原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了原位自生TiC+WC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，步驟為：首先將W、Ti、C及Fe-Ni自熔性合金粉末混合均勻后，裝入粘結(jié)在基板上的耐高溫陶瓷套中；然后利用非轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)表層粉末進(jìn)行預(yù)熔，再由非轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)內(nèi)層粉末和基板進(jìn)行熔合；最后涂層熔液在耐高溫陶瓷套中自然冷卻。本發(fā)明中制備的增強(qiáng)體為不同尺度碳化物TiC與WC復(fù)合增強(qiáng)，與單一碳化物WC增強(qiáng)相比，涂層磨損量降低了23～62%，耐磨性得到較大提高；且原位合成的增強(qiáng)相與基體結(jié)合力大，不容易從磨損面脫落。
【專利說(shuō)明】原位自生了10復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐磨涂層領(lǐng)域，特別是原位自生復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界有一半以上的總能源被一種或多種形式的摩擦所消耗。2006年我國(guó)因摩擦、磨損而導(dǎo)致的損失約高達(dá)9500億元，而通過(guò)改善和降低摩擦磨損可節(jié)省3200億元。為了提高金屬的耐磨性，通常采用表面技術(shù)來(lái)獲得耐磨涂層。涂層材料多為復(fù)合材料，其增強(qiáng)相常選用硬度和耐磨性較高的碳化物。IX和呢是兩類較重要的碳化物，如:尺寸較小的IX顆粒(515^0)為鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)相，被用于航空航天領(lǐng)域；尺寸較大的呢(40^60^.11)是制造硬質(zhì)合金的主要原料，被用于切削刀具鉆頭等，有“工業(yè)牙齒”美稱。目前這兩種增強(qiáng)體多為獨(dú)立增強(qiáng)，使用中存在一些增強(qiáng)相與基體硬度不匹配等問(wèn)題。若能把這兩種不同尺度的增強(qiáng)相采用原位合成法進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)，則可克服單一尺度增強(qiáng)體使用上的局限性，不同尺度增強(qiáng)體之間可以“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，對(duì)基體增強(qiáng)產(chǎn)生“復(fù)合效應(yīng)”。同時(shí)，原位合成的增強(qiáng)相與金屬基體之間界面清潔、結(jié)合力高，可避免發(fā)生增強(qiáng)相磨損時(shí)的脫落問(wèn)題，具有十分重要的創(chuàng)新價(jià)值和工程應(yīng)用意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供原位自生1011(:復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，由于利用了不同尺度碳化物IX和I復(fù)合增強(qiáng)，因此可克服目前單一尺度增強(qiáng)體使用上的局限性，不同尺度增強(qiáng)體之間可以“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，對(duì)基體增強(qiáng)產(chǎn)生“復(fù)合效應(yīng)”；另外，通過(guò)原位合成的IX與I與基體之間潤(rùn)濕性好，結(jié)合力大，可有效避免摩擦磨損時(shí)增強(qiáng)相脫落。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思:11為強(qiáng)碳化物形成元素，所以11+011(:反應(yīng)較易進(jìn)行。而評(píng)為弱碳化物形成元素，因此1+(:=1(:合成反應(yīng)所需的動(dòng)力學(xué)時(shí)間較長(zhǎng)，所以目前采用原位合成方法獲得1(:的工藝不僅復(fù)雜而且設(shè)備較專業(yè)。本發(fā)明采用陶瓷保溫套對(duì)涂層熔池加以保溫，延長(zhǎng)了熔池在液態(tài)下停留時(shí)間，同時(shí)利用等離子弧對(duì)熔池持續(xù)加熱一定時(shí)間，從而為1+0=10在熔池中順利反應(yīng)提供了所需的動(dòng)力學(xué)時(shí)間。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案為:
原位自生1011(:復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于:把耐高溫陶瓷套粘結(jié)在基板上，在耐高溫瓷套中裝入合金混合粉末，經(jīng)等離子束加熱熔化后，在金屬基板上原位合成出多元碳化物復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層，具體步驟為:
(1)對(duì)基板進(jìn)行機(jī)械加工，并用丙酮清洗表面的油脂；若基板為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)基板表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并用丙酮清洗表面的油脂；將預(yù)處理好的的基板放在工件臺(tái)上，夾緊固定；
(2)合金混合粉末選用的粒度為10?2509%按比例進(jìn)行攪拌均勻混合；其中，按質(zhì)量百分比，評(píng)粉為30?70%、-附粉為30?70%，XI粉為0?5%、0 (石墨)粉為0?5% ； (3)把合金混合粉末裝入粘結(jié)在基板上的耐高溫陶瓷套中，再利用等離子束對(duì)合金混合粉末進(jìn)行加熱熔化，經(jīng)原位反應(yīng)獲得耐磨涂層；等離子束加熱時(shí)的技術(shù)參數(shù)為:首先采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)表層粉末進(jìn)行熔化，其中，非轉(zhuǎn)移型等離子弧，電流為:25?45八、電壓為:40?557、加熱時(shí)間為4?6秒；然后采用轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)內(nèi)層粉末進(jìn)行加熱熔化獲得涂層，其中，轉(zhuǎn)移型等離子弧，電流為30?50八、電壓為40?607、加熱時(shí)間為6?8秒；涂層熔池(溶液)在耐高溫陶瓷套作用下(處于耐高溫陶瓷套中),在空氣中自然冷卻。
[0006]在上述制備方法中，所述基板材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。
[0007]在上述制備方法中，合金混合粉末裝入耐高溫陶瓷套中，避免合金混合粉末被離子氣及保護(hù)氣吹散；且該耐高溫陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8?15秒，從而保證原位反應(yīng)1+01(:充分進(jìn)行。
[0008]在上述制備方法中，所述步驟(3)預(yù)敷粉末裝入耐熱陶瓷套中，耐熱陶瓷材質(zhì)為氧化鋁含量為99.5%的剛玉。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
(1)該方法所生成的增強(qiáng)相為原位合成的多元多尺度碳化物復(fù)合生長(zhǎng)，可克服單一尺度增強(qiáng)相使用上的局限性，不同尺度增強(qiáng)相之間可以“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，對(duì)基體增強(qiáng)產(chǎn)生“復(fù)合效應(yīng)”；
(2)原位生成的IX與呢與涂層基體結(jié)合力大，可解決磨損中增強(qiáng)相脫落的問(wèn)題；
(3)用來(lái)合成!'X與1(:的原料較便宜，制備所用的等離子束設(shè)備簡(jiǎn)單、移動(dòng)靈活、不受使用場(chǎng)地限制；
(4)對(duì)基板材料的形狀尺寸適應(yīng)性強(qiáng)，可在規(guī)則、非規(guī)則平面、大于一定尺寸的內(nèi)腔零部件表面等制備涂層；
綜述，其有益效果為:本發(fā)明采用原位合成法來(lái)制備多元多尺度碳化物復(fù)合增強(qiáng)涂層，從而克服了單一尺度增強(qiáng)相使用上的局限性，不同尺度增強(qiáng)相之間可以“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，對(duì)基體增強(qiáng)產(chǎn)生“復(fù)合效應(yīng)”。通過(guò)原位合成法制備的復(fù)合涂層，由于增強(qiáng)體是在金屬基體內(nèi)形核長(zhǎng)大，因此增強(qiáng)體表面干凈無(wú)污染，且母相基體和增強(qiáng)體的相溶性好，兩者界面結(jié)合強(qiáng)度高。與外加法制備復(fù)合涂層相比，它省去了繁瑣的增強(qiáng)體預(yù)處理工序，簡(jiǎn)化了制備工藝。從而節(jié)省時(shí)間，成本降低，同時(shí)性能得到提高。原位合成的IX與I在涂層中分布較均勻。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明涂層的X射線衍射結(jié)果；
圖2為本發(fā)明涂層中原位合成的IX與I微觀組織圖；
圖3為本發(fā)明涂層在300^壓力下滑動(dòng)500米后的磨損試驗(yàn)結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0011〕 下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012]本發(fā)明中，圖1為X射線衍射結(jié)果，顯示涂層中原位合成了 IX與呢兩種碳化物；圖2為原位自生110呢涂層的組織圖，可見(jiàn)呢生長(zhǎng)尺度遠(yuǎn)大于110，為兩種不同尺度的碳化物復(fù)合增強(qiáng)，這兩種碳化物具有較高的硬度和耐磨性，且為原位反應(yīng)生成，與基體之間潤(rùn)濕性好、結(jié)合力大，磨損時(shí)不容易脫落，抗磨損性能較好；圖3為本發(fā)明涂層在3008壓力下滑動(dòng)500米后的磨損試驗(yàn)結(jié)果，其中，涂層110 (10為單一 I增強(qiáng)涂層(沒(méi)有110，111^3 (110+10)三個(gè)涂層為110呢復(fù)合增強(qiáng)涂層(11粉比例按0.1%遞增)，四種涂層II廣4中原位合成的I含量相近，可見(jiàn)110呢復(fù)合增強(qiáng)涂層的耐磨性均較單一 I增強(qiáng)涂層高，且涂層耐磨性隨含量的增加而增加。
[0013]具體實(shí)施例:
對(duì)基板進(jìn)行機(jī)械加工，做成符合使用的工具或模具，并用丙酮清洗表面的油脂；若為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)其表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并用丙酮清洗表面的油脂；將預(yù)處理好基板放入工件臺(tái)，夾緊固定。
[0014]以下通過(guò)三個(gè)實(shí)施例，來(lái)完成基板表面原位合成復(fù)合增強(qiáng)涂層的制備。
[0015]實(shí)施例1:
按質(zhì)量百分比，將38%的評(píng)粉(1彡99.8%，粒度40?80 11111),0.2%的II粉(11彡99.0 ；？6 彡 0.25% ；81 彡 0.1% ；0 彡 0.65%，粒度 40?80 9 1x0、3.18% 的粉⑴彡 98%，粒度20?40 11110、余量為？6-附自熔性合金粉(附=30%洱6=1% #6=69%，粒度為60?180 ^爪)烘干后攪拌均勻，預(yù)裝入粘結(jié)在低碳鋼0235表面的耐高溫陶瓷套中，用等離子束進(jìn)行加熱，工藝為:非弧(非轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流25?45八、電壓40?55乂、加熱時(shí)間4?6秒；轉(zhuǎn)弧(轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流30?50八、電壓40?607、加熱時(shí)間6?8秒，涂層在空氣中自然冷卻至室溫。
[0016]所得1101(:復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在1-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與110對(duì)磨樣(洛氏硬度冊(cè)063 ±0進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為3001滑動(dòng)500米),與相同含量單一呢增強(qiáng)鐵基涂層相比，磨損量降低了 23% (1'評(píng)-1(11010，如圖3所示兄
[0017]實(shí)施例2:
按質(zhì)量百分比，將38%的評(píng)粉(1彡99.8%，粒度40?80 11111),0.3%的II粉(11彡99.0 ；？6 彡 0.25% ；81 彡 0.1% ；0 彡 0.65%，粒度 40?80 9 1x0、3.18% 的 ?:粉⑴彡 98%，粒度20?40 11110、余量為？6-附自熔性合金粉(附=30%洱6=1% #6=69%，粒度為60?180 ^爪)烘干后攪拌均勻，預(yù)裝入粘結(jié)在低碳鋼0235表面的耐高溫陶瓷套中，用等離子束進(jìn)行加熱，工藝為:非弧(非轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流25?45八、電壓40?55乂、加熱時(shí)間4?6秒；轉(zhuǎn)弧(轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流30?50八、電壓40?607、加熱時(shí)間6?8秒，涂層在空氣中自然冷卻至室溫。
[0018]所得1101(:復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在1-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與110對(duì)磨樣(洛氏硬度冊(cè)063 ±0進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為3001滑動(dòng)500米),與相同含量單一呢增強(qiáng)鐵基涂層相比，磨損量降低了 28% (1'胃-2(丁 1010，如圖3所示兄
[0019]實(shí)施例3:
按質(zhì)量百分比，將38%的評(píng)粉(1彡99.8%，粒度40?80 11111),0.4%的II粉(11彡99.0 ；？6 彡 0.25% ；81 彡 0.1% ；0 彡 0.65%，粒度 40?80 9 1x0、3.18% 的 ?:粉⑴彡 98%，粒度20?40^1110、余量為？6-附自熔性合金粉(附=30% #6=1% ；？6^69%，粒度為6(^180^111)烘干后攪拌均勻，預(yù)裝入粘結(jié)在低碳鋼0235表面的耐高溫陶瓷套中，用等離子束進(jìn)行加熱，工藝為:非弧(非轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流25?45八、電壓40?55乂、加熱時(shí)間4?6秒；轉(zhuǎn)弧(轉(zhuǎn)移型等離子弧)，電流30?50八、電壓40?607、加熱時(shí)間6?8秒，涂層在空氣中自然冷卻至室溫。
[0020]所得1101(:復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在1-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與110對(duì)磨樣(洛氏硬度冊(cè)063 ±0進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為3001滑動(dòng)500米),與相同含量單一呢增強(qiáng)鐵基涂層相比，磨損量降低了 62% (1'胃-3(丁 1010，如圖3所示兄
[0021]本發(fā)明中的基板材料不局限于為低碳鋼，它可以是低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。
[0022]在上述制備方法中，合金混合粉末裝入耐高溫陶瓷套中，避免合金混合粉末被離子氣及保護(hù)氣吹散；且該耐高溫陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8?15秒，從而保證原位反應(yīng)1+01(:充分進(jìn)行。
[0023]本發(fā)明中的耐高溫陶瓷套，最好采用氧化鋁含量為99.5%的剛玉，耐熱溫度大于16001，從而避免被熔化無(wú)法起到保溫作用。
[0024]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】?jī)H限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的替換，如:各粉末混合比例的改變及基體金屬材料種類的改變，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征為:把耐高溫陶瓷套粘結(jié)在基板上，在耐高溫瓷套中裝入合金混合粉末，經(jīng)等離子束加熱熔化后，在金屬基板上原位合成出多元碳化物WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層，具體步驟為: (1)對(duì)基板進(jìn)行機(jī)械加工，并用丙酮清洗表面的油脂；若基板為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)基板表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并用丙酮清洗表面的油脂；將預(yù)處理好的的基板放在工件臺(tái)上，夾緊固定； (2)合金混合粉末選用的粒度為10?250μ m，按比例進(jìn)行攪拌均勻混合；其中，按質(zhì)量百分比，W粉為30?70%、Fe-Ni粉為30?70%，Ti粉為O?5%、C粉為O?5% ； (3)把合金混合粉末裝入粘結(jié)在基板上的耐高溫陶瓷套中，再利用等離子束對(duì)合金混合粉末進(jìn)行加熱熔化，經(jīng)原位反應(yīng)獲得耐磨涂層；等離子束加熱時(shí)的技術(shù)參數(shù)為:首先采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)表層粉末進(jìn)行熔化，其中，非轉(zhuǎn)移型等離子弧，電流為:25?45A、電壓為:40-55V、加熱時(shí)間為4?6秒；然后采用轉(zhuǎn)移型等離子弧對(duì)內(nèi)層粉末進(jìn)行加熱熔化獲得涂層，其中，轉(zhuǎn)移型等離子弧，電流為30?50A、電壓為40?60V、加熱時(shí)間為6?8秒；涂層熔池在耐高溫陶瓷套作用下，在空氣中自然冷卻。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述基板材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于:合金混合粉末裝入耐高溫陶瓷套中，避免合金混合粉末被離子氣及保護(hù)氣吹散；且該耐高溫陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8?15秒，從而保證原位反應(yīng)W+C=WC充分進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于:耐高溫陶瓷套為剛玉材質(zhì)，其中氧化鋁含量為99.5%，耐熱溫度大于1600°C，從而避免被熔化無(wú)法起到保溫作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位自生WC+TiC復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于:耐高溫陶瓷套為剛玉材質(zhì)，其中氧化鋁含量為99.5%，耐熱溫度大于1600°C，從而避免被熔化無(wú)法起到保溫作用。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK104451664SQ201410694093
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】袁有錄, 曾大新 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院