CN104451664B - 原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了原位自生TiC+WC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,步骤为:首先将W、Ti、C及Fe‑Ni自熔性合金粉末混合均匀后,装入粘结在基板上的耐高温陶瓷套中;然后利用非转移型等离子弧对表层粉末进行预熔,再由非转移型等离子弧对内层粉末和基板进行熔合;最后涂层熔液在耐高温陶瓷套中自然冷却。本发明中制备的增强体为不同尺度碳化物TiC与WC复合增强,与单一碳化物WC增强相比,涂层磨损量降低了23~62%,耐磨性得到较大提高;且原位合成的增强相与基体结合力大,不容易从磨损面脱落。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨涂层领域,特别是原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法。
背景技术
目前,世界有一半以上的总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗。2006年我国因摩擦、磨损而导致的损失约高达9500亿元,而通过改善和降低摩擦磨损可节省3200亿元。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。TiC和WC是两类较重要的碳化物,如:尺寸较小的TiC颗粒(5~15μm)为钛基复合材料的增强相,被用于航空航天领域;尺寸较大的WC(40~60μm)是制造硬质合金的主要原料,被用于切削刀具钻头等,有“工业牙齿”美称。目前这两种增强体多为独立增强,使用中存在一些增强相与基体硬度不匹配等问题。若能把这两种不同尺度的增强相采用原位合成法进行复合增强,则可克服单一尺度增强体使用上的局限性,不同尺度增强体之间可以“取长补短”,对基体增强产生“复合效应”。同时,原位合成的增强相与金属基体之间界面清洁、结合力高,可避免发生增强相磨损时的脱落问题,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原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,由于利用了不同尺度碳化物TiC和WC复合增强,因此可克服目前单一尺度增强体使用上的局限性,不同尺度增强体之间可以“取长补短”,对基体增强产生“复合效应”;另外,通过原位合成的TiC与WC与基体之间润湿性好,结合力大,可有效避免摩擦磨损时增强相脱落。
本发明的技术构思:Ti为强碳化物形成元素,所以Ti+C=TiC反应较易进行。而W为弱碳化物形成元素,因此W+C=WC合成反应所需的动力学时间较长,所以目前采用原位合成方法获得WC的工艺不仅复杂而且设备较专业。本发明采用陶瓷保温套对涂层熔池加以保温,延长了熔池在液态下停留时间,同时利用等离子弧对熔池持续加热一定时间,从而为W+C=WC在熔池中顺利反应提供了所需的动力学时间。
本发明技术方案为:
原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:把耐高温陶瓷套粘结在基板上,在耐高温瓷套中装入合金混合粉末,经等离子束加热熔化后,在金属基板上原位合成出多元碳化物WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层,具体步骤为:
(1)对基板进行机械加工,并用丙酮清洗表面的油脂;若基板为失效零部件再制造时,则需对基板表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面的油脂;将预处理好的的基板放在工件台上,夹紧固定;
(2)合金混合粉末选用的粒度为10~250μm,按比例进行搅拌均匀混合;其中,按质量百分比,W粉为30~70%、Fe-Ni粉为30~70%,Ti粉为0~5%、C(石墨)粉为0~5%;(3)把合金混合粉末装入粘结在基板上的耐高温陶瓷套中,再利用等离子束对合金混合粉末进行加热熔化,经原位反应获得耐磨涂层;等离子束加热时的技术参数为:首先采用非转移型等离子弧对表层粉末进行熔化,其中,非转移型等离子弧,电流为:25~45A、电压为:40~55V、加热时间为4~6秒;然后采用转移型等离子弧对内层粉末进行加热熔化获得涂层,其中,转移型等离子弧,电流为30~50A、电压为40~60V、加热时间为6~8秒;涂层熔池(溶液)在耐高温陶瓷套作用下(处于耐高温陶瓷套中),在空气中自然冷却。
在上述制备方法中,所述基板材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。
在上述制备方法中,合金混合粉末装入耐高温陶瓷套中,避免合金混合粉末被离子气及保护气吹散;且该耐高温陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8~15秒,从而保证原位反应W+C=WC充分进行。
在上述制备方法中,所述步骤(3)预敷粉末装入耐热陶瓷套中,耐热陶瓷材质为氧化铝含量为99.5%的刚玉。
本发明的有益效果:
(1)该方法所生成的增强相为原位合成的多元多尺度碳化物复合生长,可克服单一尺度增强相使用上的局限性,不同尺度增强相之间可以“取长补短”,对基体增强产生“复合效应”;
(2)原位生成的TiC与WC与涂层基体结合力大, 可解决磨损中增强相脱落的问题;
(3)用来合成TiC与WC的原料较便宜,制备所用的等离子束设备简单、移动灵活、不受使用场地限制;
(4)对基板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;
综述,其有益效果为:本发明采用原位合成法来制备多元多尺度碳化物复合增强涂层,从而克服了单一尺度增强相使用上的局限性,不同尺度增强相之间可以“取长补短”,对基体增强产生“复合效应”。通过原位合成法制备的复合涂层,由于增强体是在金属基体内形核长大,因此增强体表面干净无污染,且母相基体和增强体的相溶性好,两者界面结合强度高。与外加法制备复合涂层相比,它省去了繁琐的增强体预处理工序,简化了制备工艺。从而节省时间,成本降低,同时性能得到提高。原位合成的TiC与WC在涂层中分布较均匀。
附图说明
图1为本发明涂层的X射线衍射结果;
图2 为本发明涂层中原位合成的TiC与WC微观组织图;
图3 为本发明涂层在300N压力下滑动500米后的磨损试验结果。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明中,图1为X射线衍射结果,显示涂层中原位合成了TiC与WC两种碳化物;图2为原位自生TiC+WC涂层的组织图,可见WC生长尺度远大于TiC,为两种不同尺度的碳化物复合增强,这两种碳化物具有较高的硬度和耐磨性,且为原位反应生成,与基体之间润湿性好、结合力大,磨损时不容易脱落,抗磨损性能较好;图3为本发明涂层在300N压力下滑动500米后的磨损试验结果,其中,涂层TW0(WC)为单一WC增强涂层(没有TiC),TW1~3(TiC+WC)三个涂层为TiC+WC复合增强涂层(Ti粉比例按0.1%递增),四种涂层TW1~4中原位合成的WC含量相近,可见TiC+WC复合增强涂层的耐磨性均较单一WC增强涂层高,且涂层耐磨性随TiC+WC含量的增加而增加。
具体实施例:
对基板进行机械加工,做成符合使用的工具或模具,并用丙酮清洗表面的油脂;若为失效零部件再制造时,则需对其表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面的油脂;将预处理好基板放入工件台,夹紧固定。
以下通过三个实施例,来完成基板表面原位合成TiC+WC复合增强涂层的制备。
实施例1:
按质量百分比,将38%的W粉(W≥99.8%,粒度40~80μm)、0.2%的Ti粉(Ti≥99.0;Fe≤0.25%;Si≤0.1%;O≤0.65%,粒度40~80μm)、3.18%的C粉(C≥98%,粒度20~40μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干后搅拌均匀,预装入粘结在低碳钢Q235表面的耐高温陶瓷套中,用等离子束进行加热,工艺为:非弧(非转移型等离子弧),电流25~45A、电压40~55V、加热时间4~6秒;转弧(转移型等离子弧),电流30~50A、电压40~60V、加热时间6~8秒,涂层在空气中自然冷却至室温。
所得TiC+WC复合增强铁基涂层在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300N,滑动500米),与相同含量单一WC增强铁基涂层相比,磨损量降低了23%(TW-1(TiC+WC),如图3所示)。
实施例2:
按质量百分比,将38%的W粉(W≥99.8%,粒度40~80μm)、0.3%的Ti粉(Ti≥99.0;Fe≤0.25%;Si≤0.1%;O≤0.65%,粒度40~80μm)、3.18%的C粉(C≥98%,粒度20~40μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干后搅拌均匀,预装入粘结在低碳钢Q235表面的耐高温陶瓷套中,用等离子束进行加热,工艺为:非弧(非转移型等离子弧),电流25~45A、电压40~55V、加热时间4~6秒;转弧(转移型等离子弧),电流30~50A、电压40~60V、加热时间6~8秒,涂层在空气中自然冷却至室温。
所得TiC+WC复合增强铁基涂层在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300N,滑动500米),与相同含量单一WC增强铁基涂层相比,磨损量降低了28%(TW-2(TiC+WC),如图3所示)。
实施例3:
按质量百分比,将38%的W粉(W≥99.8%,粒度40~80μm)、0.4%的Ti粉(Ti≥99.0;Fe≤0.25%;Si≤0.1%;O≤0.65%,粒度40~80μm)、3.18%的C粉(C≥98%,粒度20~40μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干后搅拌均匀,预装入粘结在低碳钢Q235表面的耐高温陶瓷套中,用等离子束进行加热,工艺为:非弧(非转移型等离子弧),电流25~45A、电压40~55V、加热时间4~6秒;转弧(转移型等离子弧),电流30~50A、电压40~60V、加热时间6~8秒,涂层在空气中自然冷却至室温。
所得TiC+WC复合增强铁基涂层在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300N,滑动500米),与相同含量单一WC增强铁基涂层相比,磨损量降低了62%(TW-3(TiC+WC),如图3所示)。
本发明中的基板材料不局限于为低碳钢,它可以是低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。
在上述制备方法中,合金混合粉末装入耐高温陶瓷套中,避免合金混合粉末被离子气及保护气吹散;且该耐高温陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8~15秒,从而保证原位反应W+C=WC充分进行。
本发明中的耐高温陶瓷套,最好采用氧化铝含量为99.5%的刚玉,耐热温度大于1600℃,从而避免被熔化无法起到保温作用。
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专业技术人员来说,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,如:各粉末混合比例的改变及基体金属材料种类的改变,都应当视为属于本发明的专利保护范围。
Claims (5)
1.原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征为:把耐高温陶瓷套粘结在基板上,在耐高温瓷套中装入合金混合粉末,经等离子束加热熔化后,在金属基板上原位合成出多元碳化物WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层,具体步骤为:
(1)对基板进行机械加工,并用丙酮清洗表面的油脂;若基板为失效零部件再制造时,则需对基板表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面的油脂;将预处理好的的基板放在工件台上,夹紧固定;
(2)合金混合粉末选用的粒度为10~250μm,按比例进行搅拌均匀混合;其中,按质量百分比,W粉为30~70%、Fe-Ni粉为30~70%,Ti粉为0.2~5%、C粉为3.18~5%;
(3)把合金混合粉末装入粘结在基板上的耐高温陶瓷套中,再利用等离子束对合金混合粉末进行加热熔化,经原位反应获得耐磨涂层;等离子束加热时的技术参数为:首先采用非转移型等离子弧对表层粉末进行熔化,其中,非转移型等离子弧,电流为:25~45A、电压为:40-55V、加热时间为4~6秒;然后采用转移型等离子弧对内层粉末进行加热熔化获得涂层,其中,转移型等离子弧,电流为30~50A、电压为40~60V、加热时间为6~8秒;涂层熔池在耐高温陶瓷套作用下,在空气中自然冷却。
2.根据权利要求1所述的原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:所述基板材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:合金混合粉末装入耐高温陶瓷套中,避免合金混合粉末被离子气及保护气吹散;且该耐高温陶瓷套可使熔化熔液在液相下停留8~15秒,从而保证原位反应W+C=WC充分进行。
4.根据权利要求1或2所述的原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:耐高温陶瓷套为刚玉材质,其中氧化铝含量为99.5%,耐热温度大于1600℃,从而避免被熔化无法起到保温作用。
5.根据权利要求3所述的原位自生WC+TiC复合增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:耐高温陶瓷套为刚玉材质,其中氧化铝含量为99.5%,耐热温度大于1600℃,从而避免被熔化无法起到保温作用。
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