CN103382555A - 前驱体碳化等离子熔覆反应合成的wc增强金属基合金涂层及制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于本涂层的制备结合了前驱体碳化复合、等离子熔覆与反应合成技术，其中，混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为10～30%，C为0.5～2%，Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%，Mo为0.5～0.8%，其余为Fe，其中碳由蔗糖前驱体在较低的温度下碳化所得，它包裹在W粉末表面。本涂层厚度2～5mm，单道熔覆层宽度3～12mm，孔隙率低，主要以铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C等相为主，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。本发明不仅改善了涂层中界面污染、生成脆性相等问题，且显著提高了涂层中WC增强相的生成量，涂层具有优异的耐磨损、耐腐蚀性能。

Description

前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层及制备

 

技术领域    

本发明涉及在碳钢表面前驱体碳化等离子熔覆反应合成WC增强金属基合金涂层及制备，属于材料表面强化领域。该技术主要用于制备金属零部件表面耐磨、耐蚀涂层，可应用于矿山机械、工程机械等领域。

背景技术

磨损是材料的三大主要失效形式之一，且随着机械设备向高速方向发展，对材料表面的耐磨性要求也越来越高。在目前应用较为广泛的表面强化耐磨防护技术中，等离子熔覆技术能以较低的成本，获得与基体呈冶金结合的高质量致密涂层。因WC陶瓷具有较高的硬度，耐磨损、耐腐蚀性能都很好，所以在金属零部件表面等离子熔覆制备WC增强金属基合金涂层能大幅延长零部件的使用寿命。

近年来，国内外学者在利用WC增强合金涂层综合性能方面已取得了一定成果，但研究发现，如果向自熔合金粉末中直接添加WC，会因为WC颗粒与基体润湿不良，易存在界面污染、界面反应、脆性相等问题，同时因WC比重大，熔覆过程中易沉积在涂层底部，从而导致熔覆层开裂、脱落。如果向自熔合金粉末中添加陶瓷相形成元素，采用反应合成技术，生成的WC没有暴露于大气中的机会，表面未受到污染，且与基体结合较好。但因W不是强碳化物形成元素，混合粉末中其他元素在熔覆过程中与C的反应会减少WC的生成量，涂层性能增强不显著。这些都限制了WC增强金属基合金涂层的应用与发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层及制备方法，通过结合前驱体碳化、等离子熔覆和反应合成技术，制备出了与钢基体呈冶金结合的WC增强金属基合金涂层，涂层厚度2～5mm，孔隙率低，主要以铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C等相为主，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为10～30%，C为0.5～2%，Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，其余为Fe；本涂层厚度2～5mm，单道熔覆层宽度3～12mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

所述的前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的制备方法，其制备步骤如下：

(1) 按蔗糖质量百分数为18～30%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至200～350℃，保温0.5～1h后继续加热至500～650℃，碳化处理1.5～2.5h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末；

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为10.5%～32%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）混合粉末，采用预涂覆法或同步送粉法，以惰性气体或氮气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流100～150A，熔覆速率100～150mm/min，喷嘴距工件表面5～10mm，获得厚度为2～5mm，单道熔覆层宽度为3～12mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。

本发明有益的效果：W-C复合粉末中的碳是由碳的前驱体在较低的温度下碳化所得，它包裹在W粉末表面，粘结强度高，熔覆过程中不易分离，W与C具有较大的接触面积，在等离子熔覆过程中能充分反应，在合理的工艺条件下能反应生成大量增强相。本涂层与基体呈冶金结合，孔隙率低，主要含铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C等相，截面平均硬度可达1300HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

附图说明

图1：制备的W-C复合粉末的显微形貌；可看出，蔗糖碳化生成的无定形碳包覆在W粉表面，它们的粘结强度高，熔覆过程中不易分离，且W与C具有较大的接触面积，在等离子熔覆过程中能充分反应；

图2：制备的WC增强金属基合金涂层的截面形貌；可清晰得看到基体/涂层界面处形成了宽约10μm的平面晶，说明涂层与基体呈良好的冶金结合。在形成与界面基本垂直的较窄的胞状晶组织后，获得大量鱼骨状树枝晶组织与细小等轴晶组织。整个涂层组织均匀，未出现大颗粒团聚物； 

图3：制备的WC增强金属基合金涂层的X射线衍射图谱；本涂层主要以铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C等相为主；

图4：制备的WC增强金属基合金涂层中WC的显微形貌；根据各区域的能谱分析结果及涂层的X射线衍射图谱推测，熔池中W、C元素在高温下反应生成WC颗粒，弥散分布于熔覆层中，同时处于高温环境的WC颗粒从边缘处开始熔解，随着熔池的冷却，逐渐得到其它组织；

图5：制备的WC增强金属基合金涂层的截面硬度分布图；本熔覆层平均显微硬度高达1300HV_0.1左右，且分布均匀。

具体实施方式

本发明通过如下实施例来实现：

实施例1：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为28%，C为2%，Cr为9%，B为1%，Si为0.8%， Mo为0.5%，其余为Fe；本涂层厚度3.5mm，单道熔覆层宽度7mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度1300HV_0.1，表面硬度69HRC。

实施例2：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为18.8%，C为1.2%，Cr为10%，B为1.2%，Si为1%， Mo为0.6%，其余为Fe；本涂层厚度4.5mm，单道熔覆层宽度10mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度1200HV_0.1，表面硬度67HRC。

实施例3：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为10%，C为1%，Cr为12%，B为1.5%，Si为1.1%， Mo为0.8%，其余为Fe；本涂层厚度4mm，单道熔覆层宽度9mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度1000HV_0.1，表面硬度64HRC。

实施例4： 

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的制备方法，其制备步骤如下：

 (1) 按蔗糖质量百分数为18%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至300℃，保温0.5h后继续加热至550℃，碳化处理2h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末。

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为30%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Fe基合金中Cr为9%，B为1%，Si为0.8%， Mo为0.5%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）的混合粉末，采用预涂覆法，以氩气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流120A，熔覆速率130mm/min，喷嘴距工件表面6mm，获得厚度为3.5mm，单道熔覆层宽度为7mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。

实施例5： 

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的制备方法，其制备步骤如下：

(1) 按蔗糖质量百分数为22%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至350℃，保温0.5h后继续加热至650℃，碳化处理2h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末。

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为20%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Fe基合金中Cr为10%，B为1.2%，Si为1%， Mo为0.6%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）的混合粉末，采用预涂覆法，以氩气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流140A，熔覆速率140mm/min，喷嘴距工件表面8mm，获得厚度为4.5mm，单道熔覆层宽度为10mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。

实施例6：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的制备方法，其制备步骤如下：

 (1) 按蔗糖质量百分数为30%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至350℃，保温0.5h后继续加热至650℃，碳化处理2h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末；

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为10%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Fe基合金中Cr为12%，B为1.5%，Si为1.1%， Mo为0.8%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）的混合粉末，采用同步送粉法，以氮气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流130A，熔覆速率120mm/min，喷嘴距工件表面9mm，获得厚度为4mm，单道熔覆层宽度为9mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。

Claims (2)

1.一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为10～30%，C为0.5～2%，Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，其余为Fe；本涂层厚度2～5mm，单道熔覆层宽度3～12mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

2.一种制备前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的方法，其制备步骤如下：

(1) 按蔗糖质量百分数为18～30%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至200～350℃，保温0.5～1h后继续加热至500～650℃，碳化处理1.5～2.5h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末；

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为10.5%～32%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）混合粉末，采用预涂覆法或同步送粉法，以惰性气体或氮气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流100～150A，熔覆速率100～150mm/min，喷嘴距工件表面5～10mm，获得厚度为2～5mm，单道熔覆层宽度为3～12mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。

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