提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法及铸铁材料与流程

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，具体而言，涉及提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法及铸铁材料。


背景技术：

2.铸铁材料具有熔点低、流动性好等特点，这使得其铸造性能优良；此外，由于铸铁切削加工性能良好且价格相对便宜，在管道、泵壳、法兰、容器、填料箱体及压盖等机械装备中有着广泛的应用。然而，铸铁耐蚀性能、耐磨性能不好，在耐蚀及耐磨性要求较高的服役环境中使用时容易发生损伤甚至失效，所以需要对铸铁试件进行表面改性，以提升其耐蚀和耐磨性能。
3.激光熔覆沉积技术作为当前先进的表面改性技术之一，它利用高能量密度的激光束熔化沉积材料，实现熔覆层和基体的冶金结合，可以在基体表面制备一种组织和性能完全不同于基体的涂层，从而改善构件的性能，提升其服役寿命。然而，铸铁中由于碳含量较高，且还含有较多的硅、锰、磷、硫等杂质元素，直接用激光熔覆在其表面制备耐蚀及耐磨的涂层时，涂层内部易生成大量的裂纹、气孔等缺陷。
4.常规激光熔覆具有光斑直径大、熔覆速率慢的特点，这使得基体易发生大面积熔化。此外，大量的碳、硅、锰、磷、硫等基体元素进入熔覆层内，熔覆层内会有较多脆性相的形成，更易导致气孔及裂纹的缺陷生成，极大降低涂层的性能，严重的裂纹生成甚至直接导致熔覆层的剥离。
5.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法及铸铁材料，旨在有效抑制熔覆层中裂纹的形成。
7.本发明是这样实现的：
8.第一方面，本发明提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，包括：采用激光熔覆的方法，在铸铁的基体表面依次形成过渡层和耐磨层；其中，所述过渡层所采用的激光熔覆粉末选自镍粉末和铜粉末中至少一种，耐磨层所采用激光熔覆粉末为铁基合金粉末。
9.第二方面，本发明提供一种铸铁材料，包括铸铁基体和位于铸铁基体上的强化涂层，强化涂层包括过渡层和耐磨层，强化涂层通过前述实施方式中的方法制备形成。
10.本发明具有以下有益效果：通过在铸铁表面通过激光熔覆的方法形成过渡层和耐磨层，通过对过渡层和耐磨层的激光熔覆粉末进行优化，能够使过渡层金属和铸铁基体和耐磨层均有较大的固溶度，可以最大限度的降低熔覆金属中脆性相的生成，能够严格控制熔覆层内气孔和裂纹的生成，提升铸铁构件的服役性能。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
12.图1为在ht250铸铁表面高速激光熔覆纯镍过渡层之后的实物图；
13.图2为在ht250铸铁表面纯镍过渡层之上熔覆耐磨层之后的实物图；
14.图3为ht250铸铁表面熔覆纯镍过渡层 耐磨层后的截面组织图；
15.图4为在ht250铸铁表面高速激光熔覆纯铜过渡层之后的实物图；
16.图5为在ht250铸铁表面纯铜过渡层之上熔覆耐磨层之后的实物图；
17.图6为ht250铸铁表面熔覆纯铜过渡层 耐磨层后的截面组织图；
18.图7为ht250铸铁构件表面高速激光熔覆纯镍过渡层 耐磨层的过程图及实物图；
19.图8为对比例1中的方法熔覆后的试样进行裂纹显像处理的测试结果图；
20.图9为对比例2中的方法熔覆后的试样截面金相图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
22.针对现有技术中常规激光熔覆的方法存在的易产生气孔和裂纹的问题，发明人改进了ht250铸铁表面激光熔覆的方法，通过在铸铁的基体表面依次形成过渡层和耐磨层，并对过渡层和耐磨层所采用的激光熔覆粉末进行了优化，使过渡层与铸铁基体材料以及耐磨层完全固溶或较大程度的固溶，可以最大程度上降低熔覆金属中脆性相的生成，最终完全抑制裂纹的形成。通过熔覆过程能量的调控，极大降低涂层内部气孔的生成，最终在ht250铸铁表面制备质量较高的耐蚀耐磨层，且耐蚀耐磨层和基体结合较好，极大的提升了ht250铸铁试件服役过程中的耐蚀和耐磨性能。
23.本发明实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，具体包括如下步骤：
24.s1、前处理
25.前处理主要是对激光熔覆粉末和基体本身进行处理，以提升涂层与基体的结合强度，是一个前期准备的工作，可以根据需要进行。若激光熔覆粉末本身就较为干燥且铸铁基体本身洁净，则可以不进行前处理步骤。
26.在进行激光熔覆之前，对过渡层和耐磨层所采用的激光熔覆粉末进行烘干；烘干温度为100-120℃(如100℃、110℃、120℃等)，保温时间为300-360min(如300min、310min、320min、330min、340min、350min、360min等)。
27.在进行激光熔覆之前，对ht250铸铁进行打磨以去除表面氧化膜，再进行清洗、干燥。打磨的方式不限，可以采用砂轮机进行打磨，以充分去除ht250铸铁表面的氧化膜。
28.在一些实施例中，采用有机溶剂进行清洗，清洗可以分多次进行，可以依次采用丙酮和酒精进行清洗，以提升清洗的效果。
29.s2、过渡层形成
30.过渡层所采用的激光熔覆粉末选自镍粉末和铜粉末中的至少一种，优选为纯镍粉末或纯铜粉末，粒径为20-50μm。
31.需要说明的是，ht250铸铁、过渡层激光熔覆粉末、耐磨层激光熔覆粉末是一个有机整体，在本发明实施例所限定的原料范围内，能够使过渡层和铸铁基体与耐磨层具有较大的固溶度，再通过高速熔覆工艺参数的改进，能够严格控制熔覆层内气孔和裂纹的生成，提升铸铁构件的服役性能。
32.采用高速激光熔覆的方法形成过渡层和耐磨层，控制激光束能量均匀分布，焦点处光斑直径为0.8-5mm；搭接量为熔覆层宽度的0.4-0.6倍。在通过激光熔覆的方法形成过渡层和耐磨层的过程中，激光扫描速率、光斑直径、搭接量均控制在上述范围内。其中，搭接量是一个激光熔覆过程的常规参数，表示两条光束之间所形成的搭接程度。
33.在一些实施例中，过渡层的厚度为0.3-0.8mm，过渡层不宜过厚也不宜过薄，超出上述范围则会影响涂层的性能，若过渡层过薄不能达到抑制裂纹产生的效果；若过渡层过厚则会影响涂层的耐蚀、耐磨性能。
34.在一些实施例中，在形成过渡层的过程中，控制激光功率为1.5-3kw(如1.5kw、2.0kw、2.5kw、3.0kw等)，激光扫描速度为30-50m/min(如30m/min、35m/min、40m/min、45m/min、50m/min等)，送粉器转速为0.5-1r/min(如0.5r/min、0.6r/min、0.7r/min、0.8r/min、0.9r/min、1.0r/min等)，保护气流量为20-25l/min(如20l/min、21l/min、22l/min、23l/min、24l/min、25l/min等)。在形成过渡层的过程中，将工艺参数控制在上述范围内为宜，以进一步提升各层之间的固溶度，避免耐磨层出现气孔和裂纹。
35.在实际操作过程中，调整激光斑点置于铸铁材料表面，并设置好激光功率、激光扫描速率、搭接量、保护气流量等参数，采用高速激光熔覆的工艺将过渡层金属熔覆至铸铁表面。
36.s3、耐磨层形成
37.耐磨层所采用激光熔覆粉末为铁基合金粉末，发明人发现采用铁基合金粉末能够更好地配合过渡层，与过渡层具有较好的固溶度。耐磨层的厚度为1-2mm，以保证熔覆层的耐蚀、耐磨性能。
38.在一些实施例中，以质量分数计，铁基合金粉末的组成为：c 0.01-0.05％、cr 15-20％、mo 2-4％、ni 10-15％、mn 0.2-0.8％，余量为fe。发明人对耐磨层所采用的熔覆粉末进行了长期的探究，发现采用上述铁基合金粉末能够和过渡层配合，不仅具有较大的固溶度，而且耐蚀、耐磨性能非常优异，另外，此粉末成本相对较低，具有功能性和经济性于一体。
39.在优选的实施例中，铁基合金粉末的组成为：c 0.01-0.03％、cr 16-18％、mo 2.5-3％、ni 12-13％、mn 0.4-0.6％，余量为fe；铁基合金粉末为粒径20-50μm的球形粉末。通过进一步控制铁基合金粉末的组成，能够进一步提升耐蚀、耐磨性能，并抑制裂纹的产生。
40.在可选的实施方式中，在形成耐磨层的过程中，控制激光功率为2-5kw(如2.0kw、3.0kw、4.0kw、5.0kw等)，激光扫描速度为20-30m/min(如20m/min、25m/min、30m/min等)，送粉器转速为1.5-2.5r/min(如1.5r/min、2.0r/min、2.5r/min等)，保护气流量为20-25l/min
(如20l/min、21l/min、22l/min、23l/min、24l/min、25l/min等)。在形成耐磨层的过程中，将工艺参数控制在上述范围内为宜，以进一步避免耐磨层出现气孔和裂纹，保证熔覆层的性能。
41.在实际操作过程中，调整激光斑点置于过渡层材料表面，并设置好激光功率、激光扫描速率、搭接量、保护气流量等参数，采用高速激光熔覆的工艺将铁基合金熔覆至过渡层表面。
42.本发明提供一种铸铁材料，包括ht250铸铁基体和位于ht250铸铁基体上的强化涂层，强化涂层通过前述实施方式中任一项的方法制备形成，强化涂层包括过渡层和耐磨层。该铸铁材料具有非常好的耐蚀、耐磨性能，服役寿命高。
43.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
44.实施例1
45.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，包括以下步骤：
46.(1)材料准备：本实施例熔覆的基材为ht250铸铁板材，尺寸为200mm
×
100mm
×
20mm，过渡层粉末为球形的纯镍粉末，颗粒直径为20-50μm；耐磨层材料为球形的铁基粉末，颗粒直径为20-50μm，其合金成分质量分数为：0.01％c、17％cr、2.5％mo、12.5％ni、0.5％mn，余量为fe。
47.(2)前处理：用砂轮机打磨ht250铸铁表面氧化膜，并用丙酮和酒精对表面进行清洗，并吹干备用；用真空加热烘干炉对两种粉末进行烘干，温度设置为100℃，保温时间为300min；将板材置于工作平台，首先将纯镍粉末置于送粉器内。
48.(3)参数设置：使用高速激光熔覆系统来实施纯镍过渡层的激光熔覆，光束能量为均匀分布，焦点处光斑直径为1.0mm。
49.(4)过渡层形成：设置激光功率为1.5kw，激光扫描速度为50m/min，送粉器转速为0.5r/min，搭接量为0.5mm，保护气ar气流量为20l/min。将光斑调至铸铁表面，运行程序，完成纯镍过渡层的激光熔覆。
50.(5)耐磨层形成：将耐蚀耐磨粉末置于送粉器内，调整焦点处光斑直径为5mm，并将光斑调至过渡层之上，设置激光功率为3kw，激光扫描速度为20m/min，送粉器转速为2r/min，搭接量为3mm，保护气ar气流量为20l/min。运行程序，完成耐蚀耐磨层的激光熔覆。
51.图1-3分别为铸铁表面高速激光熔覆纯镍过渡层后的实物图、纯镍过渡层之上熔覆耐磨层后的实物图、铸铁表面熔覆纯镍过渡层 耐磨层后的截面金相图。可以看到，熔覆之后表面成形光滑连续，内部比较致密，仅有个别较小气孔残留，组织内部没有裂纹产生。
52.实施例2
53.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，包括以下步骤：
54.(1)材料准备：本实施案例所要熔覆的基材为ht250铸铁板材，尺寸为200mm
×
100mm
×
20mm，过渡层粉末为球形的纯铜粉末，颗粒直径为20-50μm，耐磨层材料为球形的铁基粉末，颗粒直径为20-50μm，其合金成分质量分数为：0.01％c、17％cr、2.5％mo、12.5％ni、0.5％mn，余量为fe。
55.(2)前处理：用砂轮机打磨ht250铸铁表面氧化膜，并用丙酮和酒精对表面进行清洗，并吹干备用；用真空加热烘干炉对两种粉末进行烘干，温度设置为100℃，保温时间为300min；将板材置于工作平台，首先将纯铜粉末置于送粉器内。
56.(3)参数设置：使用高速激光熔覆系统来实施纯铜过渡层的激光熔覆，光束能量为均匀分布，焦点处光斑直径为5.0mm。
57.(4)过渡层形成：设置激光功率为3kw，激光扫描速度为30m/min，送粉器转速为1r/min，搭接量为2.5mm，保护气ar气流量为20l/min。将光斑调至铸铁表面，运行程序，完成纯铜过渡层的激光熔覆。
58.(5)耐磨层形成：将耐蚀耐磨粉末置于送粉器内，调整焦点处光斑直径为5mm，并将光斑调至过渡层之上，设置激光功率为3kw，激光扫描速度为20m/min，送粉器转速为2r/min，搭接量为3mm，保护气ar气流量为20l/min。运行程序，完成耐蚀耐磨层的激光熔覆。
59.图4-6分别为铸铁表面高速激光熔覆纯铜过渡层后的实物图、纯铜过渡层之上熔覆耐磨层后的实物图、铸铁表面熔覆纯铜过渡层 耐磨层后的截面(显微图)。可以看到，熔覆之后表面较好，内部没有大的气孔残留，组织内部也没有裂纹产生，基体材料熔化较少，熔覆层和基体结合良好。
60.实施例3
61.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，与实施例1的区别仅在于：激光束行走的路径为圆形。
62.图7为构件熔覆图及熔覆后对构件进行机械加工后的实物图，将该熔覆后的构件进行服役使用。
63.对比发现，无涂层的ht250铸铁构件使用不到一个月，就会由于表面腐蚀大小不一的深孔而报废，而带有熔覆层的构件目前已稳定服役一年，目前工作状况仍良好。
64.对比例1
65.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，与实施例1的区别在于，不使用过渡层粉末，仅使用熔覆强化层粉末，且在多种不同能量输入进行尝试。
66.对熔覆后的试样进行裂纹显像处理，结果如图8所示，可以看到，所有试样在熔覆后，均有明显的裂纹生成，裂纹都从根部扩展到上部。因此，在无固溶度较大过渡层的情况下，不能在铸铁表面制备结合好的耐蚀及耐磨涂层。
67.对比例2
68.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，与实施例1的区别在于，过渡层粉末选用镍基合金而非纯镍，其合金成分质量分数为：4.5％al、16％cr、3％fe、0.05％c、0.5％mn、0.2％si、0.1％zr、0.01％b、0.01％y，余量为ni。
69.结果如图9所示，可以看到，试样在熔覆后，裂纹在界面处生成并扩展，导致接头的直接失效。
70.对比例3
71.本实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法，与实施例1的区别在于，过渡层粉末选用铜基合金而非纯铜，其合金成分质量分数为：21％zn、0.2％sn、7％al、4％fe、0.5％pb、0.05％sb、0.02％p、2.5％mn，余量为cu。
72.试样在熔覆后，大量裂纹的生成，使得熔覆层直接发生碎裂，导致接头的失效。
73.综上所述，本发明实施例提供一种提升铸铁耐蚀及耐磨性能的方法及铸铁材料，通过在ht250铸铁表面通过激光熔覆的方法形成过渡层和耐磨层，通过对过渡层和耐磨层的激光熔覆粉末进行优化，能够使过渡层金属和铸铁基体和耐磨层均有较大的固溶度，可
以最大限度的降低熔覆金属中脆性相的生成，能够严格控制熔覆层内裂纹的生成；并通过熔覆过程能量的调控，极大降低涂层内部气孔的生成，最终在ht250铸铁表面制备质量较高的耐蚀耐磨层，且耐蚀耐磨层和基体结合较好，极大的提升了ht250铸铁试件服役过程中的耐蚀和耐磨性能。
74.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。