CN101255557B

CN101255557B - 一种合成反应等离子熔覆粉末及其制备工艺

Info

Publication number: CN101255557B
Application number: CN 200810015140
Authority: CN
Inventors: 刘均波
Original assignee: Weifang University
Current assignee: Weifang University
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: CN101255557A

Abstract

本发明公开了一种铬-铁-碳-钨-镍系合成反应等离子熔覆粉末及其制备工艺，本发明采用蔗糖作为碳的前驱体，经过一定温度下的碳化，形成原料粉末周围被碳包覆的铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末。其工艺过程是：将符合粒度要求的原料粉末(除蔗糖外)按配比混合后湿磨，混合后的浆状粉末烘干，烘干的粉末与蔗糖混合后分步碳化，碳化后的块状物质破碎筛分。这不仅解决了目前反应等离子熔覆制备碳化物金属复合涂层时的反应等离子熔覆粉末中反应组元分离问题，而且蔗糖作为碳的前驱体，其碳化温度低，生成的碳纯度高，碳化过程中污染小，工业化可行性更高。

Description

一种合成反应等离子熔覆粉末及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合涂层制备技术中的制粉工艺，特别涉及到一种反应等离子熔覆高铬铁基金属陶瓷复合材料涂层的制备。

背景技术

金属陶瓷复合涂层，尤其是以碳化物为增强相的金属陶瓷复合涂层在航空、航天、冶金、矿山、石油和化工等领域中的耐磨构件的制造和修复中具有广泛的用途。目前，以碳化物为增强相的金属陶瓷复合涂层中的陶瓷相通常采用外加复合的方式预制在原材料表面，涂层中陶瓷相分布不均匀，粒度较粗大，陶瓷/金属结合界面易受污染，这将大大影响涂层的性能。近年来产生了一种制备金属陶瓷的新方法-反应等离子熔覆，它将原位合成技术和等离子熔覆技术相结合，利用粉末和粉末之间的反应，在熔覆过程中同时完成复合材料的合成。原位反应合成过程中放出的反应热，可以提高熔覆温度，降低涂层的孔隙率，改善涂层与基体的结合；而且原位合成的硬质相颗粒细小，分布均匀，硬质相与金属基体的结合界面洁净。因此反应等离子熔覆克服了传统等离子熔覆金属陶瓷工艺的缺点，在制备金属陶瓷复合涂层方面具有不可比拟的优势。

近年来国内外在金属陶瓷复合涂层反应等离子熔覆方面已有相当的研究，但反应等离子熔覆技术并未真正在工程实际中获得全面的应用，存在的主要问题是目前采用的反应等离子粉末都是简单的机械混合粉或团聚粉(添加少量的粘结剂制粒)，在等离子高速束流作用下反应组元容易分离，造成相当一部分组元粉末无法充分反应，使涂层中残留有害相，导致涂层的组织不均匀，涂层质量不稳定。因此，能够确保熔覆过程中反应组元间充分反应的反应等离子熔覆复合粉末制备技术已经成为获得优质反应等离子熔覆涂层的技术关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前反应等离子熔覆制备碳化物复合涂层时的反应等离子熔覆粉末组元分离问题，提供一种提高碳化物金属反应等离子熔覆复合涂层质量的合成反应等离子熔覆粉末的制备工艺。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种由该制备工艺制得的合成反应等离子熔覆粉末。

为解决上述第一个技术问题，本发明合成反应等离子熔覆粉末的制备工艺，通过下列步骤实施：

A、混粉：将粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉10％～30％，铁粉45％～70％，钨粉4-8％，镍粉1-12％的比例混合；

B、湿磨：将上述混合物料与酒精按体积比1∶1～1.5∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为3∶1～6∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；

C、烘干；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；

D、与蔗糖混合：将质量为粉状物料总质量14.81％～24％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；

E、分步碳化处理：将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃，进行碳化处理2～2.5小时；

F、破碎、筛分：将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末。

为解决上述第二个技术问题，本发明由以下质量百分比的物质组成：铬粉10％～30％，铁粉45％～70％，碳粉4％～6％，钨粉4-8％，镍粉1-12％。所述的铬粉的粒度为2-3μm，铁粉的粒度为6-9μm，钨粉的粒度为0.5-1μm，镍粉的粒度为2-3μm。

采用本发明制备这种反应等离子熔覆粉末的最大特点是，熔覆粉末中的碳是由碳的前驱体在较低的温度下经碳化而获得，形成碳包覆在原料粉末周围的包覆结构，Fe、Cr、W、Ni粉末通过碳化后生成的单质碳连接，粉末颗粒细小，原料粉末与碳的粘结强度高，在反应等离子熔覆过程中不易分离，使得反应等离子熔覆过程中组元粉末能够充分反应，有利于反应的顺利完成。球磨是为了使原料粉末粒度降低以及原料粉末的均匀分布，有利于熔覆过程中的原位反应；采用湿磨作为球磨方式可以使原料粉末在球磨过程中不被氧化和原料粉末的均匀分布；蔗糖加热成粘稠状液体后与烘干后的粉末搅拌混合可以使成分混合更加均匀；采用分步碳化法是因为蔗糖中含有大量的氢元素和氧元素，碳化的目的就是要将氢元素和氧元素去除，在较高碳化温度下原料粉末活性较强，易于和碳化产生的气体中的氧元素发生氧化反应，反应放热同时会引起了原料粉末的自蔓延反应。如果碳化温度较低时，可以防止氧化反应和自蔓延反应的发生，但是所制备的反应等离子熔覆粉末中氢氧含量较高，碳化不完全。为了解决这一问题，采用分步碳化法进行碳化。首先在较低温度下(250～350℃)通过保温1～1.5小时，除去氢氧。因为此时原料粉末的活性较小，而且碳化产生的气体排放较慢，可避免发生自蔓延反应。然后温度升至450～550℃继续碳化处理2～2.5小时。这一阶段虽然原料粉末的活性较高，但是通过第一阶段的除氢氧，此时的碳化产生的气体量已经很小，不会产生氧化和自蔓延反应。

综上所述，本发明的优点效果是：

(1)解决了目前反应等离子熔覆同步送粉过程中高速等离子束流作用下组元粉末容易分离，造成体系反应不完全，熔覆涂层质量不够稳定的问题。

(2)本发明制备的铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末中形成碳包覆在原料粉末周围的包覆结构，原料粉末与碳的粘结强度高，在熔覆过程中不易分离，有利于反应的顺利完成。

(3)采用蔗糖作为前驱体，碳化温度低，生成的碳纯度高，碳化过程中污染小，工业可行性更高。

(4)制备的反应等离子熔覆涂层中无有害相残留，且组织均匀。涂层表面硬度为900～1100HV，耐磨性优于常规Ni60耐磨涂层。

附图说明

图1为铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末SEM照片；

图2为铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末X射线衍射图谱；

图3为复合涂层SEM形貌；

图4为复合涂层的X射线衍射图谱；

图5为复合涂层的显微硬度。

从图1铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末SEM照片中可以看到制备的铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆复合粉末中，形成碳包覆在细小原料粉末周围的包覆结构，原料粉末与碳的粘结强度高，在熔覆过程中不易分离，有利于反应的完成；从图2铬-铁-碳-钨-镍系反应等离子熔覆粉末X射线衍射结果可以看到，采用此方法制备的复合粉末中不含有任何其它杂质，同时在碳化过程中也没有形成氧化物和碳化物；从图3复合涂层背散射形貌中可以看到，所获涂层组织均匀，涂层中无大粒度团聚物，细小(Cr，Fe)₇C₃增强相均匀分布在金属基体中，颗粒细小；图4为复合涂层X射线衍射图谱，从图中可以看到从图4复合涂层的XRD结果中可以看到，所获涂层成分简单，只由(Cr，Fe)₇C₃和γ两相组成，γ相中含有大量的Fe、Cr、W和Ni，无其它杂质相和有害相生成；图5为复合涂层的显微硬度分布，可以看出涂层具有较高的硬度且硬度分布比较均匀，涂层与基体结合区硬度值逐渐降低到基体水平。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的合成反应等离子熔覆粉末及其制备工艺作进一步详细说明：

实施例1

取粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉35％，铁粉50％，钨粉4％，镍粉6％的比例混合；将混合物料与酒精按体积比1∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为3∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；将质量为粉状物料总质量15.39％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃下，进行碳化处理2～2.5小时；将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末，在该反应等离子熔覆粉末中，碳粉为总质量的5％。经反应等离子熔覆工艺所获得的涂层表面洛氏硬度为HRC64，与调质C级钢相比，其室温耐磨性是调质C级钢的26倍，高温耐磨性是25倍，是常规Ni60耐磨涂层的8倍。

实施例2

取粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉30％，铁粉54％，钨粉4％，镍粉6％的比例混合；将混合物料与酒精按体积比1.2∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为5∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；将质量为粉状物料总质量24％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃下，进行碳化处理2～2.5小时；将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末，在该反应等离子熔覆粉末中，碳粉为总质量的6％。经反应等离子熔覆工艺所获得的涂层表面洛氏硬度为HRC63，与调质C级钢相比，其室温耐磨性是调质C级钢的24倍，高温耐磨性是23倍，是常规Ni60耐磨涂层的7倍。

实施例3

取粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉30％，铁粉53％，钨粉1％，镍粉12％的比例混合；将混合物料与酒精按体积比1.3∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为4∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；将质量为粉状物料总质量14.81％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃下，进行碳化处理2～2.5小时；将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末，在该反应等离子熔覆粉末中，碳粉为总质量的4％。经反应等离子熔覆工艺所获得的涂层表面洛氏硬度为HRC51，与调质C级钢相比，其室温耐磨性是调质C级钢的9倍，高温耐磨性是11倍，是常规Ni60耐磨涂层的3倍。

实施例4

取粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉40％，铁粉45％，钨粉4％，镍粉6％的比例混合；将混合物料与酒精按体积比1.4∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为5∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；将质量为粉状物料总质量15.39％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃下，进行碳化处理2～2.5小时；将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末，在该反应等离子熔覆粉末中，碳粉为总质量的5％。经反应等离子熔覆工艺所获得的涂层表面洛氏硬度为HRC60，与调质C级钢相比，其室温耐磨性是调质C级钢的19倍，高温耐磨性是18倍，是常规Ni60耐磨涂层的7倍。

实施例5

取粒度为2-3μm的铬粉，粒度为6-9μm的铁粉，粒度为0.5-1μm的钨粉，粒度为2-3μm的镍粉按质量百分比：铬粉10％，铁粉70％，钨粉8％，镍粉11.5％的比例混合；将混合物料与酒精按体积比1.5∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混合物料的体积比为6∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；将质量为粉状物料总质量1.6％的蔗糖置于不锈钢器皿中加热，待蔗糖由脆性固态转变为粘稠状液体后，再将烘干后的粉状物料倒入蔗糖中，并搅拌使之完全混合均匀；将盛有上述均匀混合物的器皿置于碳化炉中，封炉门后通入氩气，先加热至250～350℃，保温1～1.5小时，然后再升温至450～550℃下，进行碳化处理2～2.5小时；将碳化后得到的多孔块状固体经球磨破碎和振动筛分步循环进行破碎、筛分，制备出粒度为70-140μm的反应等离子熔覆粉末，在该反应等离子熔覆粉末中，碳份为总质量的0.5％。经反应等离子熔覆工艺所获得的涂层表面洛氏硬度为HRC50，与调质C级钢相比，其室温耐磨性是调质C级钢的9倍，高温耐磨性是10倍，是常规Ni60耐磨涂层的3倍。

各实施例见下表

Claims

1.一种合成反应等离子熔覆粉末的制备工艺，其特征是通过下列步骤实施：

B、湿磨：将上述混合物料与酒精按体积比1∶1～1.5∶1的比例投入球磨机，所用钢球与混介物料的体积比为3∶1～6∶1，球磨时间为24～72小时，得到平均粒度为4～7μm的浆料；

C、烘干：将球磨后的浆料在烘干箱中烘干，烘干温度控制在45～70℃范围内，烘干时间为12～24小时，得到粉状物料；

2.根据权利要求1所述的合成反应等离子熔覆粉末的制备工艺制得的合成反应等离子熔覆粉末，其特征是由以下质量百分比的物质组成：铬粉10％～30％，铁粉45％～70％，碳粉4％～6％，钨粉4-8％，镍粉1-12％。

3.根据权利要求2所述的合成反应等离子熔覆粉末，其特征是所述的铬粉的粒度为2-3μm，铁粉的粒度为6-9μm，钨粉的粒度为0.5-1μm，镍粉的粒度为2-3μm。