CN101798684A - 一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法，在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，烘干后用氮电弧直接加热，使纯钛粉末与钢基体表面局部熔化，熔池中的Ti与来自电弧气氛的N元素发生氮化反应Ti+N→TiN，原位生成的TiN作为增强相与钢基体组成铁基复合材料。采用本发明预敷钛粉氮电弧熔覆处理方法，在钢基体表面制备厚度为1-2mm的TiN增强铁基复合材料表面层。TiN增强相为“原位”生长，与钢基体为冶金结合，呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀，可以明显提高钢基体的表面硬度和耐磨性。
Description
技术领域：
本发明公开一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法，属于金属表面材料制备及表面加工技术领域。
背景技术：
金属基复合材料(MMCS)具有高比强度、高比模量、耐磨、耐高温等性能，特别是颗粒增强金属基复合材料具有成本低，制备工艺相对简单，后续加工方便等优点，应用前景更为广泛。颗粒增强金属基复合材料主要以Al、Cu、Ni、Ti、Fe为基体材料，常用的增强颗粒为碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物或其复相体系。颗粒增强铁基表面复合材料主要有WC、TiC和VC增强铁基耐磨复合材料，Cr3C2增强铁基耐热复合材料等。可以采用铸造烧结法，激光涂覆法和燃烧合成法制备内生颗粒增强铁基表面复合材料。
铸造烧结法是将一定配比的合金粉末压坯贴在铸型表面，利用浇注过程中金属熔液的热量引发压坯高温化学反应，生成大量陶瓷颗粒，同时完成烧结致密化，获得在铸件表面烧结而成的表面复合材料。利用铸造烧结法，可以在钢铸件上形成3～4mm厚的VC增强Fe基表面复合材料，基体组织为马氏体，铸态硬度为57HRC。(复合材料学报/2002，17(1)//71-75)
通过激光熔覆，可以在中碳钢基体上制备原位析出ZrC、TiC、WC复合碳化物颗粒增强的铁基表面复合材料，(应用激光/2002，22(2)//109-112)在45钢表面制备出原位合成TiB2陶瓷颗粒增强的Ni基复合材料涂层，涂层是由粘结金属Ni基体和弥散分布于其中原位合成的稳定和亚稳定硬质颗粒增强相组成。(材料热处理学报/2005，26(1)//70-73)。
燃烧合成法利用外部能量诱发高放热化学反应体系燃烧，体系在自身释放热量的支持下，形成以一定速度蔓延的固态燃烧波，使原始混合物反应形成所需产物，燃烧波蔓延至整个反应体系后反应结束。反应温度高是燃烧合成技术的特征，借助不同的反应体系，可在铁基材料表面原位合成各种增强相，从而制备出铁基表面复合材料。李文戈等利用燃烧合成技术在普通钢管内壁原位制备了2～3mm厚的Al2O3陶瓷涂层，涂层耐磨性极佳，在生产实践中得到了很好的应用。(石油化工设备/2003，32(6)//7-9)也可在A3碳钢表面原位合成增强相为Cr3C2和AlN的复相陶瓷涂层，涂层与基体之间为冶金结合，在干摩擦条件下，耐磨性约为碳钢基体的三倍。(中国有色金属学报/2003，13(4)//968-973.)
此外，宋思利等人采用氩弧熔敷法，通过在Fe基自熔合金粉末中添加一定比率的石墨和强碳化物形成元素Ti，在中碳钢基体上制备出原位形成的TiC颗粒增强Fe基复合材料涂层。(焊接学报/2006，27(2)//39-42)
除了上述采用各种碳化物、氧化物作为增强相的铁基复合材料表面层以外，还经常用TiN作为增强相，采用气体渗氮、等离子渗氮、离子注入、物理气相沉积(PVD)及化学气相沉积(CVD)、激光气体氮化等技术，制备TiN涂层或TiN增强表面复合材料。例如，利用激光在Ti6Al4V合金表面原位制备TiN枝晶增强梯度金属基复合材料表面层，表面层沿激光熔化深度具有明显的梯度结构，与Ti6Al4V基体之间为良好的冶金结合，显著提高了表面硬度及耐磨性。(功能材料/2004，35(6)//771-773)
用等离子复合渗镀合成氮化钛的方法可以在Q235钢表面制备Ti基TiN颗粒复合材料表面层。首先，利用辉光放电溅射将针状钛丝的钛元素以离子、原子的形式溅射出来，在钢试样表面形成钛合金扩散层。然后，在气氛室中及合适温度下，进行渗氮和氮化钛的复合渗镀过程。(材料工程/2007年11期//66-70，75)
但是，铸造烧结法得到的表面层较厚，浪费材料；激光涂覆法制备成本较高；燃烧合成法对反应物有严格要求，必须为高放热化学反应体系；而且这几种方法主要用于制备各种碳化物增强的表面复合材料。氩弧熔敷法也用于制备碳化物增强的表面复合材料，电弧气氛不参加增强相合成反应。气体渗氮、等离子渗氮、离子注入、物理及化学气相沉积等方法制备的氮化层很薄；激光气体氮化方法制备成本较高。
发明内容：
本发明公开一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法，在钢零件表面制备一种氮化钛增强表面层，可使铁基复合材料表面层性能进一步提高，解决钢的耐磨性能差的问题。
本发明公开的一种氮化钛增强铁基复合材料表面层，其特征在于：增强相为氮化钛，氮化钛以“原位生长”形式在钢基体中长大，呈枝晶和颗粒形状，分布均匀，与钢基体为冶金结合。
本发明公开的氮化钛增强铁基复合材料表面层的加工方法，其特征在于：在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，烘干后用氮电弧直接加热，使纯钛粉末与钢基体表面局部熔化，熔池中的Ti与来自电弧气氛的N元素发生氮化反应Ti+N→TiN，原位生成的TiN作为增强相与钢基体组成铁基复合材料。
具体技术解决方案是，在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，采用氮气与氩气作为反应及保护气体，用氩弧焊机获得氮电弧，采用不同的电弧电流及焊枪行走速度，对钢基体表面进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理，以形成与基体结合良好的TiN增强铁基复合材料表面层。
主要工艺步骤如下：
1)对钢基体需处理的部位进行表面清理，如用丙酮等溶剂去油，也可以进行机械清理。
2)在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为200-300目，采用水玻璃溶液为粘接剂，涂敷后压实压平，涂敷厚度为0.5-1.0mm。
3)放置24h后放入烘干箱，加热到150℃保温2h。断电冷却至室温后，准备进行熔覆。
4)把氩弧焊枪固定在自动行走机构上，对工件进行电弧熔覆处理，行走速度为2-5mm/s，电弧电流为140-240A。
5)使用气体混合配比器控制N2与Ar的比例，调节电弧气氛中氮气分压，混合气体的总流量为10L/min。
6)控制每道间的搭接量约为30％，使氮电弧熔覆表面层组织性能均匀，表面平整。
采用本发明方法对钢基体进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为1-2mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状(见图1)，在钢基体中分布均匀，表面硬度达到HV760-840。
本发明相对于现有技术具有的积极效果在于：采用预敷钛粉氮电弧熔覆处理方法，在钢基体表面制备TiN增强铁基复合材料表面层，这种“TiN增强铁基复合材料表面层”与现有的用铸造烧结法、激光涂覆法和燃烧合成法制备的碳化物增强铁基表面复合材料的强化相类型不同，为氮化物。TiN与TiC相比，熔点和硬度差别不大，但具有优良的高温化学稳定性及导热、导电性能，更适用于耐高温、耐磨损领域。而且制备的“TiN增强铁基复合材料表面层”厚度为1-2mm，比各种表面氮化和气相沉积方法制备的氮化层厚度明显增大，可以根据实际工况和使用寿命要求进行设计和控制。预敷钛粉氮电弧熔覆处理方法具有设备简单，氮化处理时间短，成本低等优点。TiN颗粒为“原位”生长，与钢基体为冶金结合。TiN增强铁基复合材料表面层可以明显提高钢基体的表面硬度和耐磨性。
采用预敷钛粉氮电弧熔覆处理方法，在钢基体表面制备厚度为1-2mm的TiN增强铁基复合材料表面层。TiN增强相为“原位”生长，与钢基体为冶金结合，呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀。
附图说明
图1为TiN增强铁基复合材料表面层中TiN增强相的分布及形态金相图；
图2为Q235钢TiN增强铁基复合材料表面层中TiN增强相形态金相图；
图3为Q235钢TiN增强铁基复合材料表面层中熔合区金相图；
图4为20钢TiN增强铁基复合材料表面层中TiN增强相形态金相图；
图5为45钢TiN增强铁基复合材料表面层中TiN增强相形态金相图；
图6为42CrMo钢TiN增强铁基复合材料表面层中TiN增强相形态金相图。
具体实施方式
通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
实施例1：
Q235钢“TiN增强铁基复合材料表面层”
1)对Q235钢基体工作部位用机械方法去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。
2)在基体工作部位表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为300目，采用水玻璃溶液作为粘接剂，涂敷厚度为0.5mm。
3)放置24h后放入烘干箱，或用其他热源加热到150℃保温2h。断电冷却至室温后进行氩弧熔覆。
4)把氩弧焊枪固定在自动行走机构上，或者人工手持焊枪，行走速度约为2mm/s，电弧电流为140-160A，控制搭接量约为30％。使用22MX-1型气体混合配比器控制N2与Ar的比例为1∶1，混合气体的总流量为10L/min。
5)对Q235钢进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为1mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀(见图2)。
6)观察表面层与Q235钢基体的界面区域(即熔合区)，仍然有较多的TiN增强相，为良好的冶金结合(见图3)。
7)将电弧熔覆处理部位进行机械加工至技术要求尺寸，测定其表面硬度平均为HV760。
8)采用销盘式磨损试验机对Q235钢和TiN增强铁基复合材料表面层的试样进行对比试验，表面层比钢基体的耐磨性提高4倍。
实施例2：
20钢“TiN增强铁基复合材料表面层”
1)对20钢基体工作部位用机械方法去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。
2)在基体工作部位表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为300目，采用水玻璃溶液作为粘接剂，涂敷厚度为0.8mm。
3)放置24h后放入烘干箱，或用其他热源加热到150℃保温2h。断电冷却至室温后进行氩弧熔覆。
4)把氩弧焊枪固定在自动行走机构上，或者人工手持焊枪，行走速度约为4mm/s，电弧电流为200-220A，控制搭接量约为30％。使用22MX-1型气体混合配比器控制N2与Ar的比例为1∶1，混合气体的总流量为10L/min。
5)对20钢进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为1.6mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀(见图4)。
6)将电弧熔覆处理部位进行机械加工至技术要求尺寸，测定其表面硬度平均为HV795。
7)采用销盘式磨损试验机对20钢和TiN增强铁基复合材料表面层的试样进行对比试验，表面层比钢基体的耐磨性提高3.4倍。
实施例3：
45钢“TiN增强铁基复合材料表面层”
1)对45钢基体工作部位用机械方法去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。
2)在基体工作部位表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为200目，采用水玻璃溶液作为粘接剂，涂敷厚度为1mm。
3)放置24h后放入烘干箱，或用其他热源加热到150℃保温2h。断电冷却至室温后进行氩弧熔覆。
4)把氩弧焊枪固定在自动行走机构上，或者人工手持焊枪，行走速度约为5mm/s，电弧电流为220-240A，控制搭接量约为30％。使用22MX-1型气体混合配比器控制N2与Ar的比例为1∶1，混合气体的总流量为10L/min。
5)对45钢进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为2mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀(见图5)。
6)将电弧熔覆处理部位进行机械加工至技术要求尺寸，测定其表面硬度平均为HV840。
7)采用销盘式磨损试验机对45钢和TiN增强铁基复合材料表面层的试样进行对比试验，表面层比钢基体的耐磨性提高2.8倍。
实施例4：
42CrMo钢“TiN增强铁基复合材料表面层”
1)对42CrMo钢基体工作部位用机械方法去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。
2)在基体工作部位表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为200目，采用水玻璃溶液作为粘接剂，涂敷厚度为0.6mm。
3)放置24h后放入烘干箱，或用其他热源加热到150℃保温2h。断电冷却至室温后进行氩弧熔覆。
4)把氩弧焊枪固定在自动行走机构上，或者人工手持焊枪，行走速度约为3mm/s，电弧电流为160-180A，控制搭接量约为30％。使用22MX-1型气体混合配比器控制N2与Ar的比例为1∶1，混合气体的总流量为10L/min。
5)对42CrMo钢进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为1.3mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀(见图6)。
6)将电弧熔覆处理部位进行机械加工至技术要求尺寸，测定其表面硬度平均为HV836。
7)采用销盘式磨损试验机对42CrMo钢和TiN增强铁基复合材料表面层的试样进行对比试验，表面层比钢基体的耐磨性提高2.1倍。
Claims (3)
1.一种氮化钛增强铁基复合材料表面层，其特征在于：增强相为氮化钛，氮化钛以“原位生长”形式在钢基体中长大，呈枝晶和颗粒形状，分布均匀，与钢基体为冶金结合。
2.一种氮化钛增强铁基复合材料表面层的加工方法，其特征在于：在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，采用氮气与氩气作为反应及保护气体，用氩弧焊机获得氮电弧，采用不同的电弧电流及焊枪行走速度，对钢基体表面进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理，以形成与基体结合良好的TiN增强铁基复合材料表面层。
3.根据权利要求2所述的加工方法，包括以下主要工艺步骤如下：
1)对钢基体需处理的部位进行表面清理，去除氧化物和油污；
2)在钢基体表面预敷一层纯钛粉末，纯钛粉粒度为200-300目，采用水玻璃溶液为粘接剂，涂敷后压实压平，涂敷厚度为0.5-1.0mm；
3)放置24h后放入烘干箱，加热到150℃保温2h，断电冷却至室温后，准备进行熔覆；
4)用氩弧焊枪对工件进行电弧熔覆处理，行走速度为2-5mm/s，电弧电流为140-240A，控制每道间的搭接量约为30％，使氮电弧熔覆表面层组织性能均匀，表面平整；
5)使用气体混合配比器控制N2与Ar的比例，调节电弧气氛中氮气分压，混合气体的总流量为10L/min；
6)对钢基体进行预敷钛粉氮电弧熔覆处理后，可以获得厚度为1-2mm的TiN增强铁基复合材料表面层，TiN增强相呈枝晶和颗粒状，在钢基体中分布均匀，表面硬度达到HV760-840。
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