CN102691028B

CN102691028B - 覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料

Info

Publication number: CN102691028B
Application number: CN201210203835.8A
Authority: CN
Inventors: 杜晓东; 宋自力; 王金甲; 高振
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102691028A

Abstract

本发明公开了一种覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料及其制备方法，其中覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料是在钢基材的表面覆有预涂覆SiC-Fe基合金层；所述钢基材为含碳量0.2-0.7wt%的碳素钢或合金钢；预涂覆SiC-Fe基合金层的原料为预涂覆SiC粉和铁基自溶性合金粉；预涂覆SiC粉为表面覆有反应阻挡层的SiC粉，其中反应阻挡层的质量为预涂覆SiC粉质量的5-40%。本发明预涂覆SiC-Fe基合金复合涂层具备界面反应小，组织中SiC增强颗粒损伤小，硬度高，耐磨性好，成本低，性价比高等优良性能，可以明显提高基材钢的表面性能。

Description

覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料

一、技术领域

本发明涉及一种覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料及其制备方法。

二、背景技术

颗粒增强金属基复合材料不仅具有金属塑性好的特点，而且同时具有陶瓷颗粒硬度高、耐磨性好的优点，从而显示出单一金属或陶瓷颗粒所不可比拟的优异性能。通过表面工程技术，如热喷涂、等离子堆焊、激光熔覆等在工件表面制备一层具有高耐磨性要求的颗粒增强金属基复合涂层，可以明显提高其使用性能、延长其服役寿命。国内外也有采用表面涂敷合金或复合材料的方法，但涂敷的复合材料通常是WC-钢复合材料、TiC-钢复合材料、硬质合金等价格昂贵的复合材料。除了具有成本高的缺点之外，还有一些其他不足，如WC-钢复合材料中的WC易溶解于基体中，增加基体含碳量并形成鱼骨状碳化物和桥接相，使熔覆层脆性明显增加、性能下降；TiC与钢基体的润湿性较差，界面结合较弱且易偏聚，使用过程中易脱落；硬质合金中粘接相少，复合材料涂层脆性很大，且其以Co作为粘接相，与钢基体相比不可热处理，无法通过热处理调节其涂层性能以达到更好地与基底材料配合的效果。

SiC作为一种价格低廉，性能优异的增强颗粒，已经很好适用于对轻金属合金基体的增强，如Al，Ti，Mg。表面工程领域，已经通过激光熔射等方法实现了SiC增强轻金属合金基体涂层的研制，在增强轻金属的耐磨性上起到了很大作用。但SiC与铁族金属由于反应活性很大，如果不能采取合理措施控制SiC与铁族金属间的界面反应，则难以复合。

三、发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种硬度高、耐磨、耐蚀、成本低的覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料及其制备方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料，其特征在于：在钢基材的表面覆有预涂覆SiC-Fe基合金层；所述钢基材为含碳量0.2-0.7wt%的碳素钢或合金钢；

所述预涂覆SiC-Fe基合金层的原料为预涂覆SiC粉和铁基自溶性合金粉；

所述预涂覆SiC粉为表面覆有反应阻挡层的SiC粉，其中反应阻挡层的质量为预涂覆SiC粉质量的5-40%；所述反应阻挡层是SiC粉与Ti粉混合后于真空度10^-2-10^-3MPa、1000-1200℃下煅烧1-3h得到的反应阻挡层；

所述铁基自溶性合金粉为C，Cr，B，Si，Fe，其它金属和非金属元素；

所述其它金属和非金属元素为包括Ti、Ni、Nb、V、Zr、RE、N、H、O、Al、Cu、W、Co、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Y、Sn、Pb、Ba中的一种或多种；

所述预涂覆SiC-Fe基合金层的原料按质量百分比构成为：预涂覆SiC粉5-30%，C0.1-0.6%，Cr 9.0-17.1%，B 0.5-3%，Si 0-2%，其他金属和非金属元素0-3.0%，余量为Fe。

所述预涂覆SiC粉的粒径为106-150μm；

所述铁基自溶性合金粉的粒径为45-109μm。

所述预涂覆SiC粉是按以下方法制备得到的：

将SiC粉与Ti粉混合，在真空度10^-2-10^-3MPa、1000-1200℃下煅烧1-3h，因Ti粉粒径较小，之后通过过筛将SiC粉与多余的Ti粉分离，得到表面覆有反应阻挡层的SiC粉。

本发明覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料的制备方法，其特征在于：

将预涂覆SiC粉和铁基自溶性合金粉经两个送粉器分别同时送粉，经等离子喷焊涂敷于钢基材表面，形成复合熔覆层，使其与钢基材结合。

等离子喷焊的工艺参数设置如下：

电流120-140A，行走速度80-100mm/min，摆动频率20-25min^-1，摆动宽度18-22mm，铁基自溶性合金粉送粉速度25-35g/min，预涂覆SiC粉送粉速度7-10g/min，等离子气体Ar3-7L/min，送粉气体Ar 3-7L/min，保护气体Ar 10-15L/min。

诸多工件工作时受到强烈的摩擦磨损，要求其表面必须有高的耐磨性。SiC是一种廉价的硬质相，维氏硬度33400MPa，SiC颗粒分散分布于钢基体中，钢基体起到粘结SiC颗粒和支撑的作用，SiC颗粒起到强化、硬化和抗磨的作用，该类复合材料具有较高的耐磨性。在SiC-钢复合材料的烧结法制备过程中，由于SiC与钢在熔化温度下长时间反应，SiC与钢之间的界面上生成较厚的反应层，使结合面脆化，性能差。本发明SiC经过涂覆，表面反应层与钢之间的界面反应小，既能保护SiC，又使界面层厚度适宜，结合牢固，复合涂层性能较好。

本发明制造工件表面覆层分为两步：首先将Ti粉与SiC粉煅烧，生成TiC、Ti₅Si₃等包裹于SiC颗粒表面，该层置于Fe-SiC界面间，在后续的制备过程中充当反应障碍层，能起到保护SiC的作用，防止颗粒过度损伤和完全分解。等离子喷焊的方法具有熔化速度快，高温停留时间短，界面反应较少，且气氛保护可防止氧化、脱碳、夹杂等缺陷产生的优点，且设备相对便宜，因此选此方法制备复合涂层。

表面熔敷的复合材料的性能也取决于复合材料中作为粘结相的钢的成分。本发明所制备的表面熔敷的复合材料中作为粘结相的钢中加入了适当的合金元素，具体分析如下：

C的含量在0.20-0.60wt%（重量百分比，下同）之间，可保证钢基体相有好的强度、韧性的配合，使其可以支撑SiC粒子和保证复合材料韧性；13%及以上的Cr可以提高钢的耐蚀性、耐热性、强度，能较明显提高钢的冲击韧性，可提高钢的抗氧化性；B，Si降低合金熔点和熔池表面张力、提高熔池流动性、改善熔池润湿性，提高涂层表面成型性，还能起到脱氧造渣的作用；Mo、Ti、V可细化晶粒，Ni能大大提高钢的淬透性和耐蚀性，Mn能提高合金硬度，RE可净化、细化晶粒，改善SiC与钢的界面结合。

相对于国内外使用的整体耐磨工件，本发明由于将SiC复合材料熔敷于碳素钢或低合金钢基材表面，钢基材合金元素少，成本低，熔敷层较薄，且SiC和Fe基合金价廉，所以，制成的金属表面颗粒增强复合熔覆层成本低，性价比高。相对于金属表面颗粒增强Fe基合金复合熔覆层中性能较好的WC-Ni基合金复合熔覆层，本发明由于采用SiC作为硬质相、Fe基合金作为基体，成本明显降低。相对于基体仅含有不足3.0%的Cr、未加入少量B的SiC复合熔覆层，本发明由于采用含有9.0～17.1%的Cr（折合成熔覆层中SiC外的基体中Cr重量百分含量为13～18%）、0.5～3%的B的基体，具有高的耐蚀性、耐热性和表面成形性的优点。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明复合材料中以SiC颗粒为硬质相颗粒组成SiC-钢复合材料涂层，SiC具有强化、硬化、提高耐磨性的作用，钢基体具有粘接硬质相颗粒，保证材料的韧性、强度、可热处理性和可加工性的作用。与已有技术中WC-钢复合材料、TiC-钢复合材料等表面熔敷材料相比，具有成本低廉、原材料丰富、节约贵重金属的特点。

2.本发明复合材料制备中，为解决SiC-Fe合金之间反应活性大的问题，采用Ti粉对SiC进行涂覆处理，在SiC表面形成致密的由化合物组成的反应障碍层，对SiC保护效果好，可完全阻止与Fe基体界面反应，复合熔覆层组织中SiC能保存完好。而现有技术未能解决SiC与Fe的反应分解，进而尺寸缩小或消失，并改变基体合金成分的问题。

3、本发明复合材料采用热喷涂或热喷焊或激光熔敷等表面涂敷方法涂敷于基材表面，使其与基材结合，工艺简单、成本低。

四、具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述。

表1实施例1-7中预涂覆SiC-Fe基合金层的原料按质量百分比构成如下：

本发明实施例中钢基材为含碳量0.2-0.7wt%的碳素钢，SiC粉的粒径为106-150μm，Ti粉的粒径为38-48μm，铁基自溶性合金粉的粒径为45-109μm。

实施例1：

本实施例配料见表1。

1、预涂覆SiC粉的制备

将SiC与Ti粉（纯度99%以上）均匀混合，装入密封的石英试管中，抽真空至10^-3Pa，然后将试管置于电阻炉中加热至1100℃保温2h，之后采用200目标准筛将SiC与Ti粉分离，得到预涂覆SiC粉。反应阻挡层质量占预涂覆SiC粉质量的20～25%。

2、等离子喷焊

将铁基自溶性合金粉和预涂覆SiC粉分别送粉经等离子喷焊的方法涂敷于钢基材表面，形成复合熔覆层，使其与钢基材结合。

堆焊工艺参数如下：电流130A，行走速度90mm/min，摆动频率22min^-1，摆动宽度20mm，铁基自溶性合金粉送粉速度30g/min，预涂覆SiC粉送粉速度7g/min，等离子气体Ar 5L/min，送粉气体Ar 5L/min，保护气体Ar 13L/min。

实施例2：

本实施例配料见表1。

1、预涂覆SiC粉的制备

2、等离子喷焊

堆焊工艺参数如下：电流130A，行走速度90mm/min，摆动频率22min^-1，摆动宽度20mm，铁基自溶性合金粉送粉速度30g/min，预涂覆SiC粉送粉速度10g/min，等离子气体Ar 5L/min，送粉气体Ar 5L/min，保护气体Ar 13L/min。

实施例3：

本实施例配料见表1。

本实施例制备方法同实施例2。反应阻挡层质量占预涂覆SiC粉质量的20～25%。

实施例4：

本实施例配料见表1。

实施例5：

本实施例配料见表1。

实施例6：

本实施例配料见表1。

实施例7：

本实施例配料见表1。

实施例1中SiC在复合材料中起到增强作用，可提高合金耐磨性。由于相对含量少，耐磨性提高幅度有限。但由于基体的连续性好，复合材料韧性优良，在承受接触应力时，不易发生脆性剥落。Cr的重量百分含量为12.5%（折合成熔覆层中除SiC外的基体Cr重量百分含量为13.0%），可以保证熔覆层合金具有好的耐蚀性和抗氧化性。其表面硬度可达550HV_0.1，MM200磨损试验机（油润滑，200r/min，对磨环硬度67HRC）条件下测得的1小时体积磨损量1.86mm³。

实施例2中SiC量较第一组增加一倍，硬质颗粒对复合材料的增强作用明显提高，抗磨能力较之第一组好。加入一定量Si等元素，可提高复合材料的耐热性，同时C量略有降低，可提高复合材料的韧性，结果将导致复合材料抗热疲劳性能的提高；Mo有强化作用，Ti、V有细化晶粒、提高强度和塑韧性的作用；RE可净化、细化组织。在某些表面熔覆工件工作时，工件表面会反复受到加热、激冷的作用，热疲劳剥落和断裂是其主要失效形式之一，而上述成分的复合材料可具有较好的抗热疲劳剥落和断裂的能力。其表面硬度可达650HV_0.1，上述条件下测得的1小时体积磨损量1.58mm³。

实施例3中SiC量较第二组进一步增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用提高，抗磨能力较之第二组好。由于加入的Cr、Mo等元素比第二组多（折合成熔覆层中除SiC外的基体Cr重量百分含量为15%），可提高复合材料的耐热性及抗热疲劳剥落和断裂的能力。Ti、V量减为0，可降低成本，但细化晶粒、提高强度效果下降。但由于Mn量也减为0，复合材料晶粒粗化倾向降低，不致过于粗化。增加0.1％含碳量，可增加复合材料的硬度。上述复合材料具有较好的耐磨性、抗热疲劳性，成本较第二组低。B含量增加，其熔覆层表面成形性提高，表面质量提高。其表面硬度可达698HV_0.1，上述条件下测得的1小时体积磨损量1.09mm³。

实施例4中SiC量较第三组进一步增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用提高，抗磨能力较之第三组好。Cr重量百分含量为11.3%，折合成熔覆层中SiC外的基体中Cr重量百分含量为15%，与第三组相同）。由于复合材料中作为粘结相的钢百分比下降，复合材料的韧性会下降，脆性会增加，加入Ni有提高韧性的作用。其表面硬度可达787HV_0.1，MM200磨损试验机（油润滑，200r/min，对磨环硬度67HRC）条件下测得的1小时体积磨损量0.70mm³。

实施例5中SiC量较第四组明显增加，Cr重量百分含量为9.0%，折合成熔覆层中SiC外的基体中Cr重量百分含量为15%，与第三组相同），复合材料的硬度、耐磨性很高，其表面硬度可达985HV_0.1，上述条件下测得的1小时体积磨损量0.35mm³，但合金元素量大，成本高。大量合金元素存在可明显提高复合材料中作为粘结相的钢的韧性、耐热性、抗热疲劳性，可改善复合材料由于钢的比例下降而牺牲的韧性和抗疲劳性。

实施例6中C量较第五组略有增加，对提高硬度和耐磨性有利，Cr重量百分含量为17.1%，折合成熔覆层中SiC外的基体中Cr重量百分含量为28.5%，Cr含量较第五组明显增加，对熔覆层的耐蚀性、耐热性、硬度提高有利。其表面硬度可达1055HV_0.1，上述条件下测得的1小时体积磨损量0.28mm³。

实施例7中C量较第五组有明显降低，对提高表面复合材料韧性有利，可降低表面裂纹产生的可能性，同时合金元素含量明显降低，可降低合金成本，但硬度有所降低。其表面硬度可达954HV_0.1，上述条件下测得的1小时体积磨损量0.83mm³。

本发明的SiC-Fe基合金复合材料用于斜盘式轴向柱塞泵柱塞与其他材质的斜盘式轴向柱塞泵柱塞相比有较高的耐磨性和寿命。使用中无断裂，当转速1000r/min时，熔覆柱塞的寿命约为38CrMoAl钢渗N的3.1倍。成本与38CrMoAl钢渗N柱塞基本相同，比硬质合金柱塞降低40%。

Claims

1.覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料，其特征在于：在钢基材的表面覆有预涂覆SiC-Fe基合金层；所述钢基材为含碳量0.2-0.7wt%的碳素钢或合金钢；

所述预涂覆SiC-Fe基合金层的原料按质量百分比构成为：预涂覆SiC粉5-30%，C 0.1-0.6%，Cr 9.0-17.1%，B 0.5-3%，Si 0-2%，其他金属和非金属元素 0-3.0%，余量为Fe；

所述预涂覆SiC粉的粒径为106-150μm；

所述铁基自溶性合金粉的粒径为45-109μm；

所述预涂覆SiC粉是按以下方法制备得到的：

将SiC粉与Ti粉混合，在真空度10^-2-10^-3MPa、1000-1200℃下煅烧1-3h，之后通过过筛将SiC粉与多余的Ti粉分离，得到表面覆有反应阻挡层的SiC粉；

所述覆有预涂覆SiC-Fe基合金层的复合材料是将预涂覆SiC粉和铁基自溶性合金粉经两个送粉器分别同时送粉，经等离子喷焊涂敷于钢基材表面后得到；其中等离子喷焊的工艺参数设置如下：电流120-140A，行走速度80-100mm/min，摆动频率20-25min^-1，摆动宽度18-22mm，铁基自溶性合金粉送粉速度25-35g/min，预涂覆SiC粉送粉速度7-10g/min，等离子气体Ar 3-7L/min，送粉气体Ar 3-7L/min，保护气体Ar 10-15L/min。