应炉内，压实、盖上炉盖；

4)快速升温，150kg/炉经30分钟达1580℃；

5)沉淀脱氧：采用Si、Ca联合沉淀脱氧、镇静处理6分钟；

6)终脱氧：镇静后，升温至1580℃并保温，并且加入0.05-0.1％Al终脱氧；

7)微量元素合金化：按照上述重量百分比称取除微量元素，将微量元素投入到终脱氧后的钢液中；

8)雾化浇包：感应炉倾斜，将钢液倒入包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；

9)液氮雾化：采用高纯度氮气(纯度大于99.9999％)对金属液流进行雾化破碎，气体与钢液接触初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃+5℃之间；

10)干燥筛分：将制得毛粉产品干燥，筛分，制成成品粉。

试验结果：

1、含氧量测定：

采用美国力可TC400行氮氧分析仪，对制得粉体材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表1，含氧量均值为185ppm。

表1实施例1含氧量测试数据

2、流动性测试：

采用英国马尔文ms3000型激光粒度分析仪，对制得粉体材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表2，流动性均值达到13.79s/50g。

表2实施例1流动性测试数据

3、松装密度测试：

采用JL-A3型粉体特性测试仪，对制得粉体材料进行松装密度测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表3，松装密度均值达到4.44g/cm³。

表3实施例1松装密度测试数据

4、硬度测试：

利用该粉体材料进行激光熔覆，采用HR-150A洛氏硬度仪，对制得熔覆层进行硬度测试(HRC硬度)，随机选取十点进行测试，测试结果如表4，HRC硬度均值达到52.5。

表4实施例1硬度测试数据

5、盐雾测试：

利用该粉体材料进行激光熔覆，采用SK-160A型盐雾试验箱，进行中性盐雾试验，制作十个式样进行测试，测试结果如表5，未出现锈蚀的盐雾试验平均时间为145.7小时(h)。

表5实施例1盐雾测试数据

实施例2：

一种激光熔覆粉体材料，包括以下重量百分比的原料，C 0.03％，Cr 18.5％，Ni7％，B 0.8％，Si 1.2％，微量元素(V 0.6％，Nb 0.7％，Ce 0.6％，Mo0.5％，Hf0.8％)，其余为Fe。

制粉过程同实施例1。

试验过程

1、含氧量测定：

采用美国力可TC400行氮氧分析仪对制得粉体材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表6，含氧量均值为188.8ppm。

表6实施例2含氧量测试数据

2、流动性测试：

采用英国马尔文ms3000型激光粒度分析仪，对制得粉体材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表7，流动性均值达到13.58s/50g。

表7实施例2流动性测试数据

3、松装密度测试：

采用JL-A3型粉体特性测试仪，对制得粉体材料进行松装密度测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表8，松装密度均值达到4.502g/cm3。

表8实施例2松装密度测试数据

8、硬度测试：

利用该粉体材料进行激光熔覆，采用HR-150A洛氏硬度仪，对制得熔覆层进行硬度测试(HRC硬度)，随机选取十点进行测试，测试结果如表9，HRC硬度均值达到52.4。

表9实施例2硬度测试数据

5、盐雾测试：

利用该粉体材料进行激光熔覆，采用SK-160A型盐雾试验箱，进行中性盐雾试验，制作十个式样进行测试，测试结果如表10，未出现锈蚀的盐雾试验平均时间为145.4小时(h)。

表10实施例2盐雾测试数据

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以上述实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末的制备方法，所述合金粉末包括以下重量百分比的金属原料，C：≦0.12％；Cr：17.5～18.5％；Ni：6～7％；B：0.8～1.0％；Si：1～1.5％；微量元素：1.1～3.4％；余量为Fe；其中，所述微量元素包括按重量百分比计的V：0.2～0.8％；Nb：0.2～0.8％；Ce：0.4～0.8％；Mo：0.2～0.6％；Hf：0.1-1％，其特征在于：包括以下步骤，

(5)沉淀脱氧：上述得到的钢液采用总的重量百分比为0.5-1％的Si、Ca进行单独或联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；

(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入重量百分比为0.05-0.1％的Al进行终脱氧；

(7)微量元素合金化：按照上述重量百分比称取微量元素，将微量元素投入到终脱氧后的钢液中；

(8)雾化浇包：倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；

(9)高压气体雾化：采用高压惰性气体对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压惰性气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；

(10)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。

2.如权利要求1所述的一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(9)中高压惰性气体选用纯度大于99.9999％的高压氮气。