高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法
【专利摘要】高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，属于耐磨材料【技术领域】。采用激光熔覆方法制备，先将颗粒尺寸100～160目、质量分数分别为12.0～15.0％的低碳铬铁粉、12.0～15.0％的高碳铬铁粉、6.0～8.0％的硼铁粉、5.0～6.0％的金属铝粉、1.5～2.0％的稀土硅铁粉、4.0～5.0％的Fe2O3粉和52～57％的纯铁粉混合均匀。然后采用光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉，熔覆过程中的送粉率为15～20g/min，激光功率为1500～2500W，扫描速度3～8mm/s，可获得硬度高、高温耐磨性好的Fe-Cr-B-Al合金。
【专利说明】高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种高温抗磨合金制备方法，特别涉及一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金制备方法，属于耐磨材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高温磨损是一种极其严酷的磨损工况，对材料性能要求很高，既要有良好的抗磨料磨损能力，还要有良好的抗氧化腐蚀能力，传统材料很难满足要求。为了提高材料抗高温磨损性能，中国发明专利CN1451773A公开了一种耐高温耐磨损高强度合金的制备方法，合金的成分为 C0.05 ~0.08，Crl8.0 ~20.0, Μο4.5 ~5.5，All.2 ~1.5，Τ?2.5 ~3.1，Fe8.0 ~10.0, Ce ( 0.025, B ^ 0.005, Si ( 0.4,Mn ^ 0.4, S ^ 0.01,P ^ 0.012, Ni 余量，采用真空感应熔炼技术，加料顺序为:在坩埚中从下至上依次装入部分小块Ni+全部Cr、全部W、全部Mo、全部Fe+部分C+剩余小块Ni+长规格Ni，剩余C、全部Al、全部Ti在合金化期加入，全部CrB、全部Ce在合金化后期加入；精炼温度:1580 ± I (TC;浇注温度:1450±10°C。用该发明方法制备出的合金在性能上可以达到甚至超过原仿制合金的技术指标。中国发明专利CN103968101A还公开了一种高耐腐蚀和冲蚀磨损的陶瓷球阀。两个阀体与阀盖联接，通过O型垫圈密封；两个阀体内侧中心分别安装有阶梯形阀座，其台肩与阀体内侧通过回弹垫片配合固定，阀座内侧与弓形缺口阀球形成面接触密封；阀杆与阀盖连接的周向空隙内嵌入石墨填料，并通过填料压盖经螺栓压紧固定；阀杆的一端插入弓形缺口阀球定位，阀杆的另一端与执行机构连接，执行机构通过阀杆带动弓形缺口阀球旋转运动，弓形缺口阀球采用非对称结构的阀球。该发明可应用于煤化工、石油化工、电力系统中多相流磨损工况，具备很好的耐高温性，耐磨性，使用寿命长。具备良好的综合性能，能够满足在多相流苛刻冲刷磨损环境中的使用。中国发明专利CN103964744A还公开了一种用于大型工矿企业易磨损设备的耐高温耐磨损的防护材料，由下列成分组成，按重量份数计，碳化硅、氧化铝微粉、陶瓷微粉、碳纤维、三氧化二铬、锆莫来石、白刚玉微粉、珍珠岩、玻璃丝、氢氧化钙、氧化锌微粉、氧氯化锆、助剂，粘剂及溶剂，该发明通过上述成分之间的协同作用，在升温过程中，材料强度显著提高，改进了材料的热稳定性和抗侵蚀性；该材料利用材料在高温下进行增链、材料转化反应制成的，比传统的耐磨材料耐温性能高出60%,能抵抗持续1000°C的工作温度下长时间工作，具有极好的抗腐蚀性能，在高温环境下可抵御大小颗粒磨蚀物质引起的磨损。中国发明专利CN103722296A还公开了一种高温热风机叶片磨损的修复方法，包括如下操作步骤:采用耐热不锈钢板制作与叶片根部联接部位尺寸相当的加强板，并将加强钢板按照叶片根部形状压制成型；将上述一块上述加强钢板覆盖在叶片根部联接部位背面上，加强钢板的一个边点焊在后盘上，加强钢板的其余三边点焊在叶片根部，采用对称焊接方法，点焊完成之后，再按照同样的方法进行满焊；再按照上述施焊顺序，在叶片工作面后盘焊缝及易磨损部位，堆焊一层耐磨材料，经过以上焊接过程之后应进行叶片静平衡校验。该发明可以快速消除了风机叶轮的安全隐患，降低维护成本，尽可能缩短维修时间，延长了风机的使用寿命，适用于硫铵生产企业。中国发明专利CN102147020A还公开了一种耐高温耐高压耐磨损单向闸阀，上阀体内的手轮轴(11)通过螺母(16)与手轮(14)相连，手轮(14)下方设置有支撑轴承(13)，阀杆(7)上端的周围套有耐磨材料(10)，耐磨材料
(10)通过下方设置的限位圈(9)固定在上阀体上，手轮(14)与螺母(16)之间设置有蝶形弹簧(15)，手轮轴(11)与上阀体之间装有石墨金属网倒密封元件(12)，手轮轴(11)与阀杆(7)采用卡口连接方式相连，连接在阀杆(7)上的闸板由相互平行且相连的动摩擦闸板(3)和静摩擦闸板⑵组成的平行双闸板。该发明的有益效果:无堵塞，耐高温，耐高压，耐磨损，使用寿命长。中国发明专利CN1846926A还公开了 TB3102抗高温磨粒磨损堆焊焊条，常温下堆焊层硬度HRC >65，不预热，焊层无裂纹。其主要原料配比按重量份数为:大理石13至25、萤石2至8、高碳铬铁5至20、钛白粉0.5至3、中碳锰铁3至8、硼石8至20、钨粉
1.5至6、钒铁10至20、石墨0.8至4、石英0.8至2、钛铁2至3。适用于低、中碳钢和低、中合金结构钢上冷态堆焊；焊前不预热，焊后可不进行热处理。中国发明专利CN102345086A还公开了一种电厂锅炉“四管”在高温条件下抗氧化和耐磨损的复合涂层。所述复合涂层的组分为70-80wt.%的NiCoCrAlY,以及20_30wt.%的ZrC，涂层厚度为200-300 μ m ;制备时，采用等离子喷涂或超音速火焰喷涂的方法，将一定比例成分和粒度的NiCoCrAH和ZrC搅拌均匀后，形成喷涂所需要的粉体，在一定喷涂工艺条件下形成所需要的涂层。涂层在高温下其也具有很高的硬度，涂层的抗氧化、磨损和侵蚀性能大为提高。从而克服了当前涂层的脆化和在制备过程中形成微裂纹问题，使得电厂锅炉“四管”的使用寿命大为提高。中国发明专利CN103388108A还公开了用于制造具有均质的机械特性和改进的耐磨性和高的硬度潜能的材料的方法及根据所述的方法来由莱氏体工具钢合金制作的具有抗磨粒磨损的高稳定性的材料。HIP块在温度超过1100°C的、但至少比最低的熔解组织相的融化温度低10°C的、用超过12小时持续时间情况下的高温退火，平均碳化物相大小提高了至少65%，圆化了碳化物相的表面形状，以及均匀化了基体，其后续加工制作成具有高耐磨性的零件。根据该发明方法的材料具有均质的机械特性，在热调制处理状态下、在平均碳化物相大小超过2.8 μ m时，在基体中具有至少7.0体积％的M6C碳化物和MC碳化物的碳化物相份额，在该体中存在0.45重量％至0.75重量％的碳浓度。
[0003]但是，上述高温抗磨材料仍存在抗高温磨损性能不足的缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了进一步提高材料的抗高温磨损性能，本发明在材料中增加铝含量和铬含量，提高基体抗氧化能力，在此基础上，加入硼元素，形成高温硬度高，耐磨性好的硼碳化物，此外，加入适量Fe2O3，利用Fe2O3与铝在高温下反应，生成高硬度的Al2O3陶瓷相，均匀分布于金属基体中，可以进一步提高材料抗高温磨损能力。
[0005]本发明目的可以通过以下技术措施来实现:
[0006]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的具体制备工艺步骤是:
[0007]①先将颗粒尺寸100~160目、质量分数分别为12.0~15.0 %的低碳铬铁粉、12.0~15.0 %的高碳铬铁粉、6.0~8.0 %的硼铁粉、5.0~6.0 %的金属铝粉、1.5~2.0 %的稀土硅铁粉、4.0~5.0%的Fe2O3粉和52~57%的纯铁粉混合均匀。
[0008]②然后将上述混合均匀的粉末，采用光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉。在熔覆过程中，使用激光熔覆同步送粉器向熔池中输送熔覆粉末，同时通入高纯氩气保护熔池，在钢板上熔覆Fe-Cr-B-Al合金，熔覆过程中的送粉率为15~20g/min，激光功率为1500~2500W，扫描速度3~8mm/s。
[0009]优选熔覆用激光头及同步送粉喷头固定在一台机器人手臂上。
[0010]如上所述高碳铬铁粉化学成分质量分数为:62.0~68.0 % Cr，7.0~8.5 %C，2.0 ~3.5% Si, ^ 0.03% S, ( 0.06% P,余量 Fe。
[0011]如上所述低碳铬铁粉化学成分质量分数为:60~65% Cr, <0.35% C, <1.5%Si,〈0.05% P,〈0.03% S，余量 Fe。
[0012]如上所述硼铁粉的化学成分质量分数为:19.0-21.0% B，^ 0.5 % C, ^ 2%Si, ( 0.5% Al, ( 0.01% S，( 0.1% P,余量 Fe。
[0013]如上所述稀土硅铁粉的化学成分质量分数为:27.0~30.0% RE, 38.0~42.0%Si, <3.0% Mn, <5.0% Ca, <3.0% Ti, ( 0.02% S，( 0.04% P,余量 Fe。
[0014]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金，采用激光熔覆方法制备，为了提高材料的抗高温磨损性能，本发明在材料中增加铝含量和铬含量，其中铝以金属铝粉形式加入，金属铝粉加入质量分数达到5.0~6.0%，铬以低碳铬铁粉和高碳铬铁粉形式加入，铝和铬的加入，可以大幅度提闻基体的抗氧化能力。低碳络铁粉加入质量分数为12.0~15.0%,闻碳络铁粉加入质量分数为12.0~15.0%。此外加入高碳铬铁粉还可以补充材料中的碳，碳固溶于基体，可以提高基体硬度，从而提高基体耐磨性。在此基础上，加入硼元素，形成高温硬度高，耐磨性好的硼碳化物。另外，本发明材料中，加入质量分数4.0~5.0%的Fe2O3粉，可以与铝粉在激光高能作用下发生反应，生成高硬度的Al2O3陶瓷相，均匀分布于金属基体中，可以进一步提高材料抗高温磨损能力。此外，本发明材料中还加入质量分数1.5~2.0%的稀土硅铁粉，可以利用稀土细化晶粒，以及改善硼碳化物形态和分布，从而有利于提高Fe-Cr-B-Al合金的强度和韧性。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下特点:
[0016]I)本发明Fe-Cr-B-Al合金硬度高，硬度超过63HRC ；
[0017]2)本发明Fe-Cr-B-Al合金具有良好的高温性能，特别是高温下硬度下降缓慢，在600°C保温10小时后冷却至室温，硬度维持在58HRC以上；
[0018]3)本发明Fe-Cr-B-Al合金具有优异的高温抗磨性，在600°C时的抗磨性能比Crl5Mo3高铬白口铸铁提高60~80%。
【具体实施方式】
[0019]下面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。
[0020]实施例1:
[0021]高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金采用激光熔覆方法制备，具体制备工艺步骤是:
[0022]①先将颗粒尺寸100~160目、质量分数分别为15.0%的低碳铬铁粉(低碳铬铁粉化学成分质量分数为:60.93% Cr, 0.24% C，1.30% Si, 0.036% P, 0.013% S，余量Fe) ,12.0 %的高碳铬铁粉(高碳铬铁粉化学成分质量分数为:65.48% Cr, 7.72% C，2.66%Si, 0.021% S, 0.047 % P,余量Fe)、6.0 %的硼铁粉(硼铁粉的化学成分质量分数为:19.38 % B, 0.25 % C，0.84 % Si, 0.29 % Al, 0.007 % S，0.065 % P,余量 Fe)、6.0 % 的金属铝粉、1.5%的稀土硅铁粉(稀土硅铁粉的化学成分质量分数为:27.96% RE, 39.93%Si, 2.06 % Mn, 3.81 % Ca, 1.38 % Ti, 0.013 % S，0.028 % P,余量 Fe)、5.0 % 的 Fe2O3 粉和54.5 %的纯铁粉混合均匀。
[0023]②然后将上述混合均匀的粉末，采用6KW光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉。熔覆用激光头及同步送粉喷头固定在一台ABB机器人手臂上。在熔覆过程中，使用激光熔覆同步送粉器向熔池中输送熔覆粉末，同时通入高纯氩气保护熔池，在厚度为20mm的Q235钢板上熔覆Fe-Cr-B-Al合金，熔覆过程中的送粉率为15g/min，激光功率为1500W，扫描速度3mm/s。最后得到的Fe-Cr-B-Al合金室温硬度达到64.2HRC，Fe-Cr-B-Al合金在600°C保温10小时后冷却至室温，硬度达59.7HRC。
[0024]实施例2:
[0025]高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金采用激光熔覆方法制备，具体制备工艺步骤是:
[0026]①先将颗粒尺寸100~160目、质量分数分别为12.0%的低碳铬铁粉(低碳铬铁粉化学成分质量分数为:64.28 % Cr, 0.31 % C，1.29 % Si, 0.030 % P, 0.018 % S，余量Fe) ,15.0 %的高碳铬铁粉(高碳铬铁粉化学成分质量分数为:63.56% Cr, 8.20% C，2.69%Si, 0.025 % S, 0.044 % P,余量Fe)、8.0 %的硼铁粉(硼铁粉的化学成分质量分数为:19.05 % B, 0.31 % C, 1.08 % Si, 0.24 % Al, 0.008 % S，0.072 % P,余量 Fe)、5.0 % 的金属铝粉、2.0%的稀土硅铁粉(稀土硅铁粉的化学成分质量分数为:28.84% RE, 40.58%Si, 1.83% Mn, 3.57% Ca, 1.20% Ti, 0.014% S，0.027% P,余量 Fe)、4.0% 的 Fe2O3 粉和54 %的纯铁粉混合均匀。
[0027] ②然后将上述混合均匀的粉末，采用6KW光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉。熔覆用激光头及同步送粉喷头固定在一台ABB机器人手臂上。在熔覆过程中，使用激光熔覆同步送粉器向熔池中输送熔覆粉末，同时通入高纯氩气保护熔池，在厚度为30mm的Q235钢板上熔覆Fe-Cr-B-Al合金，熔覆过程中的送粉率为20g/min，激光功率为2500W， 扫描速度8mm/s。最后得到的Fe-Cr-B-Al合金室温硬度达到63.9HRC，Fe-Cr-B-Al合金在600°C保温10小时后冷却至室温，硬度达59.2HRC。
[0028]实施例3:
[0029]高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金采用激光熔覆方法制备，具体制备工艺步骤是:
[0030]①先将颗粒尺寸100~160目、质量分数分别为14.0%的低碳铬铁粉(低碳铬铁粉化学成分质量分数为:62.85 % Cr, 0.28 % C，0.75 % Si, 0.031 % P, 0.016 % S，余量Fe) ,14.0 %的高碳铬铁粉(高碳铬铁粉化学成分质量分数为:65.17% Cr, 7.94% C，2.88%Si, 0.018% S, 0.046 % P,余量Fe)、7.0 %的硼铁粉(硼铁粉的化学成分质量分数为:19.96 % B, 0.35 % C，1.48 % Si, 0.15 % Al, 0.005 % S，0.049 % P,余量 Fe)、5.5 % 的金属铝粉、1.8%的稀土硅铁粉(稀土硅铁粉的化学成分质量分数为:29.50 % RE, 40.83 %Si, 1.37 % Mn, 3.01 % Ca, 2.26 % Ti, 0.013 % S，0.028 % P，余量 Fe)、4.5 % 的 Fe2O3 粉和53.2 %的纯铁粉混合均匀。
[0031]②然后将上述混合均匀的粉末，采用6KW光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉。熔覆用激光头及同步送粉喷头固定在一台ABB机器人手臂上。在熔覆过程中，使用激光熔覆同步送粉器向熔池中输送熔覆粉末，同时通入高纯氩气保护熔池，在厚度为25mm的Q235钢板上熔覆Fe-Cr-B-Al合金，熔覆过程中的送粉率为18g/min，激光功率为2000W，扫描速度6mm/s。最后得到的Fe-Cr-B-Al合金室温硬度达到64.7HRC，Fe-Cr-B-Al合金在600°C保温10小时后冷却至室温，硬度达58.8HRC。
[0032]本发明Fe-Cr-B-Al合金硬度高，硬度超过63HRC，具有良好的高温性能，
[0033]特别是高温下硬度下降缓慢，在600°C保温10小时后冷却至室温，硬度维持在58HRC以上。本发明Fe-Cr-B-Al合金具有优异的高温抗磨性，在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上进行高温磨损试验，磨盘转速312rpm，磨损温度600°C (炉膛温度达到600°C时，保温1min)，磨损载荷200N，磨损15min。对磨材料为3Cr2W8V热作模具钢，热处理后室温硬度为59± 1.5HRC。磨损试样为Φ6ι?πιΧ 15mm的圆柱销。相同磨损条件下,本发明Fe-Cr-B-Al合金在60 0°C时的抗磨性能比Crl5Mo3高铬白口铸铁提高60~80%。
【权利要求】
1.高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，采用激光熔覆方法制备，具体包括以下步骤: ①先将颗粒尺寸100~160目、质量分数分别为12.0~15.0%的低碳铬铁粉、12.0~15.0 %的高碳铬铁粉、6.0~8.0 %的硼铁粉、5.0~6.0 %的金属铝粉、1.5~2.0 %的稀土硅铁粉、4.0~5.0%的Fe2O3粉和52~57%的纯铁粉混合均匀； ②然后将上述混合均匀的粉末，采用光纤激光器输入热量，采用激光熔覆同步送粉器送粉；在熔覆过程中，使用激光熔覆同步送粉器向熔池中输送熔覆粉末，同时通入高纯氩气保护熔池，在钢板上熔覆Fe-Cr-B-Al合金，熔覆过程中的送粉率为15~20g/min，激光功率为1500~2500W，扫描速度3~8mm/s。
2.按照权利要求1所述的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，所述高碳铬铁粉化学成分质量分数为:62.0~68.0 % Cr，7.0~8.5% C，2.0~3.5%Si, ^ 0.03% S, ( 0.06% P,余量 Fe。
3.按照权利要求1所述的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，所述低碳铬铁粉化学成分质量分数为:60 — 65% Cr,〈0.35% C，〈1.5% Si,〈0.05% P,〈0.03% S，余量Fe。
4.按照权利要求1所述的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，所述硼铁粉的化学成分质量分数为:19.0-21.0% B，^0.5%C, ^ 2% Si, ^0.5% Al, ^0.01%S，^ 0.1% P,余量 Fe。
5.按照权利要求1所述的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，所述稀土硅铁粉的化学成分质量分数为:27.0~30.0% RE, 38.0~42.0% Si, <3.0% Mn, <5.0%Ca, <3.0% Ti, ( 0.02% S，( 0.04% P,余量 Fe。
6.按照权利要求1所述的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金的制备方法，其特征在于，熔覆用激光头及同步送粉喷头固定在一台机器人手臂上。
7.按照权利要求1-6的任一方法制备得到的高温抗磨Fe-Cr-B-Al合金。
【文档编号】C23C24/10GK104164668SQ201410404392
【公开日】2014年11月26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, 桑培, 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