CN100510191C - 等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法，其特征是：采用等离子喷涂方法，在钢铁材料表面通过原位反应获得三元硼化物(Mo₂FeB₂)基金属陶瓷涂层，再经过正火(或淬火+回火)热处理后，使涂层和钢铁材料之间产生化学反应，形成反应界面；等离子喷涂粉末组成的质量百分比：25%～40%FeB、35%～50%Mo、1%～10%Ni、1%～10%Cr、10%～20%Fe，各组分之和为100%；粉末粒度5～20μm。本发明获得的涂层硬度达89HRA，结合强度达350MPa，耐磨性是W18Cr4V钢(64HRC)的3倍，热疲劳寿命比H13钢(47HRC)高2倍。可以广泛应用于结构钢、工具钢、模具钢制品的表面处理和再制造，提高制品的使用寿命。

Description

等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种等离子喷涂制备三元硼化物(Mo₂FeB₂)基金属陶瓷涂层的生产工艺，在钢铁材料表面获得的这种涂层，具有较高的结合强度、硬度，能够较大幅度提高材料的耐磨性能和抗热疲劳性能，可以广泛应用于结构钢、工具钢、模具钢制品的表面处理和再制造，提高制品的使用寿命。

背景技术

Mo₂FeB₂系三元硼化物基金属陶瓷是利用Ni、Cr、Mo、Fe等粉末与硼或硼化物混合粉末在高温下原位反应生成三元硼化物，并通过高温液相烧结达到完全致密化的一种新型工艺。其烧结体的结构是由三元硼化物的硬质相和含Cr、Ni、Mo等铁基粘结相组成。在反应烧结过程中，生成的三元硼化物通过液相烧结在金属与硼化物之间形成共晶熔融体而获得较高的致密度。这种金属陶瓷具有较高的强度(抗弯强度达到1.0～2.6Gpa)、硬度(硬度达到80～92HRA)，优异的耐磨性能和抗热疲劳性能，同时，还具有和钢铁材料相近的热膨胀系数及密度，和钢铁材料之间的接合热应力小，是一种理想的涂层材料。

等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层的。等离子喷涂工作气体常用Ar或N₂，再加入5％～10％的H₂，气体进入电极腔的弧状区后，被电弧加热离解形成等离子体，其中心温度高达15000K以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉气载入等离子焰流，很快呈熔化或半熔化状态，并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形，粘附在零件表面，各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接，从而获得结合良好的层状致密涂层。等离子喷涂具有涂层平整光滑，厚度精确控制，涂层孔隙率低，涂层氧化物和杂质含量少，喷涂过程对基体的热影响小，应用范围广的特点。但是，涂层和基体的结合强度只能达到60～70MPa，难以满足承受冲击载荷制品的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法，采用本发明制备的涂层结合强度高，接合热应力小，具有优异的耐磨性能和抗热疲劳性能。

本发明的技术方案是：一种等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法，其特征在于：采用等离子喷涂方法，在钢铁材料表面通过原位反应获得三元硼化物(Mo₂FeB₂)基金属陶瓷涂层，再经过正火(或淬火+回火>热处理后，使涂层和钢铁材料之间产生化学反应，形成反应界面；

等离子喷涂粉末组成的质量百分比：25％～40％FeB、35％～50％Mo、1％～10％Ni、1％～10％Cr、10％～20％Fe，各组分之和为100％；粉末粒度5～20μm。

如上所述的等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法，其特征在于：热处理工艺条件为：

(1)结构钢表面涂层的热处理工艺：820～850℃，保温1～4小时，出炉空冷。

(2)工具钢、模具钢表面涂层的热处理工艺：1000～1100℃，保温1～4小时，油淬，500～600℃，保温1～2小时，炉冷。

本发明的等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的生产工艺，具体方式如下：

1.粉末组成质量百分比：25％～40％FeB、35％～50％Mo、1％～10％Ni、1％～10％Cr、10％～20％Fe，粉末经过球磨机球磨4～12小时，粒度5～20μm。

2.等离子喷涂工艺参数：喷涂距离为70～100mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为10～30cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm。Ar压力0.8～1.0MPa、流量1400～1600L/h，Hz压力0.1～0.2MPa、流量200～400L/h，送粉气压0.01～0.1MPa。电流400～600A，电压40～60V，枪内送粉，送粉速率为10～12m/s。涂层厚度0.1mm～2mm。

3.原位反应式：

FeB+Fe＝Fe₂B

2FeB+2Mo＝Mo₂FeB₂+Fe

2Fe₂B+2Mo＝Mo₂FeB₂+3Fe

A+Fe₂B＝L₁

A+L₁+Mo₂FeB₂＝L₂+Mo₂FeB₂

式中，A-奥氏体，L₁、L₂-二种不同成分的液相。

4.热处理工艺：

(1)结构钢表面涂层的热处理工艺：820～850℃，保温1～4小时，出炉空冷。

(2)工具钢、模具钢表面涂层的热处理工艺：1000～1100℃，保温1～4小时，油淬，500～600℃，保温1～2小时，炉冷。

5.界面反应式：

FeB+Fe＝Fe₂B

2FeB+2Mo＝Mo₂FeB₂+Fe

2Fe₂B+2Mo＝Mo₂FeB₂+3Fe

本发明获得的三元硼化物基金属陶瓷涂层硬度达到89HRA，结合强度达到350MPa，耐磨性是W18Cr4V钢(64HRC)的3倍，热疲劳寿命比H13钢(47HRC)提高2倍。可以广泛应用于结构钢、工具钢、模具钢制品的表面处理和再制造，提高制品的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的涂层的显微组织。

图2是本发明实施例的界面结构。

图3是本发明实施例的耐磨性能示意图。

具体实施方式

实施例1：

基体材料：45钢。

粉末组成质量百分比：35％FeB、40％Mo、2％Ni、3％Cr、20％Fe，球磨8小时，粉末粒度5μm。

等离子喷涂工艺参数：喷涂距离为80mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm。Ar压力0.8MPa、流量1500L/h，H₂压力0.1MPa、流量300L/h，送粉气压0.05MPa。电流500A，电压50V，枪内送粉，送粉速率为11m/s。涂层厚度1咖。

热处理工艺：850℃，保温1小时，出炉空冷。

实施例2：

基体材料：H13钢。

粉末组成质量百分比：25％FeB、50％Mo、3％Ni、4％Cr、18％Fe，球磨8小时，粉末粒度5μm。

等离子喷涂工艺参数：喷涂距离为80mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm。Ar压力0.8MPa、流量1500L/h，H₂压力0.1MPa、流量300L/h，送粉气压0.05MPa。电流500A，电压50V，枪内送粉，送粉速率为11m/s。涂层厚度1mm。

热处理工艺：1050℃，保温1小时，油淬，540℃，保温1小时，炉冷。

实施例3：

基体材料：W18Cr4V钢。

粉末组成质量百分比：40％FeB、35％Mo、5％Ni、5％Cr、15％Fe，球磨8小时，粉末粒度5μm。

等离子喷涂工艺参数：喷涂距离为80mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm。Ar压力0.8MPa、流量1500L/h，H₂压力0.1MPa、流量300L/h，送粉气压0.05MPa。电流500A，电压50V，枪内送粉，送粉速率为11m/s。涂层厚度1mm。

热处理工艺：1100℃，保温1小时，油淬，560℃，保温1小时，炉冷。

Claims (1)

1.一种等离子喷涂制备三元硼化物基金属陶瓷涂层的方法，其特征在于：采用等离子喷涂方法，在钢铁材料表面通过原位反应获得三元硼化物Mo₂FeB₂基金属陶瓷涂层，再经过正火或淬火+回火热处理后，使涂层和钢铁材料之间产生化学反应，形成反应界面；其中所述钢铁材料为结构钢、工具钢或模具钢，正火或淬火+回火热处理工艺条件为：

(1)结构钢表面涂层的热处理工艺：820～850℃，保温1～4小时，出炉空冷；

(2)工具钢、模具钢表面涂层的热处理工艺：1000～1100℃，保温1～4小时，油淬，500～600℃，保温1～2小时，炉冷；

等离子喷涂粉末组成的质量百分比：25％～40％FeB、35％～50％Mo、1％～10％Ni、1％～10％Cr、10％～20％Fe，各组分之和为100％；粉末粒度5～20μm。

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