阅读说明：本技术 一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料及其使用方法 (High-wear-resistance cladding metal ceramic powder for surface strengthening and use method thereof ) 是由 何丽娜 李强 马贵良 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料,其包括耐磨强化相和韧性粘结剂；所述耐磨强化相为WC,所述韧性粘结剂为含有铬、钼、锰的镍基合金；所述熔覆金属陶瓷粉还包含作为熔覆辅助剂的B和Si,以及用于调节熔覆层的合金组织结构的稀土元素Ce和稀土氧化物Y<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>；镍基合金质量百分比为40-46%,WC的质量百分比为54%-60%。本发明的熔覆金属陶瓷粉料,是以镍基合金为韧性粘结剂和溶剂,以WC为强化相,再适当比例添加Si和B,以确保激光熔覆的可行性和有效性,最后添加较大比例的稀土元素或氧化物,来改善熔覆层合金组织结构,使熔覆金属陶瓷粉料获得优越的激光加工性能,实现了适当降低合金熔点,减少大面积激光熔覆过程中的开裂倾向,改善激光强化综合性能的技术效果。(The invention relates to a high wear-resistant cladding cermet powder for surface strengthening, which comprises a wear-resistant strengthening phase and a tough binder; the wear-resistant strengthening phase is WC, and the tough binder is a nickel-based alloy containing chromium, molybdenum and manganese; the cladding cermet powder also comprises B and Si as cladding auxiliary agents, and rare earth element Ce and rare earth oxide Y for adjusting the alloy tissue structure of the cladding layer 2 O 3 (ii) a The mass percent of the nickel-based alloy is 40-46%, and the mass percent of WC is 54-60%. The cladding metal ceramic powder of the invention takes nickel-based alloy as toughnessThe high-performance laser cladding metal ceramic powder material has the advantages that the high-performance laser cladding metal ceramic powder material is prepared by using a high-performance binder and a high-performance solvent, using WC as a strengthening phase, adding Si and B in a proper proportion to ensure the feasibility and effectiveness of laser cladding, and finally adding a large proportion of rare earth elements or oxides to improve the alloy structure of a cladding layer, so that the cladding metal ceramic powder material obtains excellent laser processing performance, the melting point of the alloy is properly reduced, the cracking tendency in the large-area laser cladding process is reduced, and the technical effect of improving the comprehensive performance of laser.)

一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料及其使用方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是一种用于有高耐磨需求的工件表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料及其使用方法。

背景技术

磨损是导致零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸(体积)变小。零部件失去原有设计所规定的功能就会失效，而高温磨损更会导致工件加速失效。

例如，热轧辊是轧制生产线上的关键部件，其中某些合金轧辊因具有良好的导热和抗热疲劳能力而常被用作中轧过渡道次轧辊。这些轧辊服役工作时受到较大吨位的工作压力及冲击作用，而且表面直接和高于1000℃的高温轧材接触，因而更易导致磨损和热疲劳。大型轧钢机的轧辊，尺寸大、精度高、价格昂贵，因失效不得不频繁的更换，致使钢厂的吨钢轧辊成本相当高。又比如，冶金轧制线上推钢挡板和导卫是特钢热轧线夹持钢坯换孔型的挡板，主要起夹持钢坯、推挡和导卫作用。挡板的工作环境，需要频繁夹持接触热轧板材，推送到预轧制孔型，反复承受接近1150℃高温的热轧板坯的热传导和空冷状态交替变化。对挡板一定范围面积内的工作表面有热腐蚀、不同程度的磨损冲击和划伤等失效模式，导致挡板使用寿命缩短。因此，采用适当的表面处理工艺对轧辊、或挡板等有耐高温耐磨损需求的工件表面进行修复和强化处理，提高工作表面的耐磨性和抗热疲劳性，是目前钢铁企业降低成本、提高工效的有效措施。

通过对热轧辊或挡板等表面进行激光表面强化处理是一种有效措施，可以使工件表面的硬度较基体硬度大幅提高，可达到或超过HRC 60以上。生产实践证明，激光表面强化处理后的型钢轧辊的过钢量可翻倍提高，且轧辊表面磨损均匀，强化效果十分明显。各种耐磨板经过激光熔覆高温耐磨材料后，表面硬度大幅提升，具有了耐高温磨损性能。过钢量的翻倍增加，不仅大大降低了轧钢成本，减少了停机换辊和换挡板时间，提高了轧制钢材的生产效率，而且降低了轧钢工人的劳动强度，获得了显著的经济效益和社会效益。

但是，常规热处理硬化层的硬度从表面到内部有明显的硬度下降梯度，表面硬度最高，耐磨性最好，但随着服役时间增加，表面逐渐被磨去，接触面的硬度值逐渐降低，磨损随之加剧，最终导致因磨损量过大而失效。生产实践表明，若采用合适的激光熔覆技术处理，可以在高温耐磨工件表面获得深达超过1～2毫米的强化层，硬度可达HRC60以上。其显微组织由一定厚度的复合材料熔凝层与相变强化层所组成，熔覆层的硬度值达到最大，而且在整个强化厚度区基本保持一致。值得指出的是，表层主要是硬质相的强化，深层是相变强化，整个硬化层的硬度分布几乎无梯度变化，这对提高零件的耐磨损寿命十分重要。

激光熔覆金属陶瓷材料是通过大功率激光束的作用，形成均匀、致密且与基体结合牢固并具有一定韧性的金属陶瓷复合层。金属陶瓷材料具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。与一般熔覆材料不同，金属陶瓷材料激光强化的硬化层硬度值保持在高值，当表面磨去后，新的接触面的硬度值并未下降，耐磨性能仍然很好，因而不会发生磨损随之加剧的现象，大大提高了耐磨损寿命。另一方面，金属陶瓷强化层里还具有较高的压应力，这也有利于改善轧辊及耐磨板的耐磨性和抗热-机械疲劳性。

对于失效的轧辊、耐磨板甚至破碎锤头，目前最有效、最经济的修复方法是采用激光熔覆技术结合高温耐磨损耐腐蚀金属陶瓷合金粉末材料，进行激光加工。它有效地避免了其它修复方法所带来的局限性和风险，有效地提升了轧辊等工件工作表面的耐蚀耐磨性能，周期短，效率高，使用寿命提高显著。而提高工件高温耐磨性的关键技术问题，设计合适组分的合金粉末材料，使该粉末材料除了具有所需的特殊性能外，还要适合大面积激光熔覆加工处理。

尽管目前关于利用激光再制造工艺进行设备零部件修复与强化的专利申请和报道已很多，但经检索和查证发现：国内尚无先例，国外也没有见到专用于轧辊、耐磨板等工件、经大面积激光熔覆不开裂、硬度高的金属陶瓷合金材料方案的相关报道，而目前市场上也没有这种具有特殊属性和特殊性能的耐高温磨损熔覆金属陶瓷复合粉末商品。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，可用于有效修复或强化工件表面，以提高工件表面的硬度、具有硬度高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、优异的熔覆性能、经大面积激光熔覆不开裂的特点，尤其适合对磨损失效的轧辊、耐磨板、锤头等工件等这类工件表面进行大面积激光熔覆强化处理。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，其包括耐磨强化相和韧性粘结剂；其中，所述耐磨强化相为WC，所述韧性粘结剂为含有铬、钼、锰的镍基合金；

所述熔覆金属陶瓷粉还包含作为熔覆辅助剂的B和Si，以及用于调节熔覆层的合金组织结构的稀土元素Ce和稀土氧化物Y₂O₃；镍基合金质量百分比为40-46％，WC的质量百分比为54％-60％。

优选地，其中所述熔覆辅助剂的质量百分比为3％-3.6％。

根据本发明较佳实施例，所述稀土元素Ce和Y₂O₃为分析纯。

根据本发明较佳实施例，所述镍基合金为含铬、钼、锰、硅、硼、铈和三氧化二钇的镍基合金，该镍基合金成本低、性能好且易得。

根据本发明较佳实施例，表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料的组成为：每100重量份中，各组分重量分布如下：

硅1.8-2.2、硼1.2-1.4、锰0.2-0.5、铬5-7、镍28-30、钼0.4-0.6、铈3.0-3.5和氧化钇0.4-0.6，余量为碳化钨。

其中，表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，其颗粒粒径为小于100目大于270目。

同时，本发明还提供一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料的制备方法，其制备方法为：通过机械混粉方式，将粒度范围一致的耐磨强化相WC与韧性粘结剂镍基合金粉充分混合；所述镍基合金粉为预混了B和Si及稀土元素的合金粉末。

本发明的熔覆金属陶瓷粉料，是以镍基合金为韧性粘结剂和溶剂，以WC为强化相，为满足激光熔覆工艺的需要，再适当比例添加Si和B，以确保激光熔覆的可行性和有效性，最后添加较大比例的稀土元素或稀土氧化物来调节改善熔覆层合金组织结构，使熔覆金属陶瓷粉料获得优越的激光加工性能，并适合在失效的工件表面上实现大面积良好冶金结合的激光熔覆强化加工操作、确保熔覆修复后无裂纹等缺陷。本发明熔覆金属陶瓷粉料的成分，通过合理的设计和优化配比，实现了适当降低合金熔点，减少大面积激光熔覆过程中的开裂倾向，改善激光强化综合性能的技术效果，获得了适于工程应用的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料。

本发明还提供一种表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料的使用方法，用于修复和强化处理耐磨工件表面，所述方法包括：

在经过表面预清理处理的工件表面，根据耐磨需求和工件工作尺寸要求，平铺一定厚度的高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，进行激光熔覆操作，制备表面强化层。

其中，在激光熔覆过程中，对激光器按照设计的激光参数编程扫描，具体工艺参数是：

功率：3000-3800W，预置粉厚度：0.8-1.1mm，光斑直径：4.0-6.0mm，焦距：280-360mm，搭接率：30-40％，扫描速度：360-480mm/min。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，不仅能获得优越的高温耐磨性能，同时又具有良好的激光加工性能，非常适合在型钢轧辊、高温耐磨板等基材上实现大面积激光熔覆表面处理，并可确保无裂纹缺陷的加工操作。熔覆层在具有较高硬度和强度的同时，又降低了合金熔点和开裂倾向，从根本上解决并提高了表面新材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性，进而完美实现了金属陶瓷复合粉料在耐磨工件基材上形成的新的合金覆层的目的。

(2)本发明的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，适用于型钢轧辊各孔型大面积激光强化。通过激光熔覆强化处理，使耐磨层失效的轧辊、推钢耐磨板等工件不仅恢复了使用，而且提高了抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能，有效解决了轧辊的修复难题，翻倍提高了过钢量，减少了轧辊更换次数，为冶金轧钢行业成功修复失效后的各种轧辊，提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法和激光熔覆轧辊、耐磨板等工件专用的耐高温复合金属陶瓷合金粉末材料，应用市场广阔，经济效益和社会效益显著。

本发明的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料，通过激光熔覆技术得到的强化层，其耐蚀性、耐磨性和高温性能较基材可提高2倍以上，适合于轧辊、耐磨板、破碎机锤头等的强韧化处理，从而提高零部件表面耐磨、耐蚀及其他性能。可以应用到各类冶金粗轧辊、中轧辊的表面激光熔覆强化处理，增强工件抗热疲劳的性能和表面硬度，提高轧辊过钢量和使用寿命，降低辊耗率。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例应用于对国内某钢铁公司失效的特钢型钢轧辊进行激光熔覆修复强化处理。本实施例的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料组成如下(以下均为百分质量数)：硅2.0％、硼1.2％、锰0.2％、铬5.5％、镍28.0％、钼0.4％、铈3.0％和氧化钇0.4％,WC余量(59.3％)。

激光熔覆表面修复强化处理条件：

用4千瓦laserline半导体激光器，工艺参数为：

功率：3600W，预置粉厚度：1.0-1.1mm，光斑直径：5.0mm，焦距：320mm，搭接率：35％，扫描速度：360mm/min。

修复结果：上机使用效果良好，表面无裂纹，耐磨耐蚀性能大幅提高，过钢量提高一倍，延长了轧辊更换周期，获得用户的高度赞誉。

实施例2

本实施例应用于对国内某钢铁集团表面工程公司失效的推钢耐磨板进行激光熔覆修复强化处理。本实施例的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料组成如下(以下均为百分质量数)：硅2.2％、硼1.4％、锰0.5％、铬7.0％、镍30.0％、钼0.6％、铈3.3％和氧化钇0.6％,WC余量(54.4％)。

激光熔覆表面修复强化处理条件：

用3千瓦laserline半导体激光器，工艺参数为：

功率：3000W，预置粉厚度：0.80-0.85mm，光斑直径：4.0mm，焦距：280mm，搭接率：30％，扫描速度：400mm/min。

修复结果：恢复使用收效良好，表面无裂纹，耐高温磨损及耐蚀性能大幅提高，使用周期比较强化前大幅提升，延长了更换周期。

实施例3

本实施例应用于对国内某工程公司失效的破碎机锤头进行激光熔覆强化处理。本实施例的表面强化用高耐磨熔覆金属陶瓷粉料组成如下(以下均为百分质量数)：硅2.0％、硼1.3％、锰0.4％、铬6.0％、镍29.5％、钼0.5％、铈3.2％和氧化钇0.5％,WC余量(56.6％)。

激光熔覆表面修复强化处理条件：

用4千瓦laserline半导体激光器，工艺参数为：

功率：3500W，预置粉厚度：0.9-1.0mm，光斑直径：5.0mm，焦距：360mm，搭接率：40％，扫描速度：420mm/min。

修复结果：恢复使用收效良好，表面无裂纹，耐高温磨损及耐蚀性能大幅提高，使用周期比较强化前大幅提升，延长了更换周期。