一种WC-NiSiB激光熔覆材料的制备方法
【专利摘要】本发明提出了一种改善镍基碳化钨激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；步骤二：将质量百分比20％～80％碳化钨粉末与80％～20％镍硅硼粉末混合均匀，将混合粉末预置在45钢基体表面，粉末厚度3～4mm；步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽为8～15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
【专利说明】-种WC-N iS i B激光熔覆材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光熔覆金属陶瓷复合材料领域，是一种改善镍基碳化钨激光熔覆涂 层材料的工艺和方法，尤其涉及一种激光熔覆金属陶瓷粉末及其制备工艺。
【背景技术】
[0002] 磨损是金属机械零件失效的3大方式（磨损、腐蚀、断裂）之一。据统计，，现代工 业迫切需要能在恶劣磨损工况（如高温、高速摩擦磨损等）下有效工作的工件。
[0003] 随着科学技术和现代工业的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的 零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备（特别是高速运转的 自动生产线）生产效率的重要因素。尽管材料磨损很少引起金属工件灾难性的危害，但其 所造成的能源和材料消耗是十分惊人的。据统计，由磨损造成的损失约占能源消耗的1/3 至1/2,材料报废的80%。这一类工况广泛存在于冶金、建材、矿山、机械加工等许多行业 中，世界工业化发达的国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。如在美国，每年由 于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1〇〇〇亿美元，占国民经济总收入的4%。而我国仅在冶金、 矿山、电力、煤炭和农机部门，据不完全统计，每年由于工件磨损而造成的经济损失约400 亿元人民币。因此，研究和发展耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展有着重要的 意义。
[0004] 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热影响 区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔 覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械 性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以用于废品件的处理，大量节约加工成本， 对环境的污染小。激光熔覆应用到快速制造金属零件，所需设备少，可以减少工件制造工 序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。同 其他表面强化技术相比，它具有以下特点：冷却速度快；热输入和畸变较小，涂层稀释率低 (一般小于5% )，与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格 比；光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。按熔覆材料的初始供应状态，熔覆材料可分为 粉末状、膏状、丝状、棒状和薄板状，其中应用最广泛的是粉末状材料。激光熔覆粉末材料主 要分为金属粉末、陶瓷粉末、复合粉末等。其中，自熔性合金粉末的研究和应用最多。自熔 性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。主要包括镍基 合金、铁基合金、钴基合金等。Co基自熔性合金粉末具有良好的高温性能和耐蚀耐磨性能， 常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。Fe基自熔性合金粉末适 用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗 磨性能好。但是，与Ni基、Co基自熔性合金粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性较 差、熔覆层易开裂、易氧化、易产生气孔等缺点。在Fe基自熔性合金粉末的成分设计上，通 常采用B、Si及Cr等元素来提高熔覆层的硬度与耐磨性，用Ni元素来提高熔覆层的抗开裂 能力。Ni基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激 光熔覆材料中研究最多、应用最广。它主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构 件，所需的激光功率密度比熔覆铁基合金的略高。镍硅硼合金粉末相比于其他镍基合金粉 末，不仅拥有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，而且其成分中不含铬，因此，在实验 或生产中不会对环境造成污染。碳化钨（WC)为六方晶体，不仅韧性好、硬度高、抗冲击载荷 及抗磨粒磨损能力强，与基体金属结合具有较好的抗界面腐蚀磨损性能，而且与镍基金属 液润湿性好。与其他金属陶瓷颗粒（如碳化钛等）相比易于获得，综合考虑，选择碳化钨颗 粒作为抗磨硬质相在技术上和经济上都是合适的。
[0005] 激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。 激光熔覆过程中加热和冷却的速度极快，由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数 的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度。通过测定 熔覆层开裂时的温度和对裂纹的断口分析认为，激光熔覆层裂纹是在凝固温度附近形成的 热裂纹，也称凝固裂纹。在凝固温度区间，初生的发达枝晶相互连接形成一个结晶固态网， 造成枝晶间的液体封闭，在随后冷却中，由于收缩而无足够液体补充，易于在枝晶间硬质相 和杂质等应力集中的部位形成凝固裂纹源，随着温度不断降低，应力增大，裂纹将会沿枝晶 间扩展。由于激光熔覆冷却的温度梯度分布复杂，故不同区域可能会出现不同的结晶方向， 不同生长方向的共晶组织在快速凝固过程中会发生强烈的组织碰撞，导致共晶团界面产生 较大的应力而形成显微裂纹。此外，由于陶瓷材料与金属基体结构上差异较大，二者的润湿 性与匹配性不好，裂纹源也易在结合面处产生。归纳起来，裂纹源产生的部位主要有3种： (1)熔覆层中的硬质相及夹杂物；（2)熔覆层中共晶团间的显微孔；（3)熔覆层与基材界面 间的微孔洞。萌生的裂纹如果继续稳态扩展和失稳扩展便会造成涂层的开裂。
[0006] 现有的镍基碳化钨激光熔覆涂层硬度不是很高，如专利CN103866320A公开了一 种改善镍基碳化钨激光熔覆涂层的方法，以质量百分比为：氧化镧〇. 8%、镍基59. 2%、碳 化钨40 %的混合粉末，使用1500-1800W功率的半导体激光器在A3钢表面熔覆，得到的熔覆 层最高硬度为58HRC。上述方法得到的熔覆涂层硬度不是太高，不能保证在极为严重的磨粒 磨损工况下零件的使用寿命。
[0007] 因此，找到一种提高镍基碳化钨激光熔覆涂层的硬度与组织稳定性的方法十分重 要。
【发明内容】
[0008] 本发明针对上述不足，通过使用镍基代替其它镍基合金，优化工艺，进一步解决镍 基碳化钨激光熔覆层出现大量裂纹与气孔以及镍基粉末普遍含铬而对环境造成污染的情 况，做到了低污染实验，同时提高了零件在严重磨粒磨损工况下的寿命。
[0009] 本发明提供一种镍硅硼碳化钨激光熔覆涂层方法，其特征在于，包括以下步骤： [0010] 步骤一：选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干 净基体表面油污和锈迹；
[0011] 步骤二：将质量百分比20%?80%碳化钨粉末与80%?20%镍硅硼合金粉末混 合均匀，将混合粉末预置在45钢基体表面，粉末厚度3?4_ ;
[0012] 步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽 为8?15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
[0013] 步骤一中的碳化钨粒度为：30?50 μ m ;镍硅硼的粒度为：40?100 μ m。
[0014] 本发明具有以下优点：
[0015] 1、激光熔覆用合金粉末既有较高的硬度、又有优异的耐磨性和耐腐蚀性；
[0016] 2、镍硅硼合金粉末相比于其他镍基合金粉末，不仅拥有良好的润湿性、耐蚀性、高 温自润滑作用，而且其成分中不含铬，因此，在实验或生产中不会对环境造成污染；
[0017] 3、碳化钨不仅韧性好、硬度高、抗冲击载荷及抗磨粒磨损能力强，与基体金属结合 具有较好的抗界面腐蚀磨损性能，而且与镍基金属液润湿性好，与其他金属陶瓷颗粒（如 碳化钛等）相比易于获得；
[0018] 4、激光光斑宽度大，能得到较大面积的熔覆层；
[0019] 5、在激光熔覆涂层与基体的结合区部分无任何裂纹与气孔，只在熔覆层有极个别 的细小裂纹出现；
[0020] 6、得到的熔覆层具有很高的硬度，当混合粉末中碳化钨质量百分比分别为20%、 40%、60%、80%时，其熔覆层平均硬度为 648. 6HV、716HV、890. 5HV、722. 3HV。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明实例一的SEM金相图片；
[0022] 图2是本发明实例二的SEM金相图片；
[0023] 图3是本发明实例三的SEM金相图片；
[0024] 图4是本发明实例四的SEM金相图片；
[0025] 图5是本发明实例一的能谱（EDS)图片；
[0026] 图6是本发明实例二的能谱（EDS)图片；
[0027] 图7是本发明实例三的能谱（EDS)图片；
[0028] 图8是本发明实例四的能谱（EDS)图片；
[0029] 图9是各实例摩擦磨损条形数据图。
【具体实施方式】
[0030] 实例一：
[0031] (1)选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基 体表面油污和锈迹；
[0032] (2)将质量百分比20%碳化钨与80%镍硅硼粉末混合均匀，预置在45钢基体表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0033] (3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽为 15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气；
[0034] (4)经显微硬度测试，所得熔覆层硬度平均值为648. 6HV ;SEM金相图片如图1所 示。使用NAN0SEM 430型扫描电镜测其能谱，电压15kW，得SEM金相图标注处熔覆层含有质 量百分比 1. 2% C、3. 53% Si、22. 06% Fe、73. 21% Ni。能谱图如图 5 所示；
[0035] (5)使用微机控制高速环块摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，其摩擦方式为干 摩擦，压力600N、转速300r/min、时间15min。最后测得磨损速率为0· llmg/min，SEM金相 图片如图1所示。
[0036] 实例二：
[0037] (1)选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基 体表面油污和锈迹；
[0038] (2)将质量百分比40%碳化钨与60%镍硅硼粉末混合均匀，预置在45钢基体表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0039] (3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽为 15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
[0040] (4)经显微硬度测试，所得熔覆层硬度平均值为716HV，；SEM金相图片如图2所示。 使用NAN0SEM 430型扫描电镜测其能谱，电压15kW，得SEM金相图标注处熔覆层含有质量百 分比 1. 91% C、l. 17% 0、20· 85% W、50. 38% Fe、25. 69% Ni。能谱图如图 6 所示；
[0041] (5)使用微机控制高速环块摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，其摩擦方式为干 摩擦，压力600N、转速300r/min、时间15min。最后测得磨损速率为0.09mg/min，SEM金相 图片如图2所示。
[0042] 实例三：
[0043] (1)选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基 体表面油污和锈迹；
[0044] (2)将质量百分比60%碳化钨与40%镍硅硼粉末混合均匀，预置在45钢基体表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0045] (3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽为 15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
[0046] (4)经显微硬度测试，所得熔覆层硬度平均值为890. 5HV ;SEM金相图片如图3所 示。使用NAN0SEM 430型扫描电镜测其能谱，电压15kW，SEM金相图标注处熔覆层含有质量 百分比 11. 34% C、4. 35% 0、6· 95% Si、0. 82% Cl、46. 06% Fe、5. 92% Ni、24. 57% W。能谱 图如图7所示；
[0047] (5)使用微机控制高速环块摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，其摩擦方式为干 摩擦，压力600N、转速300r/min、时间15min。最后测得磨损速率为0.06mg/min。
[0048] 实例四：
[0049] (1)选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基 体表面油污和锈迹；
[0050] (2)将质量百分比80 %碳化钨与20 %镍硅硼粉末混合均匀，预置在45钢基体表 面，粉末厚度3?4mm ;
[0051] (3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W。所选用的光斑宽为 15mm，焦距300。扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
[0052] (4)经显微硬度测试，所得熔覆层硬度平均值为722. 3HV ;SEM金相图片如图4所 示。使用NAN0SEM 430型扫描电镜测其能谱，电压15kW，SEM金相图片如图3所示。使用 NAN0SEM 430型扫描电镜测其能谱，电压15kW，SEM金相图标注处熔覆层含有质量百分比 3. 18% C、l. 53% 0、45· 46% Fe、6. 28% Ni、43. 56% W。能谱图如图 8 所示；
[0053] (5)使用微机控制高速环块摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，其摩擦方式为干 摩擦，压力600N、转速300r/min、时间15min。最后测得磨损速率为0· 73mg/min。
[0054] 各实例摩擦磨损条形图如图9所示。
【权利要求】
1. 一种改善镍基碳化钨激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：选取45钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基 体表面油污和锈迹； 步骤二：将质量百分比20 %?80 %碳化钨粉末与80 %?20 %镍硅硼粉末混合均匀，将 混合粉末预置在45钢基体表面，粉末厚度3?4_ ; 步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光功率为3000W;所选用的光斑宽为 8?15mm，焦距300 ;扫描速度为3mm/s，保护气体为氩气。
2. 如权利要求1所述的改善镍基碳化钨激光熔覆涂层材料的工艺和方法，其特征在 于，步骤二中的碳化钨粒度为：30?50 μ m ;镍硅硼的粒度为：40?100 μ m。
【文档编号】C22C19/03GK104195550SQ201410468486
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】雷剑波, 顾振杰, 王植, 王云山 申请人:天津工业大学