一种高硼耐磨蚀合金制备方法
【专利摘要】一种高硼耐磨蚀合金制备方法，属于锌液腐蚀磨损材料【技术领域】。先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为45～50％硼铁粉、14～16％铬铁粉、3～5％钼铁粉、4～4.6％纯镍粉、1.5～2.5％WC粉和25～30％纯铁粉混合均匀，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在不锈钢基体材料上进行激光熔覆，可获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼耐磨蚀合金激光熔覆层。
【专利说明】一种高硼耐磨蚀合金制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种耐腐蚀磨损合金制备方法，特别涉及一种高硼耐磨蚀合金制备方 法，属于腐蚀材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在热镀锌生产线上，沉没辊、稳定辊、矫直辊等关键辊类部件，在高温熔融锌液中 不仅遭受强烈腐蚀，而且传送钢带的辊面运动速度高达35?40m/s，极易受到磨损。在这 两方面的综合作用下，辊面极易发生点蚀、坑蚀、磨痕、锌瘤等表面损伤，导致上述部件更换 频繁，降低了热镀锌设备的作业率。为了提高材料的抗锌液高温腐蚀磨损能力，中国发明专 利CN 101748354A公开了一种耐锌液腐蚀磨损复合涂层的喷涂方法，包括WC - Co粉体材 料、MoB - Co粉体材料和粉末喷涂装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、对待喷 涂部件基体表面进行喷涂前预处理，采用有机溶剂清洗、预热、除湿、除脂及活化处理；步骤 二、 采用所述的粉末喷涂装置在待喷涂部件基体表面喷涂所述的WC - Co粉体材料作为打 底层，所述WC - Co粉体材料的粉体粒度为25 - 65 μ m，所述的粉末喷涂装置的氧气流速设 定为880 - 890升/分钟，煤油流速设定为0. 35 - 0. 40升/分钟，喷涂距离设定为300 - 390mm，热喷涂供粉速度设定为60 - 100克/分钟，所得涂层厚度为0. 15 - 0. 20mm ;步骤 三、 采用所述的粉末喷涂装置在WC - Co粉体材料涂层表面喷涂所述的MoB - Co粉体材料 作为工作层，所述MoB - Co粉体材料的粉体粒度为25 - 65 μ m，所述的粉末喷涂装置的氧 气流速设定为880 - 920升/分钟，煤油流速设定为0. 40 - 0. 45升/分钟，喷涂距离设定为 300 - 390_，热喷涂供粉速度设定为60 - 100克/分钟，所得涂层厚度为0. 07 - 0. 10_。 中国发明专利CN 101215671B还公开了一种抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法，该抗锌液 腐蚀磨损材料化学成分是（重量％ ) :〇· 6 - 0· 8C，4. 0 - 7· 0B，4. 0 - 6. OCr，4. 0 - 7. 0Mo， 2. 0 - 5. 0W，0. 3 - 0· 6Si，0. 3 - 0· 6Mn，S < 0· 05，P < 0· 05,余量为 Fe。该发明抗锌液腐 蚀磨损材料利用电炉熔炼，采用铸造方法成型，铸件经退火后进行粗加工，经980 - 1020°C 淬火和520 - 580°C回火后，进行精加工。该发明抗锌液腐蚀磨损材料常温硬度高，达到 62 - 65HRC，在500°C时的硬度也达到56 - 58HRC。抗弯强度达到了 900 - llOOMPa。中 国发明专利CN103769813A还公开了一种高硬度耐蚀镀锌沉没辊的制造方法，包括以下步 骤：步骤一，对沉没辊本体进行焊接前的喷砂糙化处理：将切割好的沉没辊本体喷砂，然后 对喷砂后的沉没辊进行清洗除污；步骤二，在沉没辊表面焊接一层以碳化钨为硬质相，钴基 金属为连接相的耐蚀硬化层。该发明的有益效果是：表层耐蚀材料与辊身基体采用焊接方 式，所采用焊接材料是在钴基材料的基础上添加碳化钨硬质相，即可保证辊身表面的红硬 性，又具有超强的耐磨性能，所实现焊层组织耐磨性能强于硬质合金；加工简单，无需大型 设备，仅需简单的焊接设备即可，对加工前辊身无苛刻要求，焊接层组织致密，无气孔，氧化 物等夹杂，不存在锌液侵蚀的空间。中国发明专利CN103741090A还公开了沉没辊和稳定辊 表面涂层的喷涂方法，尤其涉及一种应用于沉没辊和稳定辊表面的高送粉率抗高温腐蚀、 耐磨损涂层的喷涂方法。该方法按以下步骤进行：工件的预处理、喷涂作业、涂层表面清理、 粗糙度调整、封孔处理、动平衡试检验、检验包装。喷涂时粉末利用率高，送粉率达到45%， 涂层与基体的结合情况良好，结合强度> 70MPa ;喷涂WC基涂层时，喷涂后的WC颗粒氧化 分解少，同时粘结相Co也有益于涂层内颗粒间的结合，补充涂层韧性方面的不足，涂层硬 度HV1 > 1050,保证涂层具有较高硬度和良好的韧性；涂层喷涂后的封孔处理，进一步填充 涂层内的孔隙，孔隙率低于〇. 5%，防止腐蚀介质通过涂层孔隙进入腐蚀工件。中国发明专 利CN103233173A还公开了一种沉没辊轴套及制备方法，沉没辊轴套材料的化学成分是（质 量分数，％ ) :〇· 10 - 〇· 25C，2. 0 - 3· 0B，16. 0 - 18. OMn，2. 0 - 3. 5Cr，0· 15 - 0· 30N，S〈0. 03， P〈0. 03, Fe余量。该发明轴套材料利用电炉便可生产，具有硬度和强度高，韧性、耐蚀性和 耐磨性好等特点，制造工艺简便，生产成本低廉。中国发明专利CN02851597A还公开了一种 抗磨蚀沉没辊轴套及其制造方法，具体成分及质量分数％如下：〇. 15 - 0. 28C，3. 0 - 3. 5B， 2. 0 - 2. 5Cr,9. 5 - 10. Off,2. 5 - 3. ΟΜο,Ο. 65 - 0. 80Α1, 1. 20 - 1. 50Si,0. 25 - 0. 50Mn, 0. 04 - 0. 08Y,0. 06 - 0. 10Ti,0. 06 - 0. 10Nb,0. 03 - 0. 06Ca,0. 05 - 0. 08Mg,0. 08 - 0. 12K, S〈0. 04, P〈0. 05,余量为Fe。该发明抗磨蚀沉没辊轴套利用电炉熔炼，采用铸造方法成型， 经淬火和回火后进行精加工。该发明抗磨蚀沉没辊轴套硬度高，耐磨性和强韧性及抗锌液 腐蚀性能良好。中国发明专利CN102206792A还公开了一种低合金材料的沉没辊，其所用材 料的成分所占重量百分比为 C0. 04 - 0· 06, SiO. 4 - 0· 8, Μη3· 5 - 4, P、S 彡 0· 02, Crl2 - 13， NiO. 7 - 1. 0, M〇0. 8 - 1. 2,其余为Fe和不可避免的杂质；所述沉没辊按照如下步骤制备：1) 将碳棒、金属硅、金属锰、镍板、铬铁、金属钥和铁作为原料，烘干后放入中频感应炉内，加入 的顺序为先加入一定量铁和碳棒，熔化后加入镍板、金属锰、金属钥，最后加入一定量铬铁， 当熔炼温度达到1560 - 1580°C时，加入适量金属硅；其中所述原料的配比为以1000kg材料 计，碳棒 〇· 1 _ 〇· 12kg、金属娃 2 - 10kg、金属猛 30 - 45kg、镍板 5 - 10kg、铬铁 169 - 215kg、 金属钥5 - 15kg、铁余量，其中铬铁为含铬量65%的铁；2)熔炼好后的钢水经钢包倒入高速 运转型筒内，待冷却后取出；3)取出钢管迅速放入炉管内保温冷却100°C以下取出，取出后 钢管进行正火，正火条件为980 - KKKTC，钢管厚度每25mm保温2小时，空冷；根据客户图 纸要求加工钢筒尺寸，加工好钢筒与沉没辊两端辊颈组焊，焊前预热200 - 250°C，焊材采用 410H ;整体焊好后进行退火处理，退火条件为700°C，钢管厚度每25mm保温3小时；4)整体 退火后沉没辊通过加工符合图纸要求后，对其表面进行液体渗透检查，动平衡试验合格后 转入客户使用。中国发明专利CN102128208A还公开了一种高结合强度沉没辊轴套的制备 方法，其特征在于该方法的步骤包括以下几点：一、加工不锈钢基体；二、机械精加工陶瓷 环；三、陶瓷表面金属化，陶瓷表面金属化层为50?400微米，含有金属或非金属，及粘结剂 和助剂，原料或是单质粉末，或是这几种单质粉末的组合，其中，单质粉末为Co、Si、Cu、Cr、 B、和W中的几种，粘结剂为NaCl和SnC14按质量2 :3混合，助剂为聚乙二醇和松香按质量 1 :1混合，并且Co的质量含量在40?60%之间，其他金属元素的质量含量均不超过10% ; 四、钎焊连接不锈钢基体和陶瓷环两部分；五、机械加工至设计尺寸。
[0003] 但是，上述抗磨蚀合金或存在组织粗大、脆性大、使用中易剥落，或存在抗高温磨 蚀性能差等不足。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种采用激光熔覆方法，制备组织 细小、致密、抗锌液腐蚀磨损优异的Fe2B相数量多的高硼耐磨蚀合金。
[0005] 本发明目的可通过以下工艺步骤实现：
[0006] ①先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为45?50%硼铁粉、14?16% 铬铁粉、3?5%钥铁粉、4?4. 6%纯镍粉、1. 5?2. 5% WC粉和25?30%纯铁粉混合均 匀。
[0007] ②将上述混合均匀的粉料，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在不锈钢基体材料 上进行激光熔覆，送粉速率18_20g/min，激光功率为3. 0-4. 5KW，扫描速度为8-lOmm/s，熔 覆层数为8-10层。最后可获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼耐磨蚀合金激 光熔覆层。
[0008] 如上所述硼铁粉的化学成分质量分数为：19. 0?21. 0% B，彡0. 5% C，彡2% Si,彡 0· 5% A1,彡 0· 01% S,彡 0· 1% P,余量 Fe。
[0009] 如上所述铬铁粉的化学成分质量分数为：60?65% Cr, 6. 8?7. 5% C, < 3. 0% Si,彡 0· 05% S,彡 0· 06% P,余量 Fe。
[0010] 如上所述钥铁粉的化学成分质量分数为：66. 0?72. 0 % Mo,彡1. 5 % Si,彡 0· 10% S,彡 0· 05% P,彡 0· 10% Sb,彡 0· 50% Sn,余量 Fe。 toon] 本发明激光熔覆方法制备高硼耐磨蚀合金，合金粉以硼铁粉、纯铁粉和铬铁粉为 主，其中加入质量分数45?50%硼铁粉，主要是利用激光输入的功率，在熔覆层中获得数 量较多的Fe2B相，Fe2B具有硬度高，耐磨性好以及抗锌液腐蚀性能优异等特点，是一种理 想的耐锌液磨蚀相。加入质量分数14?16%铬铁粉，主要是利用铬与碳结合，获得高硬度 Cr7C3相，有利于提高合金的抗磨性能。此外，加入质量分数3?5%钥铁粉，主要是利用钥固 溶于基体，提高基体高温硬度，基体高温硬度的提高，可阻止Fe 2B相和Cr7C3相在磨蚀过程 中发生剥落，从而达到提高合金抗高温磨蚀能力。加入1. 5?2. 5% WC粉，可提高抗磨性。 在此基础上，还加入4?4. 6%纯镍粉，主要是利用镍固溶于基体，有利于提高基体塑性。
[0012] 本发明激光熔覆方法制备高硼耐磨蚀合金过程中，将混合均匀的合金粉料，利 用光纤激光器，采用同步送粉法，在不锈钢基体材料上进行激光熔覆，当送粉速率控制在 18-20g/min，激光功率控制在3. 0-4. 5KW，扫描速度控制在8-10mm/s，熔覆层数控制在8-10 层，最后可获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的硬度高（超过850HV)，抗锌液腐蚀 磨损性能好的高硼耐磨蚀合金激光熔覆层。
[0013] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0014] 1)本发明高硼耐磨蚀合金采用激光熔覆方法制备，克服了传统铸造方法制备高硼 合金硼化物尺寸粗大，铸造和使用过程中极易开裂的不足，也克服了粉末冶金方法工艺复 杂，成本高的不足；
[0015] 2)本发明高硼耐磨蚀合金中Fe2B相数量达到55?55% (体积分数），具有优异 的抗高温锌液腐蚀磨损能力，在相同腐蚀磨损条件下，其耐锌液腐蚀磨损能力比316L不锈 钢提高6?8倍。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
[0017] 实施例1 :
[0018] 采用激光熔覆方法制备高硼耐磨蚀合金，具体制备工艺步骤是：
[0019] ①先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为45%硼铁粉（硼铁粉的 化学成分质量分数为：19. 04 % B, 0· 27 % C, 1. 33 % Si, 0· 20 % A1, 0· 008 % S, 0· 063 % P，余量Fe)、16 %铬铁粉（铬铁粉的化学成分质量分数为：62. 15% Cr，7.34 % C，2. 07 % Si，0. 028% S，0.035% P，余量Fe)、3%钥铁粉（钥铁粉的化学成分质量分数为：69.38% Mo,0.71% Si，0.056% S，0.041% P，0.034% Sb，0.26% Sn,余量 Fe)、4.6%纯镍粉、1.5% WC粉和29. 9 %纯铁粉混合均匀。
[0020] ②将上述混合均匀的粉料，利用IPG 6kW光纤激光器，采用同步送粉法，在316L不 锈钢基体材料上进行激光熔覆，送粉速率18g/min，激光功率为3. 0KW，扫描速度为8mm/s， 熔覆层数为8层。最后可获得平均硬度达到873. 8HV，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平 整的高硼耐磨蚀合金激光熔覆层。
[0021] 实施例2:
[0022] 采用激光熔覆方法制备高硼耐磨蚀合金，具体制备工艺步骤是：
[0023] ①先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为50%硼铁粉（硼铁粉的 化学成分质量分数为：20· 84 % B, 0· 25 % C, 0· 87 % Si, 0· 20 % A1, 0· 006 % S, 0· 071 % P，余量Fe)、14%铬铁粉（铬铁粉的化学成分质量分数为：61.42% Cr，7. 10% C，2. 37% Si，0. 038% S，0.045% P，余量Fe)、5%钥铁粉（钥铁粉的化学成分质量分数为：67.88% Mo, 0· 92% Si, 0· 063% S, 0· 036% P, 0· 037% Sb, 0· 15% Sn,余量Fe)、4%纯镍粉、2% WC粉 和25 %纯铁粉混合均匀。
[0024] ②将上述混合均匀的粉料，利用IPG 6kW光纤激光器，采用同步送粉法，在316L不 锈钢基体材料上进行激光熔覆，送粉速率19g/min，激光功率为3. 5KW，扫描速度为9mm/s， 熔覆层数为9层。最后可获得平均硬度达到892. 0HV，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平 整的高硼耐磨蚀合金激光熔覆层。
[0025] 实施例3 :
[0026] 采用激光熔覆方法制备高硼耐磨蚀合金，具体制备工艺步骤是：
[0027] ①先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为48%硼铁粉（硼铁粉的 化学成分质量分数为：20· 14 % B, 0· 38 % C, 1. 15 % Si, 0· 33 % A1, 0· 007 % S, 0· 052 % P，余量Fe)、15 %铬铁粉（铬铁粉的化学成分质量分数为：64. 17% Cr，6.99 % C，2. 34% Si，0. 041% S，0.046% P，余量Fe)、4%钥铁粉（钥铁粉的化学成分质量分数为：69.50% Mo, 1. 04% Si, 0· 075% S, 0· 048% P, 0· 067% Sb, 0· 38% Sn,余量 Fe)、4· 3%纯镍粉、2. 5% WC粉和26. 2 %纯铁粉混合均匀。
[0028] ②将上述混合均匀的粉料，利用IPG 6kW光纤激光器，采用同步送粉法，在316L不 锈钢基体材料上进行激光熔覆，送粉速率20g/min，激光功率为4. 5KW，扫描速度为lOmm/s， 熔覆层数为10层。最后可获得平均硬度达到883. 1HV，表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平 整的高硼耐磨蚀合金激光熔覆层。
[0029] 本发明高硼耐磨蚀合金中Fe2B相数量达到55?55% (体积分数），具有优异的 抗高温锌液腐蚀磨损能力，在相同腐蚀磨损条件下，其耐锌液腐蚀磨损能力比316L不锈钢 提高6?8倍。本发明高硼耐磨蚀合金采用激光熔覆方法制备，克服了传统铸造方法制备 高硼合金硼化物尺寸粗大，铸造和使用过程中极易开裂的不足，也克服了粉末冶金方法工 艺复杂，成本高的不足，在热镀锌领域具有良好的推广应用前景。
【权利要求】
1. 一种高硼耐磨蚀合金制备方法，其特征在于，采用激光熔覆方法制备，具体工艺步骤 是： ① 先将粉末粒径范围为140-200目、质量分数分别为45?50%硼铁粉、14?16%铬铁 粉、3?5%钥铁粉、4?4. 6%纯镍粉、1. 5?2. 5% WC粉和25?30%纯铁粉混合均匀； ② 将上述混合均匀的粉料，利用光纤激光器，采用同步送粉法，在不锈钢基体材料上进 行激光熔覆，送粉速率18_20g/min，激光功率为3. 0-4. 5KW，扫描速度为8-lOmm/s，熔覆层 数为8-10层；最后可获得表面无裂纹、夹杂和气孔以及表面平整的高硼耐磨蚀合金激光熔 覆层。
2. 按照权利要求1所述高硼耐磨蚀合金制备方法，其特征在于，硼铁粉的化学成分质 量分数为：19· 0 ?21. 0% B，彡 0· 5% C，彡 2% Si,彡 0· 5% A1，彡 0· 01% S，彡 0· 1% P， 余量Fe。
3. 按照权利要求1所述高硼耐磨蚀合金制备方法，其特征在于，铬铁粉的化学成分质 量分数为：60 ?65% Cr, 6. 8 ?7. 5% C,彡 3. 0% Si,彡 0· 05% S,彡 0· 06% P,余量 Fe。
4. 按照权利要求1所述高硼耐磨蚀合金制备方法，其特征在于，钥铁粉的化学成 分质量分数为：66· 0 ?72. 0 % Mo,彡 1. 5 % Si,彡 0· 10 % S,彡 0· 05 % P,彡 0· 10 % Sb,彡 0· 50% Sn,余量 Fe。
5. 按照权利要求1-4的任一方法制备得到的高硼耐磨蚀合金。
【文档编号】C22C1/04GK104195362SQ201410403769
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】符寒光, 蔡凯, 蒋志强, 马胜强, 符定梅, 邢建东, 文振华, 王振, 冯宪章, 冯锡兰, 刘建伟, 魏永强, 刘元朋 申请人:北京工业大学