一种替代镀硬铬的涂层材料及其激光熔覆制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁基合金超硬涂层材料及其制备方法，更特别的是一 种替代传统高污染的镀硬铬涂层材料及其制备方法。

背景技术

在石油开采、矿山机械、工程机械、采煤行业、电力等行业，经常要 求零部件具有优异的耐磨性及抗腐蚀性能，特别对于精密程度较高的 零部件，轻微的磨损或者腐蚀，将意味着零件的报废，因此造成大量 贵重金属材料的资源浪费。镀硬铬工艺是目前工业企业通常采用的提 高材料抗磨以及抗腐蚀的途径。其优点是镀铬层均匀、硬度高且抗腐 蚀、生产效率高且成本低，其缺点是对环境的污染很大，并且镀铬层 与基体结合力差，在使用过程中常出现鼓泡、起皮等问题。

目前，迫于环境污染的压力，镀硬铬工艺正逐渐迈向被取缔。因此， 很多技术部门正在寻求一种可替代镀硬铬的涂层制备方式。目前热喷 涂技术在涂层结合力以及涂层致密性方面存在一定缺陷，常规堆焊技 术在制备涂层时对基材的热影响较大。激光熔覆技术属于一种绿色加 工方法，激光熔覆层具有组织细密、成分均匀、涂层与基体冶金结合 好等优点。然而基于圆光斑、低扫描速度的常规激光熔覆方法，因其 效率较低而不能满足工业企业大规模生产的需要。在材料体系方面， 镍基或钴基的涂层价格昂贵，不适宜大量消耗的产品。针对上述问题 ，本发明设计了成本低廉的Fe基合金涂层材料，并充分发挥激光熔覆 技术在涂层性能以及涂层质量方面的优势，突破常规的工艺特点与工 作效率，采用大光斑、高功率快速扫描，显著提高激光熔覆效率，满 足生产的实际需要。

发明内容

针对目前传统镀硬铬工艺技术的高污染以及使用过程中的鼓泡、起皮 等问题，发明一种替代镀硬铬的廉价涂层材料以及高效率的激光熔覆 制备方法，高效率获得与基体冶金结合且性能优异的涂层材料，满足 实际生产对涂层性能、结合强度以及生产效率的需要。

一种替代镀硬铬的涂层材料，其特征在于，该涂层材料的各组分质量 百分比如下：C：0.8-1.0 wt%、Cr：4.0-8.0 wt%、Ni：2.0-3.0  wt%、Si：0.4-0.8 wt%、Mo：5.0-7.0 wt%、W：6.0-10.0 wt%、M n：0.3-0.6 wt%，余量Fe。

上述的一种替代镀硬铬的涂层材料的激光熔覆制备方法，其特征在于 ，包括以下步骤：

（1）按上述组分的质量百分比选取金属原料；

（2）采用水雾化或气雾化的方式用上述金属原料制备Fe基粉末，过筛 后得到10-50μm粒度范围的粉末；

（3）选取将要强化的零部件作为基体，对零件的待强化或待修复区域 进行喷砂处理，并采用压缩空气除去颗粒杂物，然后用酒精擦洗表面 ；

（4）利用基于同步送粉技术的激光熔覆工艺在零件表面制备Fe基涂层 ，实现零部件的强化或修复，具体工艺参数设置为：激光熔覆功率为 8～10KW，采用矩形光斑，光斑尺寸在长度方向为12-20mm，宽度方向 为2-4mm，光束扫描线速度为1000～1500mm/min，送粉器送粉速率为8 0-120g/min，激光熔覆过程采用流量为15～20L/min的氩气保护；

（5）后续磨削机械加工，加工至零件尺寸及所要求的粗糙度。

本发明的积极效果：

本发明提供的一种替代镀硬铬的涂层材料及其激光熔覆制备方法，涂 层与基体材料为冶金结合，克服了镀铬的缺点，并通过高效率的大面 积激光熔覆，满足实际生产的需要。同时，所设计的Fe基高性能材料 价格低廉以及高效率的工艺过程能被用户所接受，为生产企业创造较 大的利润空间。

具体实施方式

实施例1

（1）选取典型的Fe基材料配方，C：0.8 wt%、Cr：4.0wt%、Ni：2. 0wt%、Si：0.4wt%、Mo：5.0 wt%、W：6.0 wt%、Mn：0.3 wt%，余 量Fe；

（2）采用氩气雾化的方式得到Fe基合金粉末，过筛后得到10-50μm粒 度范围的粉末；

（3）选取重型发动机活塞环槽为强化对象，活塞材质为16CrMo4-4， 对活塞环槽的待强化或待修复区域进行喷砂处理，并采用压缩空气除 去颗粒杂物，然后用酒精擦洗表面；

（4）利用基于同步送粉技术的激光熔覆工艺在零件表面制备Fe基涂层 ，实现活塞环槽的强化或修复，具体工艺参数设置为：半导体激光器 输出功率为8 KW，矩形光斑尺寸为12×2 mm，光束扫描线速度为15 00 mm/min，送粉器送粉速率为80 g/min，激光熔覆过程采用流量为 15 L/min的氩气保护；

（5）采用金刚石成型砂轮磨削加工活塞环槽，将激光熔覆区加工至零 件技术要求尺寸，粗糙度达到Ra0.4。

下面对本实施例得到的Fe基合金涂层进行性能测试。

1、腐蚀实验

将无磁涂层材料在YW/R-150盐雾实验箱内进行腐蚀试验，NaCl 的质 量浓度为( 5±0.1) %，pH值为6.5~ 7.2，得到涂层材料的腐蚀率 为0.38g/m²·h（测试条件：25℃×168h），具有优良的耐腐蚀性能。

2、显微硬度

用HR-150A型洛氏硬度计对涂层样品进行硬度测试，对激光熔覆层表面 进行进行多点测试并计算平均值，其硬度值为HRC63。

以上数据均说明激光熔覆制备的Fe基合金性能优异。

实施例2

（1）选取典型的Fe基材料配方，C：0.90 wt%、Cr：6.0 wt%、Ni： 2.5 wt%、Si：0.6 wt%、Mo：6.0 wt%、W：8.0 wt%、Mn：0.45w t%，余量Fe；

（2）采用水雾化的方式得到Fe基合金粉末，过筛后得到10-50μm粒度 范围的粉末；

（3）选取工程机械行业活塞杆做为要强化的对象，材质为45钢，对零 件的待强化或待修复区域进行喷砂处理，并采用压缩空气除去颗粒杂 物，然后用酒精擦洗表面；

（4）利用基于同步送粉技术的激光熔覆工艺在活塞杆零件表面制备F e基涂层，实现零部件的强化或修复，具体工艺参数设置为：激光熔覆 功率为9 KW，采用矩形光斑，光斑尺寸在长度方向为16×3 mm，光 束扫描线速度为1200 mm/min，送粉器送粉速率为100 g/min，激光 熔覆过程采用流量为17 L/min的氩气保护。

（5）采用金刚石砂轮磨削加工活塞杆表面，将激光熔覆区加工至零件 技术要求尺寸，粗糙度达到Ra0.4。

下面对本实施例得到的Fe基合金样品进行性能测试：

1、腐蚀实验

将Fe基涂层材料样品放在YW/R-150盐雾实验箱内进行腐蚀试验，NaCl  的质量浓度为( 5±0.1) %，pH值为6.5~ 7.2，得到涂层材料的 腐蚀率为0.32g/m²·h（测试条件：25℃×168h），具有优良的耐腐蚀 性能。

2、显微硬度

用HR-150A型洛氏硬度计对涂层样品进行硬度测试，对激光熔覆层表面 进行进行多点测试并计算平均值，其硬度值为HRC65。

以上数据均说明激光熔覆制备的Fe基合金性能优异。

实施例3

（1）选取典型的Fe基材料配方，C： 1.0 wt%、Cr：8.0 wt%、Ni ：3.0 wt%、Si：0.8 wt%、Mo：7.0 wt%、W：10.0 wt%、Mn：0. 6 wt%，余量Fe；

（2）采用氩气雾化的方式得到Fe基合金粉末，过筛后得到10-50μm粒 度范围的粉末；

（3）选取煤机行业液压支柱为激光强化对象，材质为27SiMn，对零件 的待强化或待修复区域进行喷砂处理，并采用压缩空气除去颗粒杂物 ，然后用酒精擦洗表面；

（4）利用基于同步送粉技术的激光熔覆工艺在液压支柱零件表面激光 熔覆制备Fe基涂层，实现零部件的强化或修复，具体工艺参数设置为 ：CO2激光器输出功率为10 KW，矩形光斑尺寸为20 mm×4 mm，光 束扫描线速度为1000 mm/min，送粉器送粉速率为120 g/min，激光 熔覆过程采用流量为20 L/min的氩气保护。

（5）采用金刚石砂轮磨削加工活塞杆表面，将激光熔覆区加工至零件 技术要求尺寸，粗糙度达到Ra0.4。

下面对本实施例得到的Fe基合金样品进行各种性能测试。

1、腐蚀实验

将Fe基涂层材料样品放在YW/R-150盐雾实验箱内进行腐蚀试验，NaCl  的质量浓度为( 5±0.1) %，pH值为6.5~ 7.2，得到涂层材料的 腐蚀率为0.29g/m²·h（测试条件：25℃×168h），具有优良的耐腐蚀 性能。

2、显微硬度

用HR-150A型洛氏硬度计对涂层样品进行硬度测试，对激光熔覆层表面 进行多点测试并计算平均值，其硬度值为HRC67。

以上数据均说明激光熔覆制备的Fe基合金性能优异。