專利名稱：一種超高碳Cr－Ni－C高溫耐磨合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有色金屬合金材料，更特別的是指一種高溫耐磨的超高碳Cr-Ni-C合金材料及其制備高溫耐磨涂層與鑄造零件的方法。
采用表面工程等手段，在高強(qiáng)韌性金屬高溫耐磨運(yùn)動副零部件表面制備一層高溫耐磨涂層材料，是解決和提高高溫摩擦磨損運(yùn)動副零部件高溫耐磨性能的最有效和和經(jīng)濟(jì)措施之一。在高溫耐磨涂層材料體系方面，Ni-Cr-B-Si-C、Fe-Cr-Si-B、Fe-Cr-Si-B-C等低熔點(diǎn)自熔合金體系，由于高溫硬度低、抗氧化性能差、熔點(diǎn)低，難以用作高溫耐磨涂層使用；Co-WC、NiCr-Cr2C3、CoCr-Cr3C2等碳化物增強(qiáng)等離子噴涂金屬陶瓷涂層材料體系，存在涂層抗氧化性能差、脆性大、涂層不致密、涂層與零件基材界面結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)并將影響涂層的高溫摩擦學(xué)性能；氧化鋁、氧化鋯陶瓷材料高溫耐磨涂層，高溫耐磨性及高溫抗氧化性能優(yōu)異，但其對金屬的摩擦學(xué)相容性差，涂層只能采用等離子噴涂等熱噴涂方法制備，涂層組織不致密，涂層脆性很大，通常作為高溫耐磨運(yùn)動副使用會受到很大限制。在涂層制備技術(shù)方面火焰噴涂、高速火焰噴涂、常壓等離子噴涂、低壓等離子噴涂、電弧噴涂等熱噴涂方法制備的涂層，組織存在疏松及孔隙，特別是涂層與金屬零件之間界面結(jié)合為機(jī)械結(jié)合，界面接合強(qiáng)度低，涂層在高溫摩擦磨損及熱循環(huán)過程中易開裂與剝落；激光熔覆涂層存在組織完全致密均勻、涂層與金屬零件之間為完全冶金結(jié)合等特點(diǎn)，但目前尚無適合激光熔覆的高溫耐磨材料體系。
本發(fā)明提供了一種既可廣泛應(yīng)作電力、能源、石油、化工、有色金屬冶金、鋼鐵冶金等工業(yè)中大量高溫摩擦磨損機(jī)械運(yùn)動副零部件表面高溫耐磨涂層、也可以用于上述零件整體鑄造成形的超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是，針對上述高溫耐磨摩擦磨損運(yùn)動副零部件對零件材料及高溫耐磨涂層材料的性能要求，研究出了一種具有優(yōu)異耐磨性能(包括優(yōu)異的常溫及高溫磨料磨損、粘著磨損、沖刷磨損、腐蝕磨損性能等)、優(yōu)良耐高溫抗氧化性能及低摩擦系數(shù)等性能配合的超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨新材料及其制備高溫耐磨涂層與高溫耐磨零件的方法，本發(fā)明廣泛適用于制造各種高溫摩擦磨損運(yùn)動副零部件的高溫耐磨涂層或上述零件的整體鑄造成形。
所述制作的合金材料，其化學(xué)成分為Cr(wt％)為69～73、Ni(wt％)為15～18、C(wt％)為10.5～11.5。
所述制作的合金材料，其化學(xué)成分為Cr(wt％)為65～69、Ni(wt％)為19～29、C(wt％)為8.5～9.5。
所述制作的合金材料，其化學(xué)成分為Cr(wt％)為57～63、Ni(wt％)為28～32、C(wt％)為7.5～8.5。
所述制作的合金材料，其化學(xué)成分為Cr(wt％)為50～56、Ni(wt％)為37～43、C(wt％)為6.5～7.5。
所述制作的合金材料，其化學(xué)成分為Cr(wt％)為43～51、Ni(wt％)為46～50、C(wt％)為4.0～5.5。
所述的合金材料，可加入總量為2～8％的Mo、W、Nb、Ti合金元素進(jìn)行合金化，提高合金的高溫強(qiáng)度及高溫耐磨性能。
所述的合金材料，可加入0.5～2％的Al來提高耐蝕性和抗氧化性能。
所述的合金材料，可采用氬氣霧化、離心霧化制成合金粉末，利用激光熔敷、等離子噴涂、電弧噴涂及火焰噴涂的方法在金屬機(jī)械零件表面上制成高溫高耐磨涂層，還可以采用Cr、Ni、C三種元素粉末之混合料，采用激光熔敷技術(shù)在大氣、或惰性保護(hù)氣氛條件下在金屬機(jī)械零件表面上熔覆高溫高耐磨涂層。
所述的合金材料，也可通過普通大氣及真空感應(yīng)合金熔煉、大氣及真空電弧熔煉方法熔煉，采用砂型鑄造及熔模鑄造成型鑄造工藝，整體鑄造成形為各種高溫耐磨機(jī)械零部件。
本發(fā)明的合金材料，其材料硬度為700～1300HV，室溫滑動磨損奧氏體不銹鋼1Cr19Ni9Ti的15～50倍；耐磨使用溫度可達(dá)850℃。
本發(fā)明涉及的超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料，其主要組成元素是Cr、Ni、C三個元素，其主要組織組成相是Cr7C3金屬碳化物、NiCr鎳基固溶體。由于集中了Cr7C3金屬碳化物的高硬度、優(yōu)異的耐磨性能(包括磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損及腐蝕磨損)及優(yōu)異的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明涉及的超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料同時具有優(yōu)異的耐磨性能(滑動磨損、磨料磨損、粘著磨損、沖蝕與沖刷磨損等)及良好的熱腐蝕與高溫耐氧化性能，適于高溫摩擦磨損運(yùn)動副零部件的高溫耐磨涂層或整體鑄造成形。
圖3是激光熔覆HW-1合金涂層顯微組織光學(xué)金相照片，X500。
圖4是激光熔覆合金涂層顯微硬度分布圖。
本發(fā)明的一種超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料，該合金材料主要由Cr、Ni、C三種金屬元素組成，其化學(xué)成分為，Cr(wt％)為47～73、Ni(wt％)為16～48、C(wt％)為4.0～12，其主要組織組成相是金屬碳化物Cr7C3及被Cr、C元素高度過飽和的鎳基固溶體。
本發(fā)明的合金材料由于集中了Cr7C3金屬碳化物的高硬度、優(yōu)異的耐磨性能(包括磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損及腐蝕磨損)及優(yōu)異的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明涉及的超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料同時具有優(yōu)異的耐磨性能(滑動磨損、磨料磨損、粘著磨損、沖蝕與沖刷磨損等)及良好的熱腐蝕與高溫耐氧化性能，適于高溫摩擦磨損運(yùn)動副零部件高溫耐磨涂層的制備或上述高溫耐磨零部件的整體鑄造成形。
選取列于表1中的五個優(yōu)化設(shè)計(jì)的典型超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金作為實(shí)施例試驗(yàn)合金，采用預(yù)制合金粉末及同步送粉激光熔覆技術(shù)在0.20％C低碳鋼、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、GH4169鎳基高溫合金等結(jié)構(gòu)材料表面上制備高溫耐磨涂層。
表1超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金合金化學(xué)成分(wt％)

1、激光熔覆涂層制備選用粒度為60～320目的上述合金粉末，在TJ-5000型5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工與表面改性成套設(shè)備上、采用預(yù)置粉末及同步送粉法、利用激光熔覆技術(shù)在0.20％C低碳鋼、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、GH4169鎳基高溫合金等結(jié)構(gòu)材料表面上，制備超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層，激光熔覆工藝條件為激光輸出功率2.5～3.9kW、光斑尺寸約1×18mm、光束掃描速度為60～150mm/min。激光熔覆涂層組織致密均勻、無裂紋、無氣孔、同零件基材之間為完全冶金熔合結(jié)合，涂層組織主要由塊狀初生碳化物Cr7C3及初生相之間Cr7C3/γ共晶組織組成，涂層硬度分布均勻，平均涂層硬度HV700～HV1300，涂層厚度根據(jù)需要可在0.3～3mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
2、顯微組織分析用Dmax-RB12kW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀對耐磨復(fù)合材料涂層進(jìn)行物相組成分析，分別用Nephot光學(xué)金相顯微鏡及S-530掃描電子顯微鏡上進(jìn)行涂層組織分析及磨損表面形貌觀察。在MH-6半自動顯微硬度計(jì)測量涂層平均硬度及硬度分布，各超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金激光熔覆涂層的硬度測試結(jié)果見圖4。
3、室溫干滑動磨損實(shí)驗(yàn)在MM-200型磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干滑動磨損實(shí)驗(yàn)，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨涂層(試塊尺寸為10mm×10mm×10mm)與45#鋼(淬火-低溫回火處理，硬度HRC53±3)對磨試環(huán)進(jìn)行摩擦，導(dǎo)致試樣表面發(fā)生磨損，磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。以A3鋼作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用稱重法測量標(biāo)準(zhǔn)試樣及磨損試樣的磨損失重，磨損前后均用酒精擦洗試樣，用感量為10-4克的電子分析天平稱取試樣磨損失重(所有結(jié)果均為三塊相同試樣的平均值)，用相對耐磨性εW即標(biāo)樣失重與試樣失重之比作為衡量試樣耐磨性高低的標(biāo)準(zhǔn)，εW越大，表示材料耐磨性越好，各超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金激光熔覆涂層的耐磨性試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表2滑動磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)載荷 磨損時間試環(huán)旋轉(zhuǎn)速度(rpm)(kg) (min)15.0 400604、激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層顯微組織X射線衍射分析結(jié)果表明，全部激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層均由Cr7C3碳化物及鎳基固溶體組成(如圖2所示)，其組織由塊狀Cr7C3碳化物初生相和初生相間少量Cr7C3/γ共晶組織組成，如圖3所示。
5、激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層顯微硬度及耐磨性由圖4可見，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層硬度分布均勻，涂層硬度很高，平均硬度達(dá)到HV700～HV1300以上。由表3可見，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層具有很好的耐磨性，且磨損表面分析表明，涂層在同45鋼摩擦磨損過程中幾乎不發(fā)生粘著磨損。
表3激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金涂層室溫干滑動磨損試驗(yàn)結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料，其特征在于該合金材料主要由Cr、Ni、C三種金屬元素組成，其Cr(wt％)為47～73、Ni(wt％)為16～48、C(wt％)為4.0～12，其主要組織組成相是金屬碳化物Cr7C3及被Cr、C元素過飽和的鎳基固溶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作的合金材料，其特征在于合金材料化學(xué)成分為Cr(wt％)為69～73、Ni(wt％)為15～18、C(wt％)為10.5～11.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作的合金材料，其特征在于合金材料化學(xué)成分為Cr(wt％)為65～69、Ni(wt％)為19～29、C(wt％)為8.5～9.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作的合金材料，其特征在于合金材料化學(xué)成分為Cr(wt％)為57～63、Ni(wt％)為28～32、C(wt％)為7.5～8.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作的合金材料，其特征在于合金材料化學(xué)成分為Cr(wt％)為50～56、Ni(wt％)為37～43、C(wt％)為6.5～7.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作的合金材料，其特征在于合金材料化學(xué)成分為Cr(wt％)為43～51、Ni(wt％)為46～50、C(wt％)為4.0～5.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的合金材料，其特征在于可加入總量為2～8％的Mo、W、Nb、Ti合金元素進(jìn)行合金化，提高合金的高溫強(qiáng)度及高溫耐磨性能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的合金材料，其特征在于可加入0.5～2％的Al來提高耐蝕性和抗氧化性能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的合金材料，其特征在于該合金材料可采用氬氣霧化、離心霧化制成合金粉末，利用激光熔敷、等離子噴涂、電弧噴涂及火焰噴涂的方法在金屬機(jī)械零件表面上制成高溫高耐磨涂層，還可以采用Cr、Ni、C三種元素粉末之混合料，采用激光熔敷技術(shù)在大氣、或惰性保護(hù)氣氛條件下在金屬機(jī)械零件表面上熔覆高溫高耐磨涂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、6所述的合金材料，其特征在于該合金材料也可通過普通大氣及真空感應(yīng)合金熔煉、大氣及真空電弧熔煉方法熔煉，采用砂型鑄造及熔模鑄造成型鑄造工藝，整體鑄造成形為各種高溫耐磨機(jī)械零部件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高碳Cr－Ni－C高溫耐磨合金材料，該合金材料主要由Cr、Ni、C三種金屬元素組成，其化學(xué)成分為，Cr(wt％)為47～73、Ni(wt％)為16～48、C(wt％)為4.0～12，其主要組織組成相是金屬碳化物Cr
文檔編號C22C29/06GK1418975SQ0215564
公開日2003年5月21日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者王華明, 張強(qiáng), 張凌云, 席文君, 張長利, 呂旭東, 蔡良續(xù), 湯海波 申請人:北京航空航天大學(xué)