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CN107475632B - 一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其制备方法，属于冶金技术领域。该涂层采用激光熔覆快速凝固方法制备，主要化学成分重量百分含量为：0.9～1.3C、7～14W、6～9Mo、1.0～2.0V、3.5～5.0Cr、0.5～5.0Co、Si<0.5、Mn<1.0、S<0.04、P<0.04，余量为Fe。激光熔覆后涂层可直接在470～560℃进行回火处理即能显著提高其硬度。与相同条件制备的钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢相比，高钨钼含量使其回火组织中硬质碳化物含量增多，回火硬度和耐磨损性能均明显提高，因而可适用于对高硬度、高耐磨有较高要求的热轧辊、刃具和模具表面激光熔覆高耐磨涂层制造。

Description

一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其激光熔覆制备方法。
背景技术
高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等多种强碳化物形成元素的高合金钢，经过适当的热处理后，具有优异的红硬性、热稳定性、耐氧化和耐热磨损性能，广泛应用于磨具、刀具、刃具、热轧辊以及该类材料的表面涂层制造领域。高速钢的耐磨性主要取决于其组织中的碳化物类型与含量，硬质碳化物含量越多、尺寸越细、分布越均匀，其耐磨性越好。
高速钢根据合金元素添加种类分类，典型成分为钨系W18Cr4V和钨钼系W6Mo5Cr4V2、W9Cr4Mo3V等。其中，采用Mo取代W，钨钼系高速钢不仅硬度相近，且降低了粗大碳化钨的析出生长，具有更高的韧性和热塑性。为了提高高速钢的红硬性和高温耐磨性，也有研究开发了含钴高速钢W18Cr4VCo5、W6Mo5Cr4V2Co5并获得良好的生产应用。此外，高速钢应用于轧辊材料，成分倾向于设计成高碳高合金元素以保证碳化物含量和耐磨性。例如：中国专利CN105750529A采用离心浇铸造法提出了一种高钨高耐磨高速钢轧辊，化学组成质量分数为2.2～2.5％C、6.5～6.8％W、8.6～9.0％Cr、4.2～4.5％V、2.5～2.8％Mo、&lt;0.45％Mn、&lt;0.76％Si、&lt;0.04％P、&lt;0.04％S。中国专利CN105779861A和CN105618715A则分别提出了一种耐磨高钒氮高速钢轧辊和一种添加Nb的高速钢轧辊，可见，添加强碳化物形成元素是提高高速钢耐磨性的一种有效方法。
但是，一般认为高速钢成分中强碳化物形成元素的添加含量过高，制造过程无论是采用熔炼、浇筑，还是铸-锻工艺均难以克服其内部粗大一次碳化物形成、严重成分偏析和组织恶化等冶金缺陷，造成材料的韧性恶化，裂纹易沿碳化物基体界面形成，开裂。最近，有报道采用喷射沉积、激光熔覆等快速凝固技术制造高速钢涂层，研究发现该类方法制备的涂层具有凝固组织细小的特征。但是，该类技术目前在成分和热处理技术上仍主要沿用传统的块体高速钢成分和高温淬火加回火处理工艺，由于快速凝固抑制了碳化物的析出和生长，该类方法制备的涂层中一般发现硬质相含量明显少于相同成分的块体高速钢，而采用高温淬火加回火处理工艺又易造成涂层凝固组织长大和材料的大量氧化损耗。可见，针对快速凝固制备高硬度高耐磨高速钢材料及涂层，生产上亟待提出针对性的成分设计与制备工艺方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是：结合激光快速凝固制备高合金材料的动力学凝固条件，提出一种可同时添加较高含量强碳化物形成元素(Mo、W)的高速钢成分及其激光熔覆制备方法，以期所制备的涂层硬度明显高于相同条件下制备的典型成分钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢，适用于对高硬度、高温耐磨有较高要求的热轧辊、刃具和模具表面激光熔覆高耐磨涂层制造。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层，所述耐磨高速钢涂层主要化学成分及其重量百分含量为：0.9～1.3％C、7～14％W、6-9％Mo、1.0-2.0％V、3.5-5.0％Cr、0.5-5.0％Co、Si&lt;0.5％、Mn&lt;1.0％、S&lt;0.04％、P&lt;0.04％，余量为Fe。
本发明同时提供了上述高钨钼含量的耐磨高速钢涂层的制备方法，该涂层采用激光熔覆快速凝固方法制备，制备后涂层不需经过高温淬火处理，可直接在470～560℃之间进行2～3次回火处理即能显著提高其时效硬度。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、激光熔覆等快速凝固技术制备高速钢涂层可起到细化组织的作用，但快速凝固同时会抑制并减少涂层中硬质碳化物相的析出含量。因此，本发明结合激光熔覆有利于提高合金元素固溶度的动力学凝固条件，针对性提出的一种适用于快速凝固制备技术的高钨钼含量耐磨高速钢成分。
与相同激光工艺下制备的钨钼系高速钢典型成分W6Mo5Cr4V2相比，同时添加较高含量W、Mo强碳化物形成元素可明显提高激光熔覆高速钢涂层中硬质碳化物相的析出含量，从而提高其时效后等硬度和耐磨性能。
与常规熔炼技术制备高速钢相比，激光熔覆抑制了碳化物的凝固析出和快速生长，本发明提出的高钨钼含量高速钢涂层凝固组织中未见粗大一次碳化物形成和严重的成分偏析，解决了高W、Mo含量高速钢采用常规熔炼制备技术易出现的组织恶化等冶金缺陷问题。
2、本发明提出的一种高钨钼含量耐磨高速钢成分及其激光熔覆制备方法，研究发现涂层激光快速凝固后不需要高温固溶处理，可直接在470～560℃之间进行2～3次回火处理。该方法即可避免高温淬火加热过程中晶粒的快速长大，保留激光快速凝固组织细小的特征，也可避免涂层材料的高温氧化烧损和节约能源。而且，涂层直接回火后仍可促进碳化物的析出，促进凝固组织中残余奥氏体向马氏体的完全转变，显著提高硬度。
附图说明
图1为本发明实施例1中激光熔覆M2和No.1两成分涂层530℃三次回火前后的X射线衍射谱对比图。
图2为本发明实施例1中激光熔覆M2成分涂层530℃三次回火后组织的扫描电镜图。
图3为本发明实施例1中激光熔覆No.1成分涂层530℃三次回火后组织的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提出的一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层及其制备方法。激光熔覆之前需按照设计成分配置并制备原料及粉末，其粉末原料制备方法可以利用水雾化、气雾化或者机械球磨合金化法等，这些粉末制备方法及技术均为专业人员所熟悉，于此不再一一赘述。以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
表1成分列表中M2牌号是钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢典型成分，编号No.1～No.5为本实施例采用激光熔覆技术制备的高钨钼含量耐磨高速钢的五组成分。试样制备过程：首先，选取纯度≥99.5％的Fe、Mo、W、Cr、V、Co合金粉末按照重量百分比配置，配置好上述合金元素后根据配置总重量进一步添加C、Si、Mn等元素，其中S、P元素含量均&lt;0.04％；随后将配置好的合金粉末置于球磨机中混合30分钟；然后，利用CO2横流激光器以同步式送粉方式等常规激光熔覆方法将已混合均匀的多组元高速钢粉末熔覆到45号钢基底金属表面；再然后，将激光熔覆后的涂层置于热处理炉内于440～560℃温度区间进行2～3次回火处理，每次回火处理各保温1小时。
图1为本发明实施例中激光熔覆M2和No.1两成分高速钢涂层530℃三次回火前后的X射线衍射谱对比，可以看出试样凝固后主要相结构为马氏体、残余奥氏体和少量碳化物，回火后残余奥氏体消失。同时，可见No.1成分高速钢中碳化物的衍射峰强度略高于M2牌号W6Mo5Cr4V2成分高速钢。表明由于激光快速凝固抑制了碳化物硬质相的形核和生长，增加高速钢中强碳化物形成元素W、Mo含量是增加碳化物含量和耐磨性的有效办法。图2和图3依次为激光熔覆W6Mo5Cr4V2成分高速钢和编号No.1试样530℃三次回火后扫描电镜组织，可以看出两试样基体组织均为回火马氏体，在晶界处弥散分布碳化物硬质相。同时，编号No.1试样中碳化物仍然保持了细小弥散的分布特征，且硬质碳化物相含量明显高于M2牌号W6Mo5Cr4V2成分高速钢。
硬度检测结果表明具体实施例中所述成分在440～560℃温度区间进行2～3次回火处理后均具有明显的时效硬化性能。其中，表1给出了各成分试样激光凝固后的硬度，以及在440～560℃温度区间进行2～3次回火处理后最大回火硬度。可以看出，No.1～5号高钨钼成分高速钢涂层最大回火硬度均高于M2牌号W6Mo5Cr4V2高速钢的回火硬度。磨损性能测试结果也显示激光熔覆No.1～5号高钨钼含量高速钢涂层的抗磨损性能高于相同工艺下制备的W6Mo5Cr4V2高速钢涂层。
表1具体实施例所述成分、凝固硬度和最大回火硬度
牌号 Mo W Cr V Co C Si Mn Fe 凝固硬度 回火硬度
M2 5 6 4.2 2.0 -- 0.95 0.2 0.3 base 645 813
No.1 7.67 14 4.2 2.0 4.81 0.95 0.2 0.3 base 692 875
No.2 9 7 3.5 1.92 5.0 0.90 0.2 0.3 base 654 844
No.3 9 7 3.5 1.92 5.0 1.1 0.2 0.3 base 662 861
No.4 9 7 5.0 1.92 5.0 1.3 0.2 0.3 base 668 884
No.5 6 12 4.2 1.0 0.5 1.1 0.5 1.0 base 680 846

Claims (1)

1.一种高钨钼含量的耐磨高速钢涂层，其特征在于：该涂层采用激光熔覆快速凝固方法制备，制备后涂层不需经过高温淬火处理，可直接在470～560℃进行回火处理；所述耐磨高速钢涂层化学成分及其重量百分含量如下：
余量为Fe。
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