CN102274951A - 一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。采用真空消失模铸造工艺，将Ti粉、石墨粉、WC粉和金属粉末混合，加入粘结剂制成粉末涂料膏剂，涂覆在EPS泡沫塑料模型表面或填充在模型的孔或槽内，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，发生Ti+C→TiC反应，形成TiC基硬质合金相，得到表面或局部原位合成碳化钛基硬质合金涂层的铸件。本发明的优点在于：铸件的表面质量好，硬面涂层与铸件结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性、耐磨合金层不脱落，并且工艺简单，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，提供了一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法。
背景技术
磨损是零件失效的主要形式之一，造成设备运转效率降低、工件更换或维护频繁、能源消耗增加，造成巨大经济损失，目前提高零件耐磨性的方法主要为表面改性和涂层技术，其中涂层技术可用极少量的材料起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，极大降低了产品成本。
TiC莫氏硬度9.5，是所有已知碳化物中硬度最高的，在机械、化工和微电子等高技术领域有着广泛的应用。TiC基硬质合金涂层由于其具有的高硬度、高耐磨性，在耐磨涂层领域已显现出优异的应用潜力。
自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis,缩写SHS)是利用化学反应自身放热制备材料的新技术，其最显著的特点是充分利用元素间形成化合物的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来支持。自蔓延合成TiC具有工艺简单、生产效率高等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，提高铸件的耐磨性。
本发明提供了一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：
(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金属粉末按质量比13-70%∶3-25%∶0-30%∶2.5-80%进行配料，在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末；
(2)在混合粉末中加入粘结剂,粘结剂与混合粉末的质量比为1:10-1:100,搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
(3)将粉末膏剂涂覆在铸件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型预先加工好的孔或槽内。
(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40-50oC温度范围内烘干，烘干时间为5-18小时；
(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应：Ti+C→TiC，形成TiC基硬质合金相；
(6)铸件进行热处理或铸造余热水韧处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得表面原位合成TiC基硬质合金涂层的铸件。
优选的是，铸造工艺为真空消失模铸造。
优选的是，熔炼钢水为高锰钢、普碳钢或合金钢。
优选的是，金属粉末组份质量比为：Ni：0-60%，Cr：0-30%，Si：0-11%，B：0-8%，Co：0-60%，其余为Fe；进一步优选，金属粉末组份质量比为：Ni：0-60%，Cr：5-30%，Si：5-11%，B：3-8%，Co：0-60%，其余为Fe。
优选的是，Ti粉粒度：1-20μm、石墨粉粒度：1-20μm、WC粉粒度：1-8μm、金属粉末粒度：1-180μm。
优选的是，粘结剂为浓度10%wt的橡胶汽油溶液、浓度10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液，或浓度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
优选的是，合金涂层厚度为0.5-60mm，进一步优选合金涂层厚度为5-7mm。铸件局部孔或槽硬质合金涂层厚度为1-100mm，进一步优选铸件局部孔或槽硬质合金涂层厚度为3-40mm。
优选的是，合金涂层包括基体组织(涂层是由铁合金粉熔融后将碳化钛粘结在一起形成的，基体组织就是铁合金粉熔融后形成的粘结相)及分布其上的TiC颗粒、WC颗粒和合金碳化物组成，其中TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-20%，合金碳化物体积百分数为1-15%,其余为基体组织,合金涂层硬度HRC50-75。
本领域技术人员不难看出，上述各方案的任意组合都构成本发明的一部分。
本发明的优点在于：铸件的表面质量好，涂层与铸件结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性、耐磨合金层不脱落，并且工艺简单，适于工业化生产。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：称取平均粒度为15μm的Ti粉3.5kg，10μm的石墨粉0.8kg，3-4.5μm的WC粉0.5 kg和20μm的金属粉末(Ni：60%wt，Cr：5% wt，Si：5% wt，B：3% wt，其余为Fe)1.2kg，在球磨机中混合4个小时；
步骤2：在混合粉末中加入300g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
步骤3：将粉末涂料膏剂涂覆在铸件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在铸件磨损工作表面上，涂覆厚度为5mm；
步骤4：外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料，在45oC干燥8小时；
步骤5：组装浇注装置，熔炼Mn13高锰钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1470 oC，真空度为0.06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6：铸件冷却到1100 oC时，落砂翻出铸件，立即淬入水温为20oC的水箱中，进行铸件余热水韧化处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的高锰钢铸件，硬质合金涂层与Mn13高锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，合金涂层厚度为5.3mm,硬度HRC63。
实施例2：
步骤1：称取平均粒度为15μm的Ti粉5.0kg，10μm的石墨粉1.2kg，3-4.5μm的WC粉0.6 kg和20μm的金属粉末1.2kg (Ni：60% wt，Cr：5% wt，Si：5% wt，B：3% wt，其余为Fe)，在球磨机中混合8个小时；
步骤2：在混合粉末中加入600g橡胶汽油(浓度10%wt)溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
步骤3：将粉末涂料膏剂涂覆在铸件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在铸件磨损工作表面上，涂覆厚度为56mm；
步骤4：外挂约2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40oC干燥12小时；
步骤5：组装浇注装置，熔炼45#钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1560 oC，真空度为0.06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6：铸件冷却到500 oC时，落砂翻出铸件，埋在石英砂中进行缓冷热处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的45#钢铸件，硬质合金涂层与45#钢基体呈冶金结合，表面质量好，合金涂层厚度为57.5mm,硬度HRC65。
实施例3：
步骤1：称取平均粒度为15μm的Ti粉0.35kg，10μm的石墨粉0.08kg，3-4.5μm的WC粉0.05 kg和20μm的金属粉末(Ni：60%wt，Cr：5% wt，Si：5% wt，B：3% wt，其余为Fe)0.12kg，在球磨机中混合4个小时；
步骤2：在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
步骤3：将粉末涂料膏剂填充在EPS泡沫塑料模型预先加工好的孔中，圆孔直径为Φ10mm，填充深度为35mm；
步骤4：外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料，在45oC干燥8小时；
步骤5：组装浇注装置，熔炼Mn13高锰钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1470 oC，真空度为0.06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6：铸件冷却到1100 oC时，落砂翻出铸件，立即淬入水温为20oC的水箱中，进行铸件余热水韧化处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的高锰钢铸件，硬质合金涂层与Mn13高锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，硬质合金涂层圆棒直径为Φ10mm，厚度为33mm,硬度HRC61.2。
实施例4：
步骤1：称取平均粒度为15μm的Ti粉25.0kg，10μm的石墨粉6.0kg，3-4.5μm的WC粉3.0 kg和20μm的金属粉末6.0kg (Ni：60% wt，Cr：5% wt，Si：5% wt，B：3% wt，其余为Fe)，在球磨机中混合15个小时；
步骤2：在混合粉末中加入3.0kg橡胶汽油(浓度10%wt)溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
步骤3：将粉末涂料膏剂填充在EPS泡沫塑料模型上预先加工好的槽内，槽宽度为10mm，涂覆深度为25mm；
步骤4：外挂约2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40oC干燥12小时；
步骤5：组装浇注装置，熔炼45#钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1560 oC，真空度为0.06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6：铸件冷却到500 oC时，落砂翻出铸件，埋在石英砂中进行缓冷热处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的45#钢铸件，硬质合金涂层与45#钢基体呈冶金结合，表面质量好，硬质合金涂层槽宽度为10mm，厚度为24.5mm,硬度HRC71.3。
Claims (10)
1.一种铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，采用Ti粉、石墨粉、WC粉和金属粉末作为合成材料，其特征在于采用如下步骤：
(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金属粉末按质量比13-70%∶3-25%∶0-30%∶2.5-80%进行配料，在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末；
(2)在混合粉末中加入粘结剂,粘结剂与混合粉末的质量比为1:10-1:100,搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
(3)将粉末膏剂涂覆在铸件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型预先加工好的孔或槽内；
(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40-50??C温度范围内烘干，烘干时间为5-18小时；
(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应：Ti+C→TiC，形成TiC基硬质合金相；
(6)铸件进行热处理或铸造余热水韧处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得表面或局部原位合成TiC基硬质合金涂层的铸件。
2.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：铸造工艺为真空消失模铸造。
3.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：熔炼钢水为高锰钢、普碳钢或合金钢。
4.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：金属粉末组份质量比为：Ni：0-60%，Cr：0-30%，Si：0-11%，B：0-8%，Co：0-60%，其余为Fe。
5.根据权利要求4所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：金属粉末组份质量比为：Ni：0-60%，Cr：5-30%，Si：5-11%，B：3-8%，Co：0-60%，其余为Fe。
6.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：Ti粉粒度：1-20μm、石墨粉粒度：1-20μm、WC粉粒度：1-8μm、金属粉末粒度：1-180μm。
7.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：粘结剂为浓度10%wt的橡胶汽油溶液、浓度10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液，或浓度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：铸件表面的合金涂层厚度为0.5-60mm, 局部孔或槽的合金涂层的厚度为1-100mm。
9.根据权利要求8所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：铸件表面的合金涂层厚度为5-7mm，局部孔或槽的合金涂层的厚度为3-40mm。
10.根据权利要求1所述的铸件表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的方法，其特征在于：合金涂层包括基体组织及分布其上的TiC颗粒、WC颗粒和合金碳化物组成，其中TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-20%，合金碳化物体积百分数为1-15%,其余为基体组织,合金涂层硬度HRC50-75。
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