含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法
【專利摘要】含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法，屬于激光熔覆【技術領域】。對鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；將熔覆用合金粉末按化學成分與CeO2配比進行機械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層；合金粉末元素成分為：Nb：10-15wt.%，Cr：10-15wt.%，B：1-3wt.%，Si：1-3wt.%，C：1.5-5.5wt.%，其余為Fe和不可避免的微量雜質；CeO2的添加量為合金粉末的3-8wt%。本發明原位反應生成陶瓷硬質相，并且與基體呈良好的冶金結合，該涂層組織致密，無氣孔和裂紋。
【專利說明】含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光熔覆【技術領域】，具體涉及一種含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]由于激光特有的優良屬性，自20世紀中期激光器研制成功以來，已被廣泛應用于科學技術研究和工業生產。激光表面改性是激光在表面【技術領域】中新的應用。根據采用不同的激光能量密度和不同的處理方式，激光表面技術中比較典型的方法有激光熔覆、激光相變硬化、激光沖擊強化、激光表面合金化等。這些方法的目的都是為了使工作面獲得高硬度、高耐磨性及高耐腐蝕等性能。從而達到延長工件使用壽命、節約成本的目的。
[0003]激光熔覆是一種先進的表面改性技術，它通過熔覆材料在基體表面的快速熔凝過程提高材料的表面性能。激光熔覆具備諸多優勢，如:基體和熔覆層結合強度高；基體受到的熱影響較小，不易變形等。通過激光熔覆不同材料，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蝕、耐高溫抗氧化等性能，同時降低貴重金屬的消耗。因此該技術在材料表面改性方面具有廣闊的應用前景。
[0004]鐵基合金價格低廉，常溫下力學性能好，與鋼鐵材料表面結合強度高。而添加硬質相顆粒可以顯著提高熔覆層硬度并有效抑制汽車擠壓模具凸凹模之間的拉延破壞。因此， 常用該合金體系對破損的模具材料表面進行修復。
[0005]陶瓷具有高熔點、高硬度、熱穩定性好等優點，常用作金屬基激光熔覆層的增強相。原位自生的陶瓷增強相顆粒尺寸較為細小，與基體界面結合較好，裂紋傾向較低，是近年來發展較快的金屬基復合材料制備方法。NbC陶瓷顆粒具有高熔點、高硬度、高彈性模量等優越性能，是一種常用的涂層增強相。然而，由于激光熔覆過程冷卻速度極快，加之復合涂層各物相之間的組織應力相對較高。因此，涂層內部常會出現裂紋、氣孔等缺陷，或存在與基體潤濕性差等問題，導致涂層剝落等現象發生。
[0006]研究顯示:稀土元素可有效抑制涂層中孔洞、裂紋等缺陷，并促進硬質相顆粒析出、細化組織、提高涂層固溶度，進而提高涂層的力學性能。因此本項發明中，在合 金粉末中添加了 CeO2。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是:針對現有激光熔覆存在的缺點及汽車擠壓模具磨損失效機制，提出一種含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法，解決汽車模具鋼表面強化問題。
[0008]一種含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層及其制備方法，該方法是按照以下步驟進行的:
[0009](I)基體預處理[0010]對鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；
[0011](2)激光熔覆
[0012]將熔覆用合金粉末按照化學成分與CeO2配比進行機械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層。
[0013]作為對本發明的限定，本發明所述的制備涂層時所用合金粉末元素成分為:
[0014]Nb: 10-15wt.%
[0015]Cr: 10-15wt.%
[0016]B:l-3wt.%
[0017]Si:l-3wt.%
[0018]C:1.5-5.5wt.%
[0019]其余為Fe和不可避免的微量雜質。
[0020]合金粉末粒度范圍為75-150 iim。在合金粉末中再添加粒度范圍為35_45 y m的 Ce02。CeO2的添加量為熔覆合金粉末總質量的3_8wt%。熔覆層組織致密，無氣孔、裂紋，涂層與基體呈現良好冶金結合，原位合成的NbC顆粒分布均勻。
[0021]此外，為了獲得具有`特定力學性能、微觀組織結構與基體結合良好的均勻致密的涂層，需選擇合適的激光熔覆工藝參數及粉末成分。激光熔覆工藝參數主要包括激光功率、 掃描速度、送粉率等。激光功率增加、掃描速度減小，會使更多粉末熔化，提高結合強度降低開裂傾向，但激光功率過大、掃描速度過慢會造成一部分硬質相合成元素燒損，也會使稀釋率增加。送粉率增大，熔覆層厚度增加，稀釋率降低，但裂紋敏感性增加。因此，只有各工藝參數間實現良好的搭配，才能獲得符合使用要求的涂層。鑒于此，本發明所述的激光熔覆工藝參數為:激光功率1500-2000W、掃描速度3-8mm/s ;光斑直徑:5X5mm ;送粉率:10_15g/ min !氣流量:10_15L/mino
[0022]通過激光加熱，涂層中原位合成陶瓷顆粒硬質相為NbC。
[0023]上述鋼基體優選Crl2MoV鋼。
[0024]采用上述方案后，本發明取得的有益效果是:熔覆粉末在激光能量照射下原位反應生成陶瓷硬質相，并且與基體呈良好的冶金結合，該涂層組織致密，無氣孔和裂紋。本發明的激光熔覆原位合成陶瓷相增強Fe基熔覆層的制備工藝簡單、操作方便、易于實現自動化、無污染等優點，且熔覆不需要在真空條件下進行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于復雜表面的修復。該涂層顯微硬度值達1000HV以上。同時不使用鈷、鎢、釩、鑰等貴重金屬， 在材料表面改性上具有顯著的經濟和社會效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1所得熔覆層顯微組織圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明將就以下實施例作進一步說明。
[0027]實施例1:
[0028]在較高功率，較大送粉率下制備涂層，獲得高度、寬度較大的熔覆層。
[0029](I) Crl2MoV鋼基體預處理[0030]對加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面進行砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面。
[0031](2)激光熔覆
[0032]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0033]Nb:10wt.%
[0034]Cr: 15wt.%
[0035]B:1.62wt.%
[0036]Si:1.5wt.%
[0037]C:2.5wt.%
[0038]其余為Fe和不可避免的微量雜質。
[0039]合金粉末粒度范圍為75_150μπι。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 μ m的Ce02。CeO2添加量為熔覆合 金粉末總質量的4wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調節激光熔覆工藝參數，激光功率2000W、掃描速度4mm/s、光斑直徑:5X 5mm、送粉率:15g/min、氬氣流量:15L/min。在該工藝參數下制備原位合成NbC增強Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為1002HV。熔覆層顯微組織見圖1。
[0040]實施例2:
[0041]在較低功率，較小送粉率下制備涂層，獲得高度、寬度較小的熔覆層。
[0042](I) Crl2MoV鋼基體預處理
[0043]對加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0044](2)激光熔覆
[0045]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0046]Nb: 15wt.%
[0047]Cr: IOwt.%
[0048]B:1.62wt.%
[0049]Si:1.5wt.%
[0050]C:4.5wt.%
[0051]其余為Fe和不可避免的微量雜質。
[0052]合金粉末粒度范圍為75_150μπι。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 μ m的Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質量的3wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調節激光熔覆工藝參數，激光功率1500W、掃描速度6mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:10g/min、氬氣流量:10L/min。在該工藝參數下制備原位合成NbC增強Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為1016HV。
[0053]實施例3:
[0054]提高熔覆粉末中的C含量，獲得高硬度涂層。
[0055](I) Crl2MoV鋼基體預處理
[0056]對加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0057](2)激光熔覆[0058]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0059]Nb: 12wt.%
[0060]Cr: 12wt.%
[0061]B:1.62wt.%
[0062]Si:1.5wt.%
[0063]C:5.5wt.%
[0064]其余為Fe和不可避免的微量雜質。
[0065]合金粉末粒度范圍為75_150iim。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 ii m的 Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質量8wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調節激光熔覆工藝參數，激光功率1800W、掃描速度8mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:12g/min、氬氣流量:12L/min。在該工藝參數下制備原位合成NbC增強Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為 1065HV。
[0066]實施例4:
[0067]降低熔覆粉末中的C含量，獲得韌性較好的涂層。
[0068](I) Crl2MoV鋼基體預處理
[0069]對加工好的汽車模具鋼Crl2MoV鋼基體表面用砂紙打磨、除油、除銹，得到平整光潔的表面；
[0070](2)激光熔覆
[0071]制備涂層所用合金粉末成分為:
[0072]Nb:13wt.%
[0073]Cr:1 lwt.%
[0074]B:2.53wt.%
[0075]Si:1.89wt.%
[0076]C:1.5wt.%
[0077]其余為Fe和不可避免的微量雜質。
[0078]合金粉末粒度范圍為75_150iim。在合金粉末中添加粒度范圍為35_45 ii m的 Ce02。CeO2添加量為熔覆合金粉末總質量6wt.%。配粉后混合均勻并干燥2h。調節激光熔覆工藝參數，激光功率1800W、掃描速度4mm/s、光斑直徑:5X5mm、送粉率:10g/min、氬氣流量:15L/min。在該工藝參數下制備原位合成NbC增強Fe基涂層。涂層表面顯微硬度為 1003HV。
[0079]以本發明的幾項實施例為啟示，并通過本發明的說明內容,工作人員可以在本項發明技術范圍內進行變更以及修改。本發明技術性范圍不局限于上述實施例的內容，要根據權利要求范圍確定技術性范圍。
【權利要求】
1.一種含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)基體預處理對鋼基體表面用砂紙打磨、除銹、除油，得到平整光潔的表面；(2)激光熔覆將熔覆用合金粉末按照化學成分與CeO2配比并進行機械混合，混合均勻后干燥，裝入送粉器中，采用同軸送粉激光熔覆方式，在鋼基體表面制備耐磨涂層；合金粉末元素成分為:Nb:10-15wt.%Cr:10-15wt.%B:l-3wt.%Si:l-3wt.%C:1.5-5.5wt.%其余為Fe和不可避免的微量雜質；CeO2的添加量為合金粉末總質量的3_8wt%。
2.按照權利要求1的方法`，其特征在于，合金粉末粒度范圍為75-150μ m，CeO2粒度范圍為 35-45 μ m。
3.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(2)激光熔覆工藝參數為:激光功率1500-2000W、掃描速度3-8mm/s ;光斑直徑:5X5mm ;送粉率:10_15g/min ;氬氣流量:10-15L/min。
4.按照權利要求1的方法，其特征在于，鋼基體優選Crl2MoV鋼。
5.按照權利要求1-4所述的任一方法得到的含稀土元素的NbC顆粒增強鐵基耐磨激光熔覆涂層。
【文檔編號】C23C24/10GK103526198SQ201310247604
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2013年6月20日
【發明者】李慶棠, 雷永平, 喬虹, 蔣志強, 蔣業華, 符寒光 申請人:北京工業大學