[发明专利]钴基合金及其所述钴基合金制备的熔覆层

说明书

一种钴基合金及其所述钴基合金制备的熔覆层，所述钴基合金，包含钴Co、镍Ni、铬Cr、铁Fe、硅Si、钨W、碳C和铝Al元素，按重量计所述钴基合金的具体化学成分为：Ni19～22.5wt％，Cr18～19.5wt％，Al7.5～10.5wt％，Fe0.8～1.1wt％，Si0.7～1.0wt％，W3.0～4.4wt％，C0.6～0.9wt％，余量为Co和小于0.1wt％的不可避免的杂质；Ni与Co的质量百分比大于0.4且小于0.56；Ni与Al的质量百分比大于2且小于2.7。该钴基合金可制备具有高耐磨损性能和抗热疲劳性能的熔覆层，不仅可用于修复和增强制动盘的摩擦层，还可作为制动盘的摩擦层和其他需要承受反复热冲击并伴有摩擦磨损的金属材料表面的保护层，如模具型腔内衬、发动机活塞和内缸、石油管道阀门内壁等环境。

技术领域

本发明涉及一种钴基合金及其所述钴基合金制备的熔覆层，属于金属合金材料领域。

背景技术

高速列车在高寒冰雪气候条件下运行过程中实施制动，制动盘会出现严重划伤的情况，在制动盘摩擦面上出现犁沟状的划伤痕迹，深度可达5mm以上。引起严重划伤的原因是粘附在制动盘与闸片上的冰雪夹杂有硬质颗粒，制动过程中冰雪融化而硬质颗粒夹在制动盘与闸片的中间产生磨粒磨损，并产生铁屑。由于冰雪的包覆，铁屑不能顺利排出，并参与到后续的磨粒磨损过程当中，在制动盘摩擦面上产生犁沟状的划痕。

高速列车制动过程会将列车的动能转化为制动盘的热能。常规制动中，制动盘摩擦面最高温度会达到400℃左右，而内层温度只到100℃左右；在紧急制动情况下，制动盘摩擦面会出现热斑，热斑处最高温度会达到900℃左右，而此时内层温度只能达到250℃左右。瞬间剧烈的温度梯度会使制动盘产生极大的热应力。周期性制动所产生的应力会使制动盘摩擦面产生疲劳，最终导致热疲劳开裂，而热疲劳正是制动盘主要的失效形式之一。

因此，针对高寒冰雪气候条件下的制动盘摩擦层的使用材料必须具备极好的耐磨粒磨损性能和抗热疲劳性能。

目前商用的高温耐磨材料主要由钴基和镍基合金组成。在同级别牌号中，钴基合金比镍基合金在同等温度条件下具有更高的强度，且在钴基合金系列中以碳化物析出进行沉淀强化的合金具有极好的抗磨粒磨损性能。其中Stellite系列(注册商标)的Co-Cr-W-C类钴基合金就同时具备极好的耐磨性和高温强度，此合金系列也广泛用于承受反复热冲击并伴有摩擦磨损的金属材料表面熔覆层。但是如同高速列车制动盘这种剧烈温度变化、高速摩擦的工况而言，对于高温耐磨合金仍是一种挑战。以Stellite6，Stellite12和StelliteF钴基合金熔覆层材料为例，其主要的相组成为面心立方的γ-Co和成网状分布的碳化物。网状碳化物在热疲劳过程中容易为裂纹提供快速扩展的路径，这是由于γ-Co与碳化物的热膨胀系数不一样，周期性能热循环过程会使Co与碳化物在相界面失配，产生沿晶裂纹。同时，通过熔敷过程直接获得的铸态熔敷层是面心立方的γ-Co，但在热疲劳过程中，由于有热能的输入，会使面心立方的γ-Co发生马氏体相变，转成更稳定的δ-Co(钴在417℃以下以密排六方的δ-Co为稳定相)。γ-Co与δ-Co的相界面也成为热疲劳裂纹扩展的路径，产生穿晶型裂纹。

针对制动盘摩擦层高温热疲劳及磨粒磨损的服役特性，以及目前商用高温耐磨的钴基合金的不足之处，极其有必要针对制动盘摩擦层设计一种兼备优良热疲劳性能及抗磨粒磨损性能的合金材料来修复和增强制动盘的摩擦层。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种钴基合金，该钴基合金可制备具有高耐磨损性能和抗热疲劳性能的熔覆层，用于修复和增强制动盘的摩擦层。