CN102899662B

CN102899662B - 一种(Cr,Fe)7C3柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法

Info

Publication number: CN102899662B
Application number: CN201210354702.0A
Authority: CN
Inventors: 袁有录; 曾大新; 赵红利; 李怀军; 刘建永
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2012-09-23
Filing date: 2012-09-23
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-09-23
Also published as: CN102899662A

Abstract

本发明提供了一种(Cr,Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法。其步骤为：首先，将Fe基合金粉末与Cr₃C₂粉末分别装入独立送粉装置；然后，根据设计送粉量经Y形管混粉后进入等离子弧中对零部件表面进行熔覆制备涂层，涂层的宽度和厚度通过熔覆速度和摆动宽度进行控制；最后，制备好的涂层在空气中自由冷却。本发明中制备的(Cr,Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基涂层过程简单，增强相为原位生成，与基体结合力较大，柱状碳化物的抗脱落性较高，涂层抗磨损性能好，且设备投资小，自动化程度高，可实现复杂曲面上耐磨涂层制备。

Description

一种(Cr,Fe)7C3柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨涂层领域，特别是一种 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法。

背景技术

在航空、航天、机车、汽车、地质勘探等工业中，大量零部件处在摩擦磨损条件下。因此，要求这些存在摩擦副的零部件之间具有较好的耐磨性能。为了提高金属的耐磨性，通常采用表面技术来获得耐磨涂层。涂层材料多为复合材料，其增强相常选用硬度和耐磨性较高的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物的颗粒状或纤维状材料。(Cr, Fe)₇C₃碳化物一直作为一种增强相出现在铸造合金中，并没有通过其他如等离子熔覆方法制备出较薄的耐磨涂层材料用于表面技术。若能把该柱状碳化物用于耐磨零部件表面，可充分发挥其高硬度、高耐磨性的特点，可避免如颗粒增强相磨损时容易脱落的缺点，具有十分重要的创新价值和工程应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种 (Cr, Fe)₇C₃增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其抗磨相选择 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物，该碳化物具有较高的硬度（显微硬度HV_0.2=1250～1840）和较高的韧性，通过原位生成的 (Cr, Fe)₇C₃与基体之间结合力大，且为柱体形状，可有效避免摩擦磨损时增强相的脱落。

本发明的技术构思：本发明采用等离子熔覆法来制备柱状碳化物增强涂层。由于Cr₃C₂自由能较高，在Fe基金属熔池中会发生脱碳，向自由能较低稳定性较高的(Cr, Fe)₇C₃转变，获得(Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层在理论上是可行的。

本发明的技术方案为：

一种 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其特征在于：是采用等离子熔覆法在表面预处理过的金属基体上制备出 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物为主体的耐磨涂层，具体步骤为：

（1）、对基体进行机械加工，并清洗表面的油脂；若基体为失效零部件再制造时，则需对基体表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理，并清洗表面的油脂；将预处理好的的基体放入等离子熔覆工件台，夹紧固定；

（2）、熔覆材料选择粒度为30~120μm的Cr₃C₂粉末与粒度为80~200μm的Fe基合金粉末；

（3）、等离子熔覆：

采用同轴送粉工艺：同时送Cr₃C₂粉末及Fe基合金粉末经Y形管进入等离子弧中熔覆，在零部件上制备涂层；

或异轴送粉工艺：先送Fe基合金粉末进入等离子弧中熔覆，再通过另外管道把Cr₃C₂粉末直接送入熔池，在零部件上制备涂层；

氩气等离子熔覆工艺的技术参数为：转弧电流为：80-120A；电压为：40-55V；Fe基合金粉末送粉速度为：10-25g/min；Cr₃C₂送粉速度为：2-10g/min；等离子氩气流量为：3-6L/min；送粉氩气流量为：1.5-3L/min；保护氩气流量为：4-9L/min；熔覆枪纵向移动速度为：50-80mm/min；熔覆枪摆动速度为：350-750mm/min，摆动幅度为：5-15mm；涂层制备后在空气中自由冷却。

在上述制备方法中，所述基体的材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。

在上述制备方法中，在步骤（3）中采用同轴送粉工艺时， Cr₃C₂粉末和Fe基合金粉末经Y形管流动搅拌混合，混合粉末中Cr₃C₂的体积含量应不大于50%。

在上述制备方法中，所述步骤（3）中若Cr₃C₂粉末烧损严重时采用异轴送粉工艺。

在上述制备方法中，所述步骤（2）中Fe基合金粉末的组份按重量百分比为：C为1~4%；Cr为5.0~50%，Si为2.0~5.0%，B为1.0~4.0%；Ni为10~35%，Fe为余量。

本发明的优点是：

（1）该方法所制备的(Cr, Fe)₇C₃增强Fe基涂层中增强相为柱状碳化物，原位生成的柱状碳化物与基体结合力较大, 可解决磨损中增强相脱落的问题；

（2）生成(Cr, Fe)₇C₃所需的原料较便宜，制备所用的等离子熔覆设备简单、移动灵活、不受室里室外限制；

（3）对基体材料的形状尺寸适应性强，可在规则、非规则平面、大于一定尺寸的内腔零部件表面等制备涂层，且涂层宽度较大。

综述，有益效果为：本发明采用等离子熔覆法来制备柱状碳化物增强涂层，该方法易于实现自动化，并以等离子弧作为高温热源，可将合金粉末与基体材料迅速加热熔化，形成强度高的冶金结合界面。与喷涂法相比，涂层的孔隙率极低。另外，(Cr, Fe)₇C₃经原位合成，增强相与基体之间的结合力大，避免了外加增强相与基体之间容易脱落的缺点，柱状碳化物(Cr, Fe)₇C₃在涂层中分布较均匀。

附图说明

图1 为本发明涂层磨损试验结果。（Fe基合金粉末送粉量为25g/min，Cr₃C₂分别采用三种不同送粉量（5g/min、15g/min、25g/min）制备的涂层与牌号为T10的碳素工具钢对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）在150N压力下滑动3000米后磨损量的对比）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明提出一种采用等离子熔覆工艺在低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁表面制备(Cr, Fe)₇C₃碳化物增强Fe基涂层的方法。该碳化物具有较高的硬度和耐磨性，且(Cr, Fe)₇C₃为原位反应生成，与基体之间结合力大，柱状(Cr, Fe)₇C₃在磨损当中不容易脱落，抗磨损性能较好。采用等离子熔覆工艺，设备投资小，操作简单，自动化程度高，可在各种形状复杂的零部件表面制备耐磨涂层，不仅可用于提高新零部件的耐磨性，也可用于废旧零部件的再制造。

具体实施例：

对基体进行机械加工（做成符合工业使用标准的工具或模具），并清洗表面的油脂；若为基体为失效零部件再制造时，则需对基体表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理，并清洗表面的油脂；将预处理好的的基体放入等离子熔覆工件台，夹紧固定。

然后通过以下三个实施例，来完成基体表面涂层。

实施例1：

将Fe基合金粉末（组分按重量百分比为：C为0.5%，Cr为5.0%，Si为3.1%，B为2.6%，Ni为22%，Fe为余量；Fe基合金粉末的粒度为85~120μm）和Cr₃C₂粉末（粒度为35~65μm）分别装入单独的送粉器中，Fe基合金粉末及Cr₃C₂粉末的送粉速度均为25g/min，在低碳钢Q235表面进行等离子熔覆，熔覆工艺为：电流：95A；电压：42V；移动速度：70mm/min；摆动速度：400mm/min；摆动幅度：10mm；喷嘴距工件高度：10mm，熔覆完毕后，工件在空气中自由冷却至室温。

所得(Cr, Fe)₇C₃增强Fe基耐磨涂层在M-2000磨损试验机上与牌号为T10的碳素工具钢对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为150N，滑动3000米），与基体材料Q235相比，耐磨涂层磨损量仅为其7.3%。如图1所示的第一组，清楚表达了本实施例的涂层与T10钢的磨损量对比，T10钢的磨损量为0.02347g，本实施例的涂层磨损量为0.0077g。

实施例2：

将Fe基合金粉末（C为1.5%，Cr为15%，Si为4.2%，B为3.0%，Ni为15%，Fe为余量，Fe基合金粉末粒度为80~110μm）和Cr₃C₂粉末（粒度为35~65μm）分别装入单独的送粉器中，Fe基合金粉末及Cr₃C₂粉末的送粉速度分别为25g/min和15g/min，在低碳钢Q235表面进行等离子熔覆，熔覆工艺为：电流：95A；电压：42V；移动速度：80mm/min；摆动速度：450mm/min；摆动幅度：12mm；喷嘴距工件高度：10mm，熔覆完毕后，工件在空气中自由冷却至室温。

所得(Cr, Fe)₇C₃增强Fe基耐磨涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为150N，滑动3000米），与基体材料Q235相比，耐磨涂层磨损量仅为其9.4%。如图1所示的第二组，清楚表达了本实施例的涂层与T10钢的磨损量对比，T10钢的磨损量为0.02383g，本实施例的涂层磨损量为0.0058g。

实施例3：

将Fe基合金粉（组分按重量百分比为：C为2.5%，Cr为30%，Si为4.0%，B为3.1%，Ni为18%，Fe为余量，Fe基合金粉末粒度为75~120μm）和Cr₃C₂粉末（粒度为35~65μm）分别装入单独的送粉器中，Fe基合金粉末及Cr₃C₂粉末的送粉速度分别为25g/min和5g/min，在低碳钢Q235表面进行等离子熔覆，熔覆工艺为：电流：100A；电压：41V；移动速度：75mm/min；摆动速度：500mm/min；摆动幅度：12mm；喷嘴距工件高度：10mm，熔覆完毕后，工件在空气中自由冷却至室温。

所得柱状(Cr, Fe)₇C₃增强Fe基耐磨涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为150N，滑动3000米），与基体材料Q235相比，耐磨涂层磨损量仅为其12.5%。如图1所示的第三组，清楚表达了本实施例的涂层与T10钢的磨损量对比，T10钢的磨损量为0.02412g，本实施例的涂层磨损量为0.0045g。

以上内容是结合具体的实施例对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的替换，都应当视为属于本发明由确定的专利保护范围。

在本发明中，所述Cr₃C₂粉末的粒度为30~120μm的Cr₃C₂粉末，小于30μm的Cr₃C₂粉末容易被烧损不利于过渡到熔池，而大于120μm的Cr₃C₂粉末进入熔池后反应不完全。

Claims

1.一种 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其特征在于：是采用等离子熔覆法在表面预处理过的金属基体上制备出 (Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物为主体的耐磨涂层，具体步骤为：

（3）、等离子熔覆：

2.根据权利要求1所述的一种(Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述基体的材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种(Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中Cr₃C₂粉末和Fe基合金粉末经Y形管流动搅拌混合，混合粉末中Cr₃C₂的体积含量应不大于50%。

4.根据权利要求1所述的一种(Cr, Fe)₇C₃柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，其特征在于：当Cr₃C₂粉末烧损严重时，应采用异轴送粉工艺。