一种碳素钢复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及碳素钢加工，尤其是涉及一种碳素钢复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料，其是一种塑性、韧性好、不易产生焊接裂纹的碳素结构钢，其价格低廉，大量在应用于建筑、高压电输电塔、车辆及船舶等，也大量用作于机械零部件。但是碳素钢的耐磨减摩性能较差，限制了其作为运动零部件的应用。

2、因此，有必要开发一种性能更好的碳素钢复合材料。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面提出一种碳素钢复合材料，能够有效提高在室温和高温下的减摩性能和耐磨性能。

2、本发明第二方面还提供一种碳素钢复合材料的制备方法。

3、本发明第三方面还提供一种碳素钢复合材料的应用。

4、根据本发明的第一方面实施例提供的一种碳素钢复合材料，包括碳素钢基体和位于碳素钢基体表面的高熵合金涂层；

5、所述高熵合金涂层包括如下成分：铁元素、钴元素、铬元素、镍元素、铜元素和硼元素。

6、根据本发明实施例的碳素钢复合材料，至少具有如下有益效果：

7、本发明提供的碳素钢复合材料在室温和高温下均具有较高的减摩耐磨效果。高熵合金在其较高结构熵的影响下，合金元素之间易形成简单的固溶体，而不是金属间化合物，从而具备良好的力学性能和摩擦学性能，其表现出优异耐磨性的能力使其在以严重磨损和磨损为特征的场景中具有优势。

8、进一步地，硼元素作为一种与fe、co、cr、ni及cu原子尺寸差距较大的非金属元素，在形成固溶体时会引发严重的晶格畸变，增加涂层位错密度，提高力学性能。

9、进一步地，硼元素具有很高的硬度和熔点，在高温下可以与其他金属或非金属元素形成高强度、高硬度、高耐热、高耐蚀的金属硼化物，硼化物还具备润滑性，能有效降低摩擦系数。

10、进一步地，硼元素的氧化b2o3吉布斯自由能低，可以稳定存在，并且熔点低，在510℃下熔化形成一种低粘度的液体，形成一层润滑膜，隔离了接触表面，可以直接减少接触和粘着。

11、根据本发明的一些实施例，所述铁元素、钴元素、铬元素、镍元素、铜元素和硼元素的摩尔比为1:1:1:1:1：(0.1～0.5)。由此，当硼元素的添加量过低时，其高温减摩效果提升不明显，当硼元素的添加量超过0.5时，其减摩性能的提升有限，且大量添加硼元素会影响涂层的脆硬。

12、根据本发明的一些实施例，所述铁元素、钴元素、铬元素、镍元素、铜元素和硼元素的摩尔比为1:1:1:1:1：(0.3～0.5)。

13、根据本发明的第二方面实施例提供上述所述的碳素钢复合材料的制备方法，包括如下步骤：

14、s1、将铁粉、钴粉、铬粉、镍粉、铜粉和硼粉混合、球磨和干燥得到混合粉体；

15、s2、将碳素钢基体表面用激光熔覆混合粉体得到碳素钢复合材料。

16、根据本发明的一些实施例，所述激光熔覆的激光功率为1200w～2000w。例如，激光功率选自1200w、1400w、1600w、1800w、2000w或者由上述任意两个数值组成的范围。

17、根据本发明的一些实施例，所述球磨的转速为400r/min～800r/min。

18、根据本发明的一些实施例，所述激光熔覆的激光束输出光斑为1～2mm。

19、根据本发明的一些实施例，所述激光熔覆的扫描速度为4～8mm/s。

20、根据本发明的一些实施例，所述铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和铜粉的粒径独立地选自45μm～105μm。

21、根据本发明的一些实施例，所述硼粉的粒径为15μm～45μm。

22、根据本发明的一些实施例，所述碳素钢基体的表面经过除杂处理。

23、根据本发明的一些实施例，所述碳素钢基体选自q235普通碳素钢、q345优质碳素钢、35号优质碳素钢、45号优质碳素钢中的至少一种。

24、本发明第三方面提供一种上述所述的碳素钢复合材料在运动零部件中的应用。

25、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

技术特征：

1.一种碳素钢复合材料，其特征在于，包括碳素钢基体和位于碳素钢基体表面的高熵合金涂层；

2.根据权利要求1所述的碳素钢复合材料，其特征在于，所述铁元素、钴元素、铬元素、镍元素、铜元素和硼元素的摩尔比为1:1:1:1:1：(0.1～0.5)。

3.根据权利要求1或2所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光功率为1200w～2000w。

5.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为400r/min～800r/min。

6.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光束输出光斑为1～2mm。

7.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁粉、钴粉、铬粉、镍粉和铜粉的粒径独立地选自45μm～105μm。

8.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述硼粉的粒径为15μm～45μm。

9.根据权利要求3所述的碳素钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳素钢基体的表面经过除杂处理。

10.根据权利要求1或2所述的碳素钢复合材料在运动零部件中的应用。

技术总结
本发明公开了一种碳素钢复合材料及其制备方法和应用，其碳素钢复合材料包括碳素钢基体和位于碳素钢基体表面的高熵合金涂层；高熵合金涂层包括如下成分：铁元素、钴元素、铬元素、镍元素、铜元素和硼元素。本发明提供的碳素钢复合材料在室温和高温下均具有较高的减摩耐磨效果。

技术研发人员：刘秀波,杨超敏,孟元,刘志远,李新功,李明,李明曦
受保护的技术使用者：中南林业科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/2