一种高B耐磨熔焊材料的制备方法与流程

本发明属于耐磨材料研究领域，提供了一种高b耐磨熔焊材料的制备方法。

背景技术：

在热喷涂、喷焊、等离子堆焊和激光熔敷耐磨涂层中，镍基自熔合金材料（主要成分为ni-cr-b-si）具有耐腐蚀，抗氧化性，耐热，耐低应力磨粒磨损及良好的冲击韧性等特点，综合性能优异，已经在轴类、阀门、柱塞、密封环、输送辊、泵套、刮板等零件的表面强化及修复等领域有着广泛的应用，显著提高了工件的使用寿命；但是，随着科学技术的发展，对工件(如塑料螺杆挤出机)耐磨性能提出更高的要求，而镍基自熔合金类材料因其低硬度（hrc<65）而无法满足此类要求，限制了其应用范围。

为提高镍基自熔合金的耐磨性，最常用的方法是在镍基自熔合金基体中添加wc基材料，原因是该类材料不仅适用于hvof、pta、aps、fs等多种工艺，而且wc基材料形成的涂层具有优异的耐磨性及良好的机械性能，在镍基自熔合金耐磨耐蚀领域得到广泛的应用。但是，wc是一种稀缺材料，价格高，比重大，开发一种成本低、比重小，耐磨性及机械性能与wc基材料相当或略低的材料，用以代替wc基材料逐渐成为耐磨材料领域研究的重点。

硼化物具有熔点高、硬度高、蒸汽压低、化学性能稳定等典型的陶瓷特征。合金体系中，当b含量适当时，硼元素可以与铬、铁和钛等多种过渡金属生成m2b或mb型化合物（如硼化铬、硼化铁、硼化钛等），这类化合物具有良好的耐磨性、抗蚀性和优异的抗高温氧化性能。碳化硼也是一类重要的含硼化合物，碳化硼（b4c）中的b和c主要以共价键的形式相结合，具有高熔点、高硬度、高模量、容量小、耐磨等特点，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼；同时，b4c作为对酸最稳定的物质之一，在常温下与绝大多数酸、碱和无机盐都不发生化学反应，是优良的耐腐蚀材料。这些硼化物和碳化硼作为重要的结构陶瓷材料，在许多领域得到了广泛的应用。

近年来，硼化物和碳化硼因其低密度、高硬度特性已成为粉末冶金和热喷涂领域的一个研究重点。因此，发明一种高b耐磨熔焊材料具有重要的意义和广泛的应用领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高b耐磨熔焊材料的方法，满足塑料螺杆挤出机轴类、阀门、柱塞、密封环、输送辊、泵套、刮板等领域对其高耐磨的要求，具有广泛的应用领域。b化物（如硼化铬、硼化铁、硼化钛等）和碳化硼具有高硬度、高耐磨性，与镍基自熔合金润湿性好，b化物和碳化硼的加入可以提高镍基合金的硬度和耐磨性。该镍基合金复合粉体具有加工工艺简单的特点，且其复合粉体适于热喷涂、喷焊、等离子堆焊、激光熔敷和高频感应成型工艺，熔焊层适应性广，因此该材料的应用前景十分广泛。

本发明提供了一种高b耐磨熔焊材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)高b镍基复合粉的高能球磨：将镍基合金金属相合碳化硼、硼化物按重量比加入到高能球磨装置中，采取适用的球料比5:1—15:1和高达约1400rpm的转速，将回转机械能传递给粉末，同时粉末在球磨介质的反复冲撞下，承受冲击、剪切、摩擦和压缩多种力的作用，经历反复的挤压、冷焊合和分散，从而在粉末原子间相互扩散或进行固态反应形成弥散分布的超细粒子合金粉末，进而获得硼化物、碳化硼在镍基合金基体中均匀分布的超细混合粉；

(2)高b镍基复合粉的雾化制粒：硼化物、碳化硼在镍基合金基体中均匀分布的超细混合粉制成料浆，使用聚乙烯醇、聚乙二醇和甲基纤维素作为粘结剂，经离心喷雾干燥设备的离心力作用，获得粒径范围在80—325目区间的球形粉体；

(3)高b镍基复合粉的脱胶：球形高b镍基复合粉经真空炉、气氛炉在适当的温度下经脱机处理，除去球形粉体内的挥发份；

(4)高b镍基复合粉的等离子致密化：以等离子体为热源，将脱胶处理的球形高b镍基复合粉颗粒熔焊，在惰性保护气氛下快速冷却，粉体颗粒在表面张力的作用下，收缩成球形；

(5)高b镍基复合粉的热处理：经等离子致密化处理的高b镍基复合粉在气氛炉中，一定温度下保温一段时间，去除颗粒内部的残余应力及必要的挥发份；

(6)高b镍基熔焊层的制备：采用热喷涂、喷焊、等离子堆焊、激光熔敷和高频感应成型工艺，在工件表面形成高b耐磨镍基熔焊层；

(7)材料加工：将产品按照要求切割成所需尺寸。

本发明高b耐磨镍基复合熔焊材料较其他镍基合金生产工艺方法，具有以下优点：

(1)高b镍基复合粉的高能球磨，通过特定的高能球磨工艺，有效的实现了硼化物和碳化硼在镍基合金金属基体中的弥散分布，提高了粉体成分的均匀性；

(2)高b镍基复合粉的雾化制粒，用有机粘结剂将超细高b镍基复合粉体颗粒制成料浆，通过离心雾化制粒工艺获得相应的球形粉，提高了高b镍基复合粉体的球形度和流动性，便于各种熔焊层成型工艺粉体的输送；

(3)高b镍基复合粉的等离子致密化，该工艺简单、易于实现，进一步提高球形高b镍基复合粉体的球形度和致密度，以便于熔焊层在工件表面的铺展，并形成致密的熔焊层，为规模生产该熔焊层提供了便利条件；

(4)高b镍基熔焊层的制备，该复合粉体工艺适用性强，可以采用多种表面成型工艺，如热喷涂、喷焊、等离子堆焊、激光熔敷和高频感应等获得高b耐磨熔焊层，对熔焊层进行相应的加工，有效延长工件使用寿命。

上述高b（b含量为（3.5—11.5）wt%）镍基合金复合粉体的制备方法具有操作方便、工艺简单等特点，粉体球形度和流动性好；其熔焊层具有成型工艺（包括：热喷涂、喷焊、等离子堆焊、激光熔敷和高频感应等表面成型工艺）多样性的优势，所获得的涂层具有高硬度的优点。

所制材料相应的性能：粉体松装密度和流动性通过霍尔流速计测定；feiquanta200f场发射环境扫描电子显微镜（sem）对不同b含量镍基复合粉体形貌、喷焊层的截面形貌和微观组织进行观察。

本发明制备的高b镍基复合粉体材料球形度好，适于多种表面成型工艺，包括：热喷涂、喷焊、等离子堆焊、激光熔敷和高频感应等表面成型工艺，所得高硼耐磨熔焊层具有硬度高的特点，可以显著提高工件耐磨性，广泛适用于轴类、阀门、柱塞、密封环、输送辊、泵套、刮板、切割工具、磨具、拉丝模、高温工件和螺杆挤出机等零件的表面强化及修复等领域，因此该材料的应用前景十分广泛。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为含b（3.50—11.50）wt%（lf270—lf279）的镍基复合粉末的微观形貌；

图2为含b5.5wt%（lf272）和7.0wt%（lf276）镍基复合喷焊层截面的微观形貌。

具体实施方式

实施例1：制备b含量为（3.50—11.50）wt%的镍基复合粉，记为lf270—lf279；

该实例中，采用b含量为（3.5—11.5）wt%的配比，将对应重量的硼化物、碳化硼和镍基自熔合金粉体依次加入高能球磨设备，经特定的球磨工艺：球料比10:1，转速1400rpm，球磨时间140h下获得硼化物和碳化硼在合金基体中弥散分布的超细粉体，经雾化制粒和等离子致密化工艺，获得高相应的球形复合粉。

对应含b重量分数为（3.5—11.5）wt%（lf270—lf279）的镍基合金粉体(图1)球形度好，霍尔流速计测试其松装密度为（5.5—3.5）g/cm³；流动性为（30—10）s/50g。

实施例2：在某螺杆挤出机上制备b重量分数为5.5%（lf272）的镍基复合喷焊层；

该实例中，采用metco6p氧乙炔火焰喷焊枪对lf272复合粉进行喷焊，在塑料螺杆挤出机基体上获得厚度约3mm的镍基复合喷焊层。

用金相显微镜对镍基复合喷焊层进行孔隙率和截面组织结构测试，图片（图2（a））显示焊层截面组织均匀，硬质相均匀分布到复合相中。测得喷焊层孔隙率为0.075%，焊层致密性好。用显微硬度计测试焊层截面显微硬度，测得截面显微硬度为hv0.31006.6，比同种工艺喷涂ni60a涂层的硬度（hv0.3856.2）提高了17.6%。

实施例3：在某螺杆挤出机上制备b重量分数为7.0%（lf276）的镍基复合喷焊层

该实例中，采用metco6p氧乙炔火焰喷焊枪对lf276复合粉进行喷焊，在塑料螺杆挤出机基体上获得厚度约3mm的镍基复合喷焊层。

用金相显微镜对镍基自熔复合喷焊层进行孔隙率和截面组织结构测试，图片（图2（b））显示焊层截面组织均匀，硬质相均匀分布到复合相中。测得喷焊层截面孔隙率为0.092%，焊层致密性好。用显微硬度计测试焊层截面显微硬度，测得截面显微硬度为hv0.31104.2，比同种工艺喷涂ni60a涂层的硬度（hv0.3856.2）提高了29.0%，比实施例2中的喷焊层显微硬度提高了9.7%。