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CN105171269A - 铁基耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

铁基耐磨涂层及其制备方法 Download PDF

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CN105171269A CN201510491492.3A CN201510491492A CN105171269A CN 105171269 A CN105171269 A CN 105171269A CN 201510491492 A CN201510491492 A CN 201510491492A CN 105171269 A CN105171269 A CN 105171269A
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李峰伟
杜平
王益山
魏刚
向东
周俊然
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CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
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CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

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Abstract

本发明公开了一种铁基耐磨涂层及其制备方法，该铁基耐磨涂层包含按照原子百分比计的如下组分：Cr：4.5-9.5；Nb：1.8-3.5；B：14.6-17.5；C：2.9-4.8；Si：0.5-0.9；Mn：0.1-1.1；及Mo：1.2-3.5、Cu：0.5-2.7和W：0.5-3.0中的任意一种；Fe：余量。其制备方法包括：1)用真空感应熔炼法制备母合金；2)将母合金用真空气雾化技术制成铁基非晶合金粉末；3)用等离子堆焊法将铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的钢板上，得到铁基耐磨涂层。该铁基耐磨涂层具有优于现有涂层的硬度和耐磨性，成本低，易于实现工业化；且其制备工艺简单，再次降低了成本。

Description

铁基耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别是涉及一种铁基耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
非晶合金具有短程有序长程无序、成分组织均匀、不存在晶体缺陷等特点，具有很高的强度、韧性、良好耐磨和耐蚀性能。铁基非晶合金作为一类重要的非晶合金，它不仅具有一般非晶合金所具有的特点，且大部分铁基非晶合金还具有优异的软磁性能，在磁性材料中获得了广泛的应用。由于铁资源在自然界中储存丰富，制备非晶时要求的真空度较低，所以铁基非晶合金的材料、制备成本低，易于获得推广使用。但是，铁基非晶合金室温塑性较差，制备大尺寸铁基非晶合金的难度较大，限制了其作为结构材料的应用。
金属涂层的制备方法有多种，如热喷涂、等离子堆焊。与热喷涂技术相比，等离子堆焊技术具有成本低、结合强度高、热畸变小、热影响区小、稀释率低等优点，成为目前应用最广泛的耐磨、耐腐蚀涂层的制备工艺。机械部件，例如石油钻杆、阀门、轴承等经常应用于较为苛刻的工况条件下，其表面通常要求耐磨、耐高温、耐腐蚀。因此，等离子堆焊技术已被广泛应用于类似工具零件的表面强化、熔覆技术领域。
真空气雾化法是以快速运动的气体冲击将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法。雾化颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固细化了结晶结构，消除了第二相的宏观偏析。气雾化技术制备的粉末粒度细小、球形度高、氧含量低，目前已经成为生产高性能球形金属及合金粉末的主要方法。
涂层的性能与涂层的成分和显微组织密切相关。一般来说，细小的涂层显微组织有利于硬度和耐磨性的提高，同时韧性和抗裂性也会得到改善。非晶合金具有一定的过冷液相区间，在热量输入时具有抵抗晶粒长大的能力，因此凝固后的晶粒组织更细小。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种铁基耐磨涂层及其制备方法，所述铁基耐磨涂层的主要成分为铁基非晶合金，其具有优于现有涂层的硬度和耐磨性，成本低，易于实现工业化；其制备工艺简单，再次降低了成本。
为此，本发明的技术方案如下：
一种铁基耐磨涂层，包含按照原子百分比计(at.％)的如下组分：
Cr：4.5-9.5；Nb：1.8-3.5；B：14.6-17.5；C：2.9-4.8；Si：0.5-0.9；Mn：0.1-1.1；及Mo：1.2-3.5、Cu：0.5-2.7和W：0.5-3.0中的任意一种；Fe：余量。
所述铁基耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)按照原子百分比配料，采用真空感应熔炼法制备母合金；
2)将所述母合金放入真空雾化炉中，利用真空气雾化技术制备铁基非晶合金粉末；
3)利用等离子堆焊法将所述铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的钢板上，得到铁基耐磨涂层。
所述等离子堆焊的工艺参数为：电压：26-28V，电流：160-200A，焊接速度：35-40mm/min，保护气流速度：10-12L/min，送粉速度：15-20g/min，摆动幅度：20～30mm。
在本发明铁基非晶合金材料的原料成分中，B、C都是类金属元素，除可以降低非晶合金的临界冷却速率外，主要作用是形成非晶合金，而且B、C是重要的耐磨相形成元素；Si、Mn具有联合脱氧和固溶强化作用，可以降低熔点，提高熔融金属流动性，提高非晶形成能力；Cr、Nb、Mo、W能够提高非晶合金的非晶形成能力、抗氧化性能和释放非晶合金带材的应力，同时也是强碳化物形成元素；Cu可以促使各组分的融合更加充分，提高韧性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明提供了一种新的铁基非晶形成成分，该成分含有较多的耐磨相元素Cr、Nb、Mo；而非金属元素C、B、Si使得合金具有良好的非晶形成能力及高硬度；该合金成本较低，易于实现工业化生产。
2.本发明采用了一种常规的等离子堆焊工艺来制备合金涂层，工艺简单，大大降低了制备成本。
3.本发明所获得的铁基耐磨涂层具有很高的硬度和耐磨性，在石油钻杆、阀门、轴承等领域有着极大的应用前景。
附图说明
图1为实施例1得到的铁基非晶合金粉末的扫描电镜(SEM)微观形貌图；
图2是实施例1得到的铁基非晶合金粉末及等离子堆焊制备的涂层的X射线衍射图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的技术方案进行详细描述。
各实施例中铁基非晶合金粉末的制备方法和等离子堆焊方法，如下所述：
1、首先将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Cr-C、Fe-Nb、Fe-Mo、Fe-W、Fe-B合金按照所需要的重量比配制成原料。然后将配制好的金属原料在真空感应炉中熔化、精炼后，熔化的金属液体倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴，此时熔体流被高压气体流所雾化。雾化后的金属粉末在雾化塔中进行凝固、沉降，落入收粉罐中。
2、等离子堆焊的基材选用AISI4137H钢板，尺寸为200mm×150mm×15mm。堆焊前先将钢板表面氧化层用磨床磨掉，然后用丙酮清洗去油，用酒精擦拭干净并吹干。为了减少或者消除焊接应力导致堆焊层裂纹的产生，堆焊前将基材放入200-250℃加热炉中充分预热，并且焊后立即用保温毯包裹缓冷至室温。等离子堆焊工艺参数设定为：电压：26-28V，电流：160-200A，焊接速度：35-40mm/min，保护气流速度：10-12L/min，送粉速度：15-20g/min，摆动幅度：20mm-30mm。
实施例1
利用真空感应熔炼的方法制备构成为Fe66.7Cr5.2Mo3.3Nb3.1B16.7C3.3Si0.8Mn0.9(at.％)的铁基非晶合金母合金，然后将其利用真空气雾化技术得到铁基非晶合金粉末；
利用等离子堆焊法将所述铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的AISI4137H钢板上，得到铁基耐磨涂层；其中AISI4137H钢板的预热温度为200℃，预热时间为1.5小时；采用等离子堆焊工艺具体参数为：电压26V，电流180A，焊接速度35mm/min，保护气流速度为10L/min，送粉速度为15g/min，摆动幅度为25mm。堆焊完成后立即用保温毯包裹缓冷至室温，涂层表面没有肉眼可见的裂纹，成型良好。
实施例2
利用真空感应熔炼的方法制备构成为Fe63.5Cr8.5Cu2Nb3.1B17.3C4.4Si0.7Mn0.5(at.％)的铁基非晶合金母合金，然后将其利用真空气雾化技术得到铁基非晶合金粉末；得到的铁基非晶合金粉末。
利用等离子堆焊法将所述铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的AISI4137H钢板上，得到铁基耐磨涂层；其中AISI4137H钢板的预热温度为220℃，预热时间为1.5小时；采用等离子堆焊工艺具体参数为：电压26V，电流160A，焊接速度35mm/min，保护气流速度为12L/min，送粉速度为18g/min，摆动幅度为25mm。堆焊完成后立即用保温毯包裹缓冷至室温，涂层表面没有肉眼可见的裂纹，成型良好。
实施例3
利用真空感应熔炼的方法制备构成为Fe66.7Cr6.5W2Nb2.5B17.3C4.2Si0.7Mn0.1(at.％)的铁基非晶合金母合金，然后将其利用真空气雾化技术得到铁基非晶合金粉末；得到的铁基非晶合金粉末。
利用等离子堆焊法将所述铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的AISI4137H钢板上，得到铁基耐磨涂层；其中AISI4137H钢板的预热温度为250℃，预热时间为1.5小时；采用等离子堆焊工艺具体参数为：电压28V，电流200A，焊接速度40mm/min，保护气流速度为12L/min，送粉速度为20g/min，摆动幅度为25mm。堆焊完成后立即用保温毯包裹缓冷至室温，涂层表面没有肉眼可见的裂纹，成型良好。
对实施例得到的铁基非晶合金耐磨涂层进行组织结构、硬度、耐磨性实验，利用BRUKERD8FOCUS(Cu-Kα，λ＝0.15406nm)X射线衍射仪对非晶粉末和堆焊涂层进行组织结构的表征与检测，测试结果如表1所示。采用HR-150A型洛氏硬度计对堆焊层取五点测量硬度得到该堆焊层的平均洛氏硬度，载荷为150Kg。采用MLS-225型湿砂橡胶轮磨粒磨损试验机对堆焊层试件进行耐磨性实验，磨损试样尺寸为57mm×25.5mm×6mm，实验参数如下：橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮直径：178mm，橡胶轮硬度：60(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转、精磨4000转，磨料：粒度40-70目石英砂。材料相对耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟。实验采用Fe50粉末作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该成分的相对耐磨性。
实施例1得到的铁基非晶合金粉末的形貌图如图1所示，从图中可以看出，粉末的球形度非常好，具有良好的流动性，适于等离子堆焊。实施例1得到的铁基非晶合金粉末的X射线衍射图如图2所示，粉末(75～150微米)大部分为非晶态。实施例1得到的铁基耐磨涂层的X射线衍射图表明(如图2所示)，涂层中含有NbC和Fe2B硬质相以及α-Fe的组织结构，其中NbC的维氏硬度达到了2400HV，Fe2B的维氏硬度为1600HV，这些硬质相的存在对涂层起到了强化作用。
表1列出了实施例1-3涂层和对比例的硬度、磨损失重量和相对耐磨性，涂层的硬度均大于对比例，相对耐磨性是对比例的2倍左右。
表1实施例1-3和对比例Fe50堆焊层的硬度、磨损失重量和相对耐磨性

Claims (3)

1.一种铁基耐磨涂层，其特征在于包含按照原子百分比计的如下组分：
Cr：4.5-9.5；Nb：1.8-3.5；B：14.6-17.5；C：2.9-4.8；Si：0.5-0.9；Mn：0.1-1.1；及Mo：1.2-3.5、Cu：0.5-2.7和W：0.5-3.0中的任意一种；Fe：余量。
2.如权利要求1所述铁基耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)按照原子百分比配料，采用真空感应熔炼法制备母合金；
2)将所述母合金放入真空雾化炉中，利用真空气雾化技术制备铁基非晶合金粉末；
3)利用等离子堆焊法将所述铁基非晶合金粉末堆焊到表面经清洁处理的钢板上，得到铁基耐磨涂层。
3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述等离子堆焊的工艺参数为：电压：26-28V，电流：160-200A，焊接速度：35-40mm/min，保护气流速度：10-12L/min，送粉速度：15-20g/min，摆动幅度：20～30mm。
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