一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，钢基体表面相间镶嵌着碳化物合金棒，且呈阵列形式规则排布，所述碳化物合金棒为Co基碳化物合金棒、Ni基碳化物合金棒或碳化物

【技术实现步骤摘要】
一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于钢基表面复合材料
，涉及一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]单一钢铁材料的表面性能逐渐不能满足冶金、电力、能源等行业中耐磨、耐热、耐腐蚀、抗热疲劳等特殊工况要求，对其进行表面改性是目前材料研究的热点。
[0003]与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积等方法相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，是应用最广泛的钢铁材料表面改性方法之一。但激光熔覆很难形成与基体连续的界面，多数呈现开裂状态，添加自熔性合金粉末后能获得较好的熔覆层结合界面。自熔性合金粉末中以Co基、Ni基粉末自熔性较佳(具有良好的固态流动性)、润湿性良好可以获得较好的熔覆层界面：例如选择合金元素为Cr、Fe、Mo、W、B、Si和C的Ni基自熔性合金粉末在Y4模具钢基体上激光熔覆时，其性能通过固溶强化得到提高；又例如将Co
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WC自熔性合金粉末表面熔覆在弹簧钢和45钢表面，通过改变WC和Al2O3等成分，得到维氏硬度值为1300～1400的硬质合金熔覆层。
[0004]但在激光熔覆时，由于基体与熔覆层热性能的差异会使部分熔覆层出现较大残余应力而形成微裂纹，并且单层熔覆时，其厚度有限，因而对硬度和耐磨性的提高有限，搭接或多层熔覆虽可满足所需厚度，但熔覆层之间形成的杂质层使材料稳定性下降，并且随着熔覆层厚度的增加和面积的增大，钢基体与熔覆层之间易出现应力集中区，严重时会导致开裂，甚至剥落。而且激光熔覆材料，特别是Co基合金价格昂贵，作涂层成本太高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是提供一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，利用碳化物合金棒与钢基体之间的咬合结构改善其界面结合状态，避免开裂和剥落，利用钢基表面阵列结构的碳化物合金棒提高了复合材料的强韧性。
[0006]本专利技术的另一个目的是提供一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料的制备方法。
[0007]本专利技术所采用的第一技术方案是，一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，钢基体表面相间镶嵌着碳化物合金棒，且呈阵列形式规则排布，所述碳化物合金棒为Co基碳化物合金棒、Ni基碳化物合金棒或碳化物
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金属复合合金棒，与钢基体呈冶金结合。
[0008]碳化物合金棒是由自熔性合金粉末或金属+陶瓷混合粉末经激光熔覆烧结后的产物，自熔性合金粉末为Co基、Ni基自熔性合金粉末，金属+陶瓷混合粉末为Co基、Ni基自熔性合金粉末与碳化物陶瓷颗粒的混合粉末。
[0009]碳化物合金棒的直径为0.3～2.2mm，高度为0.3～3mm，钢基体表面相邻碳化物合金棒的间距为0.5～4.1mm。
[0010]本专利技术所采用的第二技术方案是，一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料的制
备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，准备钢基体和碳化物合金粉末，碳化物合金粉末用于形成碳化物合金棒，碳化物合金粉末为自熔性合金粉末或金属+陶瓷混合粉末；
[0012]步骤2，对准备的钢基体进行表面处理，包括去油和除锈处理；
[0013]步骤3，利用脉冲激光在钢基体表面预制阵列分布的小孔；
[0014]步骤4，对表面带有阵列分布小孔的钢基体进行200～300℃的预热处理，然后进行激光熔覆，碳化物合金粉末在保护气气流作用下通过送粉管道到达送粉喷嘴，经喷嘴送入钢基体表面的孔内进行激光熔覆烧结，即制备出阵列分布碳化物合金棒增强钢基表面复合材料预制体；
[0015]步骤5，将阵列分布碳化物合金棒增强钢基表面复合材料预制体放入石灰中缓冷1.5～2h，即得到碳化物合金棒增强钢基表面复合材料。
[0016]Co基自熔性合金粉末为Co42A或Co50粉末，Ni基自熔性合金粉末为Ni20、Ni60或NiWC25粉末，上述自熔性合金粉末与碳化物陶瓷颗粒的混合粉末中碳化物陶瓷颗粒的质量百分比为20％～85％。
[0017]步骤2中，去油采用碱性清洗剂，由纯苛性碱和水混合形成。
[0018]步骤3中，根据复合材料表面碳化物合金棒特征参数确定打孔位置和孔的尺寸，再利用脉冲激光在钢基体表面指定位置辐照，辐照部位迅速升至汽化温度，蒸发形成小孔，脉冲激光由光纤激光器发出，光纤激光器的最大输出功率为1kW，激光脉宽为0.1～20ms，脉冲激光打孔过程在配备有除尘设备的密闭空间中进行。
[0019]步骤3中，在钢基体表面预制阵列分布的小孔，小孔的直径为0.2～2mm，相邻小孔的间距为0.5～4.1mm，小孔深度为0.2～2.9mm。
[0020]步骤4中，激光熔覆烧结的激光功率为1.5～6kW，离焦量为30～40mm，送粉速率为6～10g/min。
[0021]本专利技术的有益效果是，
[0022](1)利用激光光源的高能量在材料表面打孔，再以其高能光束熔化填入小孔的增强相材料，再利用增强相与基体之间的大面积(相较于覆层形式界面面积提高了数倍甚至数十倍)冶金界面和良好韧性的大面积连续基体的损伤容限能力，强韧度均可得到保证；
[0023](2)碳化物合金棒与钢基体宏观上相互咬合，微观上实现冶金结合，可有效避免连续熔覆层存在的表面开裂和剥落；
[0024](3)钢基体表面阵列状的碳化物合金棒，使其表面具有大面积的连续韧性钢基体，具有更好的强韧性配合；碳化物合金棒中碳化物的体积分数可明显提高，进一步地提高钢基体的表面硬度和耐磨特性，这种结构还可以减少熔覆材料的使用，降低制造成本。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0026]实施例1
[0027]制备一种Co基碳化物合金棒增强Q235钢基表面复合材料，包括以下步骤：
[0028]步骤1，准备钢基体和碳化物合金粉末
[0029]Q235钢作为基体，Co42A自熔性合金粉末作碳化物合金粉末，Co42A粉末的粒度为
200目；
[0030]步骤2，对准备的钢基体进行表面处理，采用NaOH溶液作为碱性清洗剂清洗去油，然后打磨除锈；
[0031]步骤3，利用脉冲激光在钢基体表面预制阵列分布的小孔，根据复合材料表面碳化物合金棒特征参数确定打孔位置和孔的尺寸，孔的直径为0.2mm，相邻孔的间距为0.5mm，孔深为2.9mm，利用脉冲激光在钢基体表面指定位置辐照，辐照部位迅速升至汽化温度，蒸发形成小孔，脉冲激光由光纤激光器发出，光纤激光器的最大输出功率为1kW，激光脉宽为0.1ms，脉冲激光打孔过程在配备有除尘设备的密闭空间中进行。
[0032]步骤4，对表面带有阵列分布小孔的钢基体进行200℃的预热处理，然后进行激光熔覆，碳化物合金粉末在保护气气流作用下通过送粉管道到达送粉喷嘴，经喷嘴送入钢基体表面的孔内进行激光熔覆烧结，即制备出阵列分布Co基碳化物合金棒增强钢基表面复合材料预制体；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，其特征在于，钢基体表面相间镶嵌着碳化物合金棒，且呈阵列形式规则排布，所述碳化物合金棒为Co基碳化物合金棒、Ni基碳化物合金棒或碳化物
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金属复合合金棒，与钢基体呈冶金结合。2.根据权利要求1所述的一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，其特征在于，所述碳化物合金棒是由自熔性合金粉末或金属+陶瓷混合粉末经激光熔覆烧结后的产物，自熔性合金粉末为Co基、Ni基自熔性合金粉末，或上述合金粉末与碳化物陶瓷颗粒的混合粉末。3.根据权利要求1所述的一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料，其特征在于，所述碳化物合金棒的直径为0.3～2.2mm，高度为0.3～3mm，钢基体表面相邻碳化物合金棒的间距为0.5～4.1mm。4.一种碳化物合金棒增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，准备钢基体和碳化物合金粉末，碳化物合金粉末用于形成碳化物合金棒，碳化物合金粉末为自熔性合金粉末或金属+陶瓷混合粉末，自熔性合金粉末为Co基、Ni基自熔性合金粉末，或Co基、Ni基自熔性合金粉末与碳化物陶瓷颗粒的混合粉末，金属+陶瓷混合粉末由纯金属或合金粉末与碳化物陶瓷颗粒混合形成；步骤2，对准备的钢基体进行表面处理，包括去油和除锈处理；步骤3，利用脉冲激光在钢基体表面预制阵列分布的小孔；步骤4，对表面带有阵列分布小孔的钢基体进行200～300℃的预热处理，然后进行激光熔覆，碳化物合金粉末在保护气气流作用下通过送粉管道到达送粉喷嘴，经喷嘴送入钢基体表面的孔内进行激光熔覆烧结，即制备出阵列分布碳化物合金棒增强钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟黎声，邓超，吴微，王献辉，刘宇，杜文军，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：