CN104498939A - 一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法 - Google Patents

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王海波
国礼杰
王东坡
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Abstract

本发明公开一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，将2-60重量份硼铁粉末、20-50重量份碳化硼粉末和30-80重量份锆粉配比均匀后，使用水玻璃拌合后预涂覆在碳钢基体表面烘干，再使用等离子弧熔覆堆焊方法对在碳钢表面的预敷粉末进行融敷，熔覆过程中采用氩气作为离子气和保护气体。通过Fe-B、Zr和B4C粉末之间的高温冶金反应，在普通碳钢表面制备了含ZrB2的金属陶瓷层，实现了熔覆层与母材间的冶金结合，并且ZrB2在熔敷层中呈现梯度分布的特点。耐磨性能有较大提高。

Description

一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，更加具体地说，涉及一种采用等离子弧熔敷方法使一定配方比例的硼铁(Fe-B)粉末、碳化硼(B4C)粉末和锆粉(Zr)在普通中、低碳钢表面制备耐磨二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的方法。
背景技术
低、中碳结构钢在工程中应用最为广泛，但是硬度低、耐磨性和耐高温氧化性能差，无法满足摩擦磨损和高温工况的使用要求。提高材料的表面性能对延长机械零件使用寿命和发挥材料潜力起着重要作用。耐磨堆焊技术是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，可以使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属。采用等离子表面熔覆技术与原位反应合成技术在普通碳钢表面制备硼化物陶瓷颗粒(ZrB2)增强Fe基熔覆层，能够大幅提高普通结构钢材料的表面抗磨损性能和耐高温氧化性能，延长机械零部件和工程构件的使用寿命，节约生产耐磨、耐热钢所需的贵重金属材料。
国内外众多学者针对等离子熔覆制备金属基陶瓷熔覆层开展了多年的研究，熔覆时所使用的熔覆材料大多含有Ni、Cr、Co等贵重金属粉末，提高了熔覆层成本不利于工业推广应用。近年来将ZrB2等陶瓷颗粒作为增强相制备金属陶瓷耐磨堆焊层有了一定的进展。金属陶瓷复合耐磨堆焊材料由软的基体金属和陶瓷颗粒组成,既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。而且可有效改善基体材料的表面性能，延长零部件的使用寿命，并能有效节约资源，减少环境污染。
但是目前ZrB2陶瓷涂层的制备成本还是比较高，而且生成的表面熔覆层成型不良，工艺参数以及粉末的配比存在一定困难，表面熔覆层与基体难以实现良好的冶金结合，而且熔覆层中ZrB2相的数量少、分布不均匀对表面熔覆层的硬度及其耐磨耐蚀有较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在普通中、低碳钢表面制备耐磨二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的方法。本发明采用等离子弧熔敷方法，通过Fe-B、Zr和B4C粉末之间的高温冶金反应，在普通碳钢表面制备了含ZrB2的金属陶瓷层，实现了熔覆层与母材间的冶金结合，并且ZrB2在熔敷层中呈现梯度分布的特点。耐磨性能有较大提高。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，将2-60重量份硼铁粉末(Fe-B)、20-50重量份碳化硼粉末(B4C)和30—80重量份锆粉(Zr)配比均匀后，使用水玻璃拌合后预涂覆在碳钢基体表面烘干，再使用等离子弧熔覆堆焊方法对在碳钢表面的预敷粉末进行融敷，熔覆过程中采用氩气作为离子气和保护气体，工艺参数如下：焊接电流为80-250A，转移弧电压为10-50V，离子气流量为80-400L/h，焊枪摆频为0.5-20Hz，焊枪摆幅为10-30mm，扫描速度为10-100mm/min，喷嘴距工件距离为5-50mm。
在上述技术方案中，所述硼铁粉末为20-300目，碳化硼粉末为20-300目，锆粉为20-400目。
在上述技术方案中，所述硼铁粉末为20-250目，5-56重量份；所述碳化硼粉末为30-300目，22-45重量份；所述锆粉为40-400目，40—78重量份。
在上述技术方案中，工艺参数优选如下：焊接电流为90-250A，转移弧电压为10-45V，离子气流量为80-380L/h，焊枪摆频为0.5-18Hz，焊枪摆幅为10-28mm，扫描速度为10-90mm/min，喷嘴距工件距离为5-45mm。
使用本发明的技术方案通过Fe-B、Zr和B4C粉末之间的高温冶金反应，在普通碳钢表面制备了含ZrB2的金属陶瓷层，实现了熔覆层与母材间的冶金结合，并且ZrB2在熔敷层中呈现梯度分布的特点。耐磨性能有较大提高。
附图说明
图1为本发明制备的ZrB2增强Fe基熔覆层XRD图谱。
图2为本发明制备的ZrB2增强Fe基熔覆层显微组织。
图3为本发明制备的ZrB2增强Fe基熔覆层横截面形貌。
图4为本发明制备的ZrB2增强Fe基熔覆层沿深度方向显微硬度分布示意图。
图5为本发明制备的ZrB2增强Fe基熔覆层和基体的磨损失重对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
1.使用手砂轮打磨片对碳钢表面打磨，除去锈迹；并用浸有丙酮试剂的棉球擦洗试板表面，除去油污。
2.将所需粉末按表1比例混合放入研钵中，沿一固定方向研磨粉末，使其混合均匀。
3.在混合均匀的粉末中加入适量的硅酸钠(俗称水玻璃)粘结剂，并将之调成糊状，按照试验要求在碳钢试板表面压制出具有一定尺寸的预涂覆层。随后需将试样置于室内阴干至少12h。
4.在熔覆试验进行前，需先将试样置于烘干炉中，加热至300℃并保温1h。
5.采用L4-400PC型等离子弧喷焊系统，按照表2进行表面堆焊。
表1 实施例中进行活性剂配料的各个组分及粒度
表2 实施例中使用的焊接规范
ZrB2增强Fe基熔覆层结果如下：
1.熔覆层的物相结构
预涂覆粉末体经等离子熔覆后得到的熔覆层中有ZrB2相存在。通过对等离子熔覆层XRD衍射结果的分析可以看出，通过预涂覆层中原料粉末间的原位冶金反应可以获得ZrB2增强相。
2.熔覆层的微观组织
预涂覆粉末体经等离子熔覆后得到的ZrB2增强Fe基熔覆层横截面在光学显微镜下可以看出依据ZrB2形貌随着熔覆层的深度呈梯度分布，熔覆层分为表层、中部和底部三部分，表层的ZrB2密度较高。在图中可清晰的看到灰色针状和棒状的颗粒ZrB2分布在基体上。为进一步确定增强相元素成分及含量，采用EDS能谱对熔覆层内针状增强相和基体材料进行微区成分分析，结果显示基体的主要元素成分为5.03wt.％C，2.09wt.％Zr，92.88wt.％Fe，少量锆元素固溶于α-Fe中，对基体可以起到固溶强化的作用；针状增强相的主要元素成分为50.8wt.％Zr，49.13wt.％B，Zr和B元素的含量比接近1:2，因而可以确定针状增强相为ZrB2。
3.熔覆层的显微硬度
通过对比可以看出ZrB2增强Fe基熔覆层沿深度方向显微硬度值的变化熔覆层的显微硬度较基体有显著提高。熔覆层的显微硬度沿深度方向呈梯度分布逐渐降低。
4.熔覆层的磨损性能
通过对比可以看出，ZrB2增强Fe基熔覆层的耐磨性是基底材料低碳钢Q235的8-10倍。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，其特征在于，将2-60重量份硼铁粉末、20-50重量份碳化硼粉末和30—80重量份锆粉配比均匀后，使用水玻璃拌合后预涂覆在碳钢基体表面烘干，再使用等离子弧熔覆堆焊方法对在碳钢表面的预敷粉末进行融敷，熔覆过程中采用氩气作为离子气和保护气体，工艺参数如下：焊接电流为80-250A，转移弧电压为10-50V，离子气流量为80-400L/h，焊枪摆频为0.5-20Hz，焊枪摆幅为10-30mm，扫描速度为10-100mm/min，喷嘴距工件距离为5-50mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，其特征在于，所述硼铁粉末为20-300目，碳化硼粉末为20-300目，锆粉为20-400目。
3.根据权利要求1所述的一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，其特征在于，所述硼铁粉末为20-250目，5-56重量份；所述碳化硼粉末为30-300目，22-45重量份；所述锆粉为40-400目，40—78重量份。
4.根据权利要求1所述的一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，其特征在于，工艺参数优选如下：焊接电流为90-250A，转移弧电压为10-45V，离子气流量为80-380L/h，焊枪摆频为0.5-18Hz，焊枪摆幅为10-28mm，扫描速度为10-90mm/min，喷嘴距工件距离为5-45mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，其特征在于，所述碳钢基体为Q235钢。
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