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CN107815682B - 一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法 - Google Patents

一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：熔覆前基体预处理；S2：熔覆前粉末预处理；S3：熔覆；S4：熔覆后热处理。本发明采用等离子熔覆技术、固溶处理及涂层表面时效工艺，制备出了具有高硬度、高耐磨性和高冲击韧性的Fe‑Ni基合金涂层，既提高了基体材料的表面硬度和耐磨性，又解决了传统硬质颗粒强化金属基耐磨涂层在中高应力等工况下容易开裂的问题，而且制备出的涂层与基体材料具有很好的冶金结合，大大提高了涂层的综合性能，使得基体材料在得到了更加充分的保护，从而延长基体材料使用寿命，具有很好的应用前景。

Description

一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种在高锰钢表面处理方法，尤其涉及一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法。
背景技术
等离子熔覆也称等离子喷焊，是利用等离子束产生的高热量，将合金粉末熔覆在基体金属表面的一种高能束表面改性技术。等离子熔覆是指以钨极为负极，熔覆腔体为正极形成非转移弧回路，稀有气体(氩气)匀速送入腔体内，经电流击穿，腔体内气体分子中部分原子的部分电子被激发游离形成等离子体在喷嘴和钨极间形成非转移弧(小弧)；然后工件接正极与钨极形成新回路，在低压高频电源激发下于工件和钨极间形成转移弧(大弧)，大弧通过喷嘴机械压缩、高压气体的热压缩、带电粒子导致的磁压缩三种效应下共同形成高密度等离子体；以高温等离子体为热源的同时向等离子弧中心均匀送入合金粉末，等离子枪随着PC控制系统完成各类形状熔覆，熔融的合金粉末同基体表面形成熔池，并随着基体快速冷却形成高性能熔覆层的过程。熔覆层组织细小、致密、均匀，涂层无明显的裂纹和气孔。其结合方式为牢固的冶金结合。
在表面改性技术领域中，世界各国的表面工程技术人员对表面熔覆技术、激光熔覆技术的深入研究使其得到广泛的应用和推广。通过二者的技术比较(表1-1)我们可以知道，等离子熔覆技术有明显的优势，熔覆层的质量更高；设备成本更低；操作环境更为简便；应用范围上更宽。
表1-1激光熔覆技术和等离子熔覆技术的各项指标
Tab.1-1Indicators of the laser cladding and plasma cladding
Figure BDA0001414388050000021
表面熔覆层的成分主要由熔覆时所添加的熔覆材料所决定。熔覆材料的设计和选择对表面熔覆层的质量和性能十分重要。因而开发表面熔覆专用材料成为表面熔覆技术研究的重点和热点。到目前为止，针对熔覆层不同的服役环境，所开发的熔覆材料体系涵盖了耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗冲蚀等多个领域。通常情况下表面熔敷材料可分为自熔性合金材料和金属基复合材料两大类。
1.自熔性合金材料
自熔性合金材料主要为Fe基、Co基和Ni基三类。粉末中含有具有脱氧、造渣作用的Si、Bi等元素，对熔覆过程中合金粉末可以很好的保护，此类合金材料的熔点较低，流动性好的，与基体金属有良好的浸润性。在快速凝固作用下，增强相、第二相质点弥散分布于熔覆层内，熔覆层的硬度、耐磨性可以大幅度提高。
Fe基自熔性合金材料是应用最为广泛的自熔性合金材料，以Fe元素为主，由Cr、B、Si等合金元素组成。如W、Mo和Cr元素的加入可提高熔覆层的耐高温能力；Ni元素提高涂层的抗裂性能；加入C和B元素，在熔覆层内形成碳化物或硼化物细化晶粒，提高熔覆层硬度和耐磨性。
Co基自熔性合金材料主要是以Co-Cr-W为合金体系基础上添加少量的Si、B等合金元素形成的Co基合金具有良好的耐磨性能和高温性能，主要应用对工件表面耐蚀、耐磨、耐高温等特殊性能要求较高的电力、冶金、海上、石化等工业领域。
Ni基自熔性合金材料主要分为Ni-Cr-Si-B和Ni-B-Si两大类。Si和B元素的添加一方面可作为脱氧剂和自熔剂，增加润湿性，另一方面可通过弥散强化和固溶强化对熔覆层进行强化；在合金体系中添加Cr元素可对熔覆层起到固溶强化的作用，此外Cr还可同B、C结合生成硬质相提高熔覆层的硬度和耐磨性
2.金属基复合材料
金属基复合材料由两种或两种以上将碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合所组成。近年来金属基复合材料不断发展发展，以金属基复合材料为熔敷材料，利用等离子熔覆技术在金属基体表面制备陶瓷颗粒增强的金属基复合涂层成为表面工程领域新的研究热点。金属基陶瓷熔覆层综合了陶瓷增强相优良的高强度、高硬度、耐磨、耐蚀等特性和金属良好的塑、韧性以及所强化金属基材的润湿性，使熔覆层具有高强度、高硬度、耐热、耐蚀和耐磨性等特殊性能，和传统的自熔性合金材料相比，熔覆层性能有大幅度提升，在制备耐磨熔覆层方面具有很好的应用前景。
高锰钢耐磨材料因其表面在挤压和冲击过程中产生硬化而获得良好的抗磨损特性，一直是采矿和铁路等行业的主力耐磨材料。但在中低冲击载荷或磨粒磨损工况条件下，由于磨损接触而没有足够高的表面冲击能量，不能达到充分的加工硬化，使高锰钢未能表现出较高的耐磨性，从而影响其使用寿命。
为了改善在低应力条件下高锰钢的耐磨性，研究学者采取调整成分、合金化、热处理工艺、变质处理等措施使高锰钢在高冲击应力下具有良好的耐磨性和耐冲击性，而且在低应力条件下仍比较耐磨。同时，国内外近年来纷纷研制中碳合金钢、高铬铸铁等材质取代高锰钢，但在复杂工况下的使用效果均不理想。零件的表面与心部性能在进行整体设计处理时两者难以兼顾。
为延长零件的使用寿命，提高机械设备的可靠性，材料和机械学科均在提高机械零件表面性能方面进行了大量的研究与探索。在Fe基、Ni基和Co基自熔性合金粉末中加入各种高硬度陶瓷颗粒，可显著提高金属合金涂层的耐磨性能。
在冶金、矿山、建材等领域，一些在高冲击力下使用的部件(如破碎机锤头)在服役过程中承受矿石等的冲击、高速磨损、挤压等作用，其服役条件严酷而复杂，对材料的性能要求非常荀刻，不仅要求材料具有良好的耐磨性，还要求材料具有一定的抗冲击性能。高硬度陶瓷颗粒增强的金属基耐磨涂层具有硬度高和耐磨性好等优点，但是其抗冲击性能较差，难以在冲击和磨料磨损藕合等复杂工况条件下的保护基体。虽然镍和钴基涂层与铁基涂层相比耐冲击性能得到改善，但成本较贵，难以推广。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法，相比于于传统的加入合金元素强化和热处理强化，更加节省材料和能源，设备成本更低。
本发明所采用的技术方案：一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法，包括如下步骤：
S1：熔覆前基体预处理；
S2：熔覆前粉末预处理；
S3：熔覆；
S4：熔覆后热处理。
S1：熔覆前基体预处理：先用砂轮或者砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，然后再用酒精丙酮清洗表面的油污，对基体进行预热，预热温度为200℃～300℃。
S2：熔覆前粉末预处理：筛选尺寸分布在180～300目的Fe-Ni基合金粉末，均匀摊开后放入真空干燥箱，抽真空，温度调节为80～105℃，保温2～3小时。
S3：熔覆：将高锰钢基体和Fe-Ni基合金粉末分别装入等离子熔覆设备，熔覆过程同步送Fe-Ni基合金粉末并同步氩气保护，等离子熔覆设备的熔覆工艺参数为：电流140～160A，喷嘴高度10～14mm，送粉速度180～220g/min，送粉气流量4～6L/min，大离子气流量4～6L/min，小离子气流量4～6L/min，扫描速率160～180mm/min，得到了宽度为8～10mm的涂层；
S4：熔覆后热处理：热处理分固溶和时效两步，通过高温碳管炉对高锰钢基体和涂层进行固溶处理，固溶处理工艺为随炉升温，温度为815～830℃，保温时间为1～1.5个小时后水冷；通过马弗炉对高锰钢基体和涂层进行时效处理，时效工艺为到温入炉，温度为500～520℃，保温时间为3～4个小时，空冷。
优选的，Fe-Ni基合金粉末成分质量百分比分别为：C≤0.03％、Ni：18.00％～19.00％、Co：8.50％～9.50％、Mo：4.60％～5.20％、Si：3.40％～3.60％、Mn≤0.10％、Ti：0.50％～0.80％、Al：0.05％～0.15％、P≤0.01％、S≤0.01％，余量为Fe。
优选的，所述等离子熔覆设备的额定功率为20KW，额定熔覆电流为220A。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明相比于于传统的加入合金元素强化和热处理强化，更加节省材料和能源，设备成本更低；操作环境更为简便，对环境的污染较小，加工周期更短，劳动生产率更高(2)本发明的处理方法，等离子弧能量集中，热输入高，工艺灵活稳定性好，可以精准的对零部件任意部位进行强化或修复；(3)本发明的处理方法，得到的涂层组织致密且与金属基材间能够保持优异的冶金结合；(4)本发明采用等离子熔覆技术，Fe-Ni基合金作为熔覆涂层材料，通过固溶处理及涂层表面时效工艺，制备出了具有高硬度、高耐磨性和高冲击韧性的Fe-Ni基合金涂层，既提高了基体材料的表面硬度和耐磨性，又解决了传统硬质颗粒强化金属基耐磨涂层在中高应力等工况下容易开裂的问题，而且制备出的涂层与基体材料具有很好的冶金结合，大大提高了涂层的综合性能，使得基体材料在得到了更加充分的保护，从而延长基体材料使用寿命，具有很好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
将Mn13高锰钢和Fe-Ni基合金粉末按以下操作步骤进行处理：
S1：先砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，再用酒精丙酮清洗表面的油污，在等离子熔覆进行之前，进行300℃预热。
S2：将Fe-Ni基合金过筛，筛选得到尺寸分布在180～300目的粉末。然后，将筛得的粉末放入真空干燥箱，把温度调到100℃，保温2小时。
S3：将Mn13高锰钢和Fe-Ni基合金粉末分别装机，进行熔覆。熔覆工艺参数为：电流140A，喷嘴高度10mm，送粉速度180g/min，送粉气流量4L/min，大离子气流量4L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率160mm/min，得到了宽度大约10mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入高温碳管炉，温度调为820℃，随炉升温到820℃后保温1小时，水冷，吹干；将马弗炉温度调到为500℃，待温度升到500℃，将水冷吹干的试样放入马弗炉，保温时间为4个小时，空冷。热处理分固溶和时效两步。熔覆层固溶是为了为了使过剩相能够充分溶解到固溶体中，得到饱和固溶体，为后续的时效处理做好组织的准备；时效处理是为了是熔覆层组织析出Ni、Co、Mo、Ti等合金元素的金属间化合物实现涂层强韧化。
实施例2
将Mn14高锰钢和Fe-Ni基合金粉末按以下操作步骤进行处理：
S1：先砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，再用酒精丙酮清洗表面的油污，在等离子熔覆进行之前，进行300℃预热。
S2：将Fe-Ni基合金过筛，筛选得到尺寸分布在180～300目的粉末。然后，将筛得的粉末放入真空干燥箱，把温度调到100℃，保温2小时。
S3：将Mn14高锰钢和Fe-Ni基合金粉末分别装机，进行熔覆。熔覆工艺参数为：电流160A，喷嘴高度12mm，送粉速度220g/min，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率180mm/min，得到了宽度大约10mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入高温碳管炉，温度调为820℃，随炉升温到820℃后保温1小时，水冷，吹干。将马弗炉温度调到为500℃，待温度升到500℃，将水冷吹干的试样放入马弗炉，保温时间为4个小时，空冷。
实施例3
将Mn15高锰钢和Fe-Ni基合金粉末按以下操作步骤进行处理：
S1：先砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，再用酒精丙酮清洗表面的油污，在等离子熔覆进行之前，进行300℃预热。
S2：将Fe-Ni基合金过筛，筛选得到尺寸分布在180～300目的粉末。然后，将筛得的粉末放入真空干燥箱，把温度调到100℃，保温2小时。
S3：将Mn15高锰钢和Fe-Ni基合金粉末分别装机，进行熔覆。熔覆工艺参数为：电流150A，喷嘴高度13mm，送粉速度200g/min，送粉气流量5L/min，大离子气流量5L/min，小离子气流量5L/min，扫描速率170mm/min，得到了宽度大约9mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入高温碳管炉，温度调为820℃，随炉升温到820℃后保温1小时，水冷，吹干。将马弗炉温度调到为500℃，待温度升到500℃，将水冷吹干的试样放入马弗炉，保温时间为4个小时，空冷。
实施例4
将Mn16高锰钢和Fe-Ni基合金粉末按以下操作步骤进行处理：
S1：先砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，再用酒精丙酮清洗表面的油污，在等离子熔覆进行之前，进行300℃预热。
S2：将Fe-Ni基合金过筛，筛选得到尺寸分布在180～300目的粉末。然后，将筛得的粉末放入真空干燥箱，把温度调到100℃，保温2小时。
S3：将Mn16高锰钢和Fe-Ni基合金粉末分别装机，进行熔覆。熔覆工艺参数为：电流160A，喷嘴高度12mm，送粉速度220g/min，送粉气流量4L/min，大离子气流量6L/min，小离子气流量4L/min，扫描速率180mm/min，得到了宽度大约10mm的涂层。
S4：待冷却后，将熔覆得到的试样放入高温碳管炉，温度调为820℃，随炉升温到820℃后保温1小时，水冷，吹干。将马弗炉温度调到为500℃，待温度升到500℃，将水冷吹干的试样放入马弗炉，保温时间为4个小时，空冷。
采用上述工艺得到的Fe-Ni基合金涂层试件，经过性能测试，其结果如附表所示。
附表1：采用本发明方法得到的Fe-Ni基合金涂层试件性能测试结果(相比基体)
Figure BDA0001414388050000081
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：熔覆前基体预处理；先用砂轮或者砂纸将高锰钢基体表面的氧化层打磨掉，然后再用酒精丙酮清洗表面的油污，对基体进行预热，预热温度为200℃～300℃；
S2：熔覆前粉末预处理；筛选尺寸分布在180～300目的Fe-Ni基合金粉末，均匀摊开后放入真空干燥箱，抽真空，温度调节为80～105℃，保温2～3小时；
其中，所述Fe-Ni基合金粉末成分质量百分比分别为：C≤0.03％、Ni：18.00％～19.00％、Co：8.50％～9.50％、Mo：4.60％～5.20％、Si：3.40％～3.60％、Mn≤0.10％、Ti：0.50％～0.80％、Al：0.05％～0.15％、P≤0.01％、S≤0.01％，余量为Fe；
S3：熔覆；将高锰钢基体和Fe-Ni基合金粉末分别装入等离子熔覆设备，熔覆过程同步送Fe-Ni基合金粉末并同步氩气保护，等离子熔覆设备的熔覆工艺参数为：电流140～160A，喷嘴高度10～14mm，送粉速度180～220g/min，送粉气流量4～6L/min，大离子气流量4～6L/min，小离子气流量4～6L/min，扫描速率160～180mm/min，得到了宽度为8～10mm的涂层；
S4：熔覆后热处理：热处理分固溶和时效两步，通过高温碳管炉对高锰钢基体和涂层进行固溶处理，固溶处理工艺为随炉升温，温度为815～830℃，保温时间为1～1.5个小时后水冷；通过马弗炉对高锰钢基体和涂层进行时效处理，时效工艺为到温入炉，温度为500～520℃，保温时间为3～4个小时，空冷，即在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在高锰钢表面制备耐磨增韧涂层的方法，其特征在于：步骤S3中所述等离子熔覆设备的额定功率为20KW，额定熔覆电流为220A。
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高锰钢表面等离子熔覆Fe-Cr-Ni合金涂层的组织与性能研究;杨宏欢;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20161115(第11期);正文第9、12-15、37、45、54页 *

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