[发明专利]一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，涉及金属材料技术领域，为Fe‑C‑M‑j合金系材料，包括Fe、C、碳化物形成元素M、碳活度调控元素j，所述碳化物形成元素M为Cr、Mo、W、V、Ti和Nb，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B。本发明还公开晶界韧化高硬度铁基耐磨材料的制备方法为激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊和快速凝固的铸造方法中的一种。本发明通过充分添加碳活度调控元素极大降低了铸态组织晶界碳化物偏析程度，从而获得枝晶间或晶界处主要为奥氏体韧化相的高硬度铁基耐磨材料。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料及其制备方法。

背景技术

高硬度铁基耐磨材料是工程应用使用量最大的重要耐磨材料，然而与其它类型材料一样，铁基耐磨材料随着硬度的提高，其韧性将明显降低，强韧性难以兼顾尤为明显。目前国内外高硬度铁基耐磨材料主要有过共析、亚共晶、共晶或过共晶Fe-C-M 合金系材料，其中M为Cr、Mo、V等强碳化物形成元素，大多数采用激光熔覆、等离子堆焊、电弧堆焊或离心铸造等方法制备。这些材料的铸态组织特征为晶内高碳马氏体和硬质增强相，晶界处析出网状、链状或颗粒状碳化物，晶界脆性高于晶内。由于晶内高碳马氏体韧性差，晶界碳化物脆性更大，造成铸态组织的高硬度铁基耐磨材料断裂韧性仍无法超越甚至远低于同类材料的锻件水平。

近年来，高硬度铁基耐磨材料强韧化方法主要集中于细化晶粒、复相组织、第二相颗粒、晶界强化等，但这些方法还不能有效突破具有铸态组织特征的高硬度铁基材料晶间或晶界脆性对提高其强韧性的限制，因而这些高硬度铁基耐磨合金材料韧性一直较低。

文献CN101381869A公开一种激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末，其熔覆层虽然具有一定塑韧性，但由于较低含碳量，涂层难以生成较多体积分数颗粒增强相而获得高硬度。文献CN101298119A公开一种激光熔敷合金焊粉，其本质类似于1Cr13 或2Cr13不锈钢类的焊接材料，其涂层碳含量较低而无法大量生成颗粒增强相，因而难以获得优异的涂层耐磨性能。文献CN109023355A公开一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法，等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，在铁基自熔合金粉末内混合添加Cr₃C₂、Ti和Y₂O₃粉末，这些颗粒增强相体积分数高而大幅度提高了涂层硬度，但这种涂层的晶界相主要为共晶碳化物，难以获得高韧性。文献 CN108374115A公开一种基于(V、Ti)C颗粒增强的铁基复合耐磨钢及其制造方法，碳含量高达2.0～3.0％，尽管耐磨性显著提高，但同样涂层枝晶间或晶界处碳化物偏析严重而造成材料韧性差。文献CN104674213A公开一种VC-TiC-VB强化铁基复合涂层及其制备方法，大量的VC、TiC、VB硬质相增强涂层基体，但也存在同样的问题，即这些硬质相在枝晶间或晶界处数量更多而降低了涂层韧性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，通过充分添加碳活度调控元素极大降低铸态组织晶界碳化物偏析程度，从而获得枝晶间或晶界处主要为奥氏体韧化相的高硬度铁基耐磨材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可调控枝晶间或晶界处奥氏体韧化相含量的高硬度铁基耐磨合金材料成分配方，以应用于类似冷轧辊、冲压模具等高载荷摩擦磨损应用场合的机械零件整体制造、表面强化或修复。

为实现上述目的，本发明提供了一种晶界韧化高硬度铁基耐磨材料，为Fe-C-M-j合金系材料，包括Fe、C、碳化物形成元素M、碳活度调控元素j，所述碳化物形成元素M为Cr、Mo、W、V、Ti和Nb，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、 Al和B。

进一步地，所述碳活度调控元素j为Ni、Co、Si、Cu、Al和B中的三种以上。