CN104527150B - 耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨涂层，包括V2C致密陶瓷层，还可进一步包括微米V8C7陶瓷层及V8C7与基体的融合层。所述V2C致密陶瓷层、微米V8C7陶瓷层及V8C7与基体的融合层依次呈梯度分布。可被施加于金属基体表面。本发明通过铸造得到的金属基体与钒复合体，外引入外碳源，并加热、保温，从而在金属基体表面形成碳化物涂层，所述涂层与基体之间为冶金结合，结合力很强，克服了现有硬质颗粒与金属基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了金属基体表面的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨涂层及其制备方法，尤其涉及一种复合耐磨碳化物涂层及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的复合耐磨碳化物涂层及其制备方法。
背景技术
碳化物材料具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中，钒的碳化物熔点和硬度都较高，且其与铁的相容性较好，是理想的耐磨涂层组分。钒的碳化物有多种，常见的有V8C7、V2C、VC等，现有的涂层或者复合材料中均以V8C7或VC为主要耐磨相组分，但是相对于V2C，V8C7或VC的硬度和熔点均相对较低，显然如果能获得V2C碳化物相的涂层，其耐磨性应该优于其余钒的碳化物。
目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但是这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
因此如何获得V2C碳化物相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨涂层，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述耐磨涂层的制备方法。
进一步地，本发明还提供一种梯度复合涂层，其优选被涂覆于金属基体表面，以提高其表面的耐磨性，特别是碳钢或铸铁表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种耐磨涂层，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25μm，优选为9-25μm，更优选为15-25μm；优选地，其中V2C的体积分数大于80％，优选大于90％；优选地，V2C晶粒尺寸为20-50μm，优选为30-50μm。
此外，本发明还提供一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25μm，优选为9-25μm，更优选为15-25μm；优选地，其中V2C的体积分数大于80％，优选大于90％；优选地，V2C晶粒尺寸为20-50μm，优选为30-50μm。
进一步优选地，沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为15-90μm，优选为40-90μm，更优选为70-90μm；优选地，V8C7的体积分数大于70％，优选大于75％；优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-15μm，优选为6-15μm，更优选为8-15μm。
更进一步优选地，沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为120μm-1100μm，优选300-1100μm；优选地，其中V8C7的体积分数为20％-85％，优选为50％-85％；优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-20μm，优选为10-20μm。
优选地，梯度复合涂层总厚度为142-1215μm，优选在400-1200μm。
更优选地，组织根据热处理方式不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
本发明提供一种耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)、先准备一钒板；优选地，其中钒的纯度控制在99.7-99.9％；更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm；优选地，所述钒板先被加以表面处理；
2)、将金属基材冶炼为金属液；
3)、将上述金属液浇入放置有上述钒板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钒板的复合体；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得耐磨涂层；
其中，耐磨涂层为V2C致密陶瓷层。
优选地，通过控制保温时间、保温温度获得该V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
本发明还提供一种梯度复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)、先准备一钒板；优选地，其中钒的纯度控制在99.7-99.9％；更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm；优选地，所述钒板先被加以表面处理；
2)、将金属基材冶炼为金属液；
3)、将上述金属液浇入放置有上述钒板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钒板的复合体；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得梯度复合涂层。
若钒板厚度小于0.2mm，则钒板在浇注复合过程中就已经完全反应，不能获得V2C组织，直接生成弥散分布V8C7；超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
优选地，在步骤5)中通过严格控制保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相V2C致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
优选地，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
更优选地，上述步骤5)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
L＝kTlogt1/2+b0
其中：
L——梯度复合涂层的总厚度(μm)，
k——是常数，取值为0-1，k≠0，
T——保温温度(K)，
t——保温时间(s)，
b0——初始厚度(μm)，即金属液浇注后与钒板之间形成的复合层的厚度。
综上，所述梯度复合涂层，包括V2C致密陶瓷层，硬度高。所述V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序，呈现出几何排列；晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。
优选地，本发明还提供一种碳钢表面的碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)、先准备一钒板；优选地，所述钒板先被加以表面处理；优选地，钒的纯度控制在99.7-99.9％；更优选地，钒板的厚度控制在0.2-3mm；优选地，所述钒板先被加以表面处理；
2)、将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1500-1560℃；
3)、将上述钢液浇入放置有上述钒板的砂型内，冷却后，获得上部为碳钢基体下部为钒板的复合体；优选地，浇注温度控制在1500-1560℃；更优选地，浇注时间为5-120秒；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得所述碳钢基体表面的碳化物涂层。
优选地，上述步骤5)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
L＝kTlogt1/2+b0
其中：
L——碳化物涂层的总厚度(μm)，
k——是常数，取值为0-1，k≠0，
T——保温温度(K)，
t——保温时间(s)，
b0——初始厚度(μm)，即钢液浇注后与钒板之间形成的复合层的厚度。
优选地，在步骤1)中，表面处理的步骤如下：
第一步酸洗，选用300ml/L的盐酸或60ml/L的磷酸或120ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸或240ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用800-1200目的Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。
更优选地，步骤4)中的外部碳源为石墨纸或石墨粉；优选地，所述石墨纸为三级以上，纯度为85-99％，厚度为0.1-0.35mm；优选地，所述石墨粉选择粒度在600-1000目，纯度为85-95％。
优选地，步骤5)中，升温至1000-1160℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为6-12h，优选8-10h。
优选地，所选碳钢基体为低碳钢、中碳钢或高碳钢。
优选地，保护气为氩气或氮气，气体流量为4-8ml/min。
其中，保温温度应严格控制在上述范围内，温度高于1160℃，反应过程中的液相过多，而使得V2C转变成为V8C7，不能获得准单晶相V2C；但是温度低于1000℃，则V的溶解度太低，反应无法正向进行。同样的，保温时间也应该保持一个合理的区间，时间超过12h，几乎所有的V2C会转变为V8C7，而低于6h，则反应获得的V2C太少，涂层厚度难以保证，最佳的应该保持在8-10h。
更优选地，具有碳化物涂层的碳钢复合体被进一步热处理以获得更合适的基体组织；优选地，在550-800℃左右进行热处理，基体为珠光体组织；或在220-450℃进行热处理，基体为贝氏体组织；或在220℃以下进行热处理，基体为马氏体组织。
所述金属基体优选为碳钢或铸铁，所述碳钢可以为低碳钢(05F、08F、08、10F、10、15F、15、20F、20、25、20Mn、25Mn等)、中碳钢(30、35、40、45、50、55、60、30Mn、40Mn、50Mn、60Mn等)或高碳钢(65、70、65Mn等)，参见国标GB/T699-1999。所述铸铁可以为球墨铸铁(QT400-17，QTANi30Cr3或QTMMn8-30等，参见国标GB/T1348-1988)、灰口铸铁(HT100、HT150、HT200、HT250、HT300或HT350，参见国标GB/T9439-1988)或白口铸铁(BTMCr15Mo、BTRCr16或BTSCr28等，参见国标GB/T8263-1999)。基体组织根据热处理方式的不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。
本发明通过铸造获得金属+钒复合体后，引入外部碳源，以加热扩散的方式，通过控制保温温度、保温时间和涂层厚度的关系，可在金属表面形成碳化物涂层，涂层与金属基体之间为冶金结合，结合力很强，克服了现有硬质颗粒与金属基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了涂层的力学性能。并且该方法操作简单，无需复杂设备，且由于浇注砂型的多样性，适用于生产具有复杂形状的耐磨部件，例如铲齿等矿用零件。另一方面，本发明复合碳化物涂层的显微硬度高达2420-2600HV0.1，所述涂层的相对耐磨性是基体的12.5-20倍。所述相对耐磨性的定义为：以基体材料为标准试样，在相同磨料粒度，相同载荷，圆盘以相同转速转动相同圈数后，被测涂层产生磨损量与标准试样产生磨损量的比值称为涂层的相对耐磨性，因此也简称为涂层的相对耐磨性是基体的几倍，下述相同参数的检测标准与之相同。
这是由于其中的V2C致密陶瓷层为准单晶组织，化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性。而与之相对的微米V8C7陶瓷层的硬度只能达到1339-2200HV0.1，其相对耐磨性是基体的6-10倍。
附图说明
图1为复合涂层的组织结构示意图；
图2为钒板在砂型中的布置图；
图3a为准单晶相V2C致密陶瓷层显微组织图，图3b为微米V8C7致密陶瓷层显微组织图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
其中，制作砂型时可采用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂中的任一种。
参见图1，本发明的耐磨涂层为准单晶相V2C致密陶瓷层；进一步地，本发明的梯度复合涂层包括准单晶相V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层与V8C7与基体的融合层，且依次呈梯度分布。
实施例1：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.7％，所述钒板1优选先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用300ml/L的盐酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用300ml/L的氢氟酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用800目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。
所述钒板1的厚度控制在0.2mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1500℃，所选碳钢基体6为低碳钢05F钢。
3、如图2所示，将上述钢液6浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1500℃，浇注时间为5秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为05F钢基体下部为钒板1的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度85％，厚度为0.1mm。
5、将包覆石墨纸的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1000℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为6h，最后随炉冷却至室温，获得所述05F钢表面的复合碳化物涂层；所述保护气为氩气，气体流量为4ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的05F钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，热处理工序为：在550℃左右进行热处理，基体为珠光体组织。
如图3所示，所得碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为20μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为7μm，其中V2C的体积分数为90％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为15μm，V8C7的体积分数为75％，其晶粒尺寸为5μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为120μm，其中V8C7的体积分数为20％，其晶粒尺寸为5μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为142μm。所述05F钢基体组织为珠光体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2510HV0.1，相对耐磨性是05F钢的16.4倍。
实施例2：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.8％。所述钒板应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板的厚度控制在1mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1510℃，所选碳钢基体6为低碳钢08F钢。
3、如图2所示，将上述钢液6浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1510℃，浇注时间为20秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为08F钢基体下部为钒板1的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度90％，厚度为0.2mm。
5、将包覆石墨纸的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1050℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为7h，最后随炉冷却至室温，获得所述08F钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的08F钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，热处理工序为：在700℃左右进行热处理，基体为珠光体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为22μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为10μm；其中V2C的体积分数为80％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为50μm，V8C7的体积分数为78％，其晶粒尺寸为7μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为390μm，其中V8C7的体积分数为60％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为450μm。所述08F钢基体组织为珠光体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2550HV0.1，相对耐磨性是08F钢的17.6倍。
实施例3：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.8％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用120ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用240ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1200目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在2mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1520℃，所选碳钢基体6为15钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1520℃，浇注时间为40秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为15钢基体下部为钒板1的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度95％，厚度为0.35mm。
5、将包覆石墨纸的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1080℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为9h，最后随炉冷却至室温，获得所述15钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为7ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的15钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，热处理工序为：在750℃左右进行热处理，基体为珠光体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为25μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为12μm；其中V2C的体积分数为95％。
进一步的，包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为55μm，V8C7的体积分数为80％，其晶粒尺寸为10μm。
更进一步的，还可以包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为657μm，其中V8C7的体积分数为75％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为724μm。所述15钢基体组织为珠光体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2560HV0.1，相对耐磨性是15钢的20倍。
实施例4：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.8％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在3mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1530℃，所选碳钢基体6为低碳钢20钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1530℃，浇注时间为60秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为20钢基体下部为钒板1的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度99％，厚度为0.3mm。
5、将包覆石墨纸的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1100℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为8h，最后随炉冷却至室温，获得所述20钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的20钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在800℃左右进行热处理，基体为珠光体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为30μm，沿涂层纵向剖面，其厚度为15μm，其中V2C的体积分数为90％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为65μm，V8C7的体积分数为78％，其晶粒尺寸为8μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为873μm，其中V8C7的体积分数为60％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为953μm。所述20钢基体组织为珠光体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2520HV0.1，相对耐磨性是20钢的15.2倍。
实施例5：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.9％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用900目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在1mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1540℃，所选碳钢基体6为中碳钢30钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1540℃，浇注时间为80秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为30钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度为99％，厚度为0.2mm。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1160℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为12h，最后随炉冷却至室温，获得所述30钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的30钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在250℃左右进行热处理，基体为贝氏体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为50μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为25μm，其中V2C的体积分数为95％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为90μm，V8C7的体积分数为80％，其晶粒尺寸为15μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为1100μm，其中V8C7的体积分数为55％，其晶粒尺寸为20μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为1215μm。所述30钢基体组织为贝氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的平均显微硬度为2600HV0.1，相对耐磨性是30钢的13.8倍。
实施例6：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.8％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在1mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1550℃，所选碳钢基体6为中碳钢45钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1550℃，浇注时间为100秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为45钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨粉，石墨粉选择粒度在600目，纯度为95％。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1050℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为11h，最后随炉冷却至室温，获得所述45钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的45钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在300℃以下进行热处理，基体为贝氏体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为32μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为15μm；其中V2C的体积分数为90％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为60μm，V8C7的体积分数为80％，其晶粒尺寸为10μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为825μm，其中V8C7的体积分数为70％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为900μm。所述45钢基体组织为贝氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层涂层3的平均显微硬度为2550HV0.1，相对耐磨性是45钢的13.2倍。
实施例7：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.9％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板的厚度控制在2mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1560℃，所选碳钢基体6为中碳钢60Mn钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1560℃，浇注时间为120秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为60Mn钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨粉，石墨粉选择粒度在800目，纯度为95％。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1100℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为10h，最后随炉冷却至室温，获得所述60Mn钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为8ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的60Mn钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在350℃以下进行热处理，基体为贝氏体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为36μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为18μm；其中V2C的体积分数为95％。
进一步，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为70μm，V8C7的体积分数为90％，其晶粒尺寸为12μm。
更进一步，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为980μm，其中V8C7的体积分数为85％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为1068μm。所述60Mn钢基体组织为贝氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2420HV0.1，相对耐磨性是60Mn钢的12.5倍。
实施例8：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.9％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在1mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1500℃，所选碳钢基体为高碳钢65钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1500℃，浇注时间为10秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为65钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨纸，所述石墨纸为三级以上，纯度为99％，厚度为0.2mm。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1150℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为8h，最后随炉冷却至室温，获得所述65钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的65钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在400℃左右进行热处理，基体为贝氏体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为42μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为20μm；其中V2C的体积分数为80％。
进一步的，包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为75μm，V8C7的体积分数为78％，其晶粒尺寸为14μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为995μm，其中V8C7的体积分数为60％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为1090μm。所述65钢基体组织为贝氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2500HV0.1，相对耐磨性是65钢的12.8倍。
实施例9：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.9％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1200目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在3mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1550℃，所选碳钢基体为高碳钢70钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1550℃，浇注时间为80秒为宜，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为70钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨粉，石墨粉选择粒度在1000目，纯度为85％。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1160℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为12h，最后随炉冷却至室温，获得所述70钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的70钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在450℃左右进行热处理，基体为贝氏体组织。
所述碳化物涂层是V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为50μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为22μm；其中V2C的体积分数为92％。
进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为80μm，V8C7的体积分数为70％，其晶粒尺寸为15μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为1015μm，其中V8C7的体积分数为50％，其晶粒尺寸为18μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为1117μm。所述70钢基体组织为贝氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层涂层3的显微硬度为2530HV0.1，相对耐磨性是70钢的13倍。
实施例10：碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：
1、先准备一钒板1，其中钒的纯度应控制在99.8％。所述钒板1应该先被加以表面处理，步骤如下：
第一步酸洗，选用60ml/L的磷酸，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用200ml/L的硫酸，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用1000目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。所述钒板1的厚度控制在1.5mm。
2、将碳钢基材6冶炼为钢液，温度控制在1560℃，所选碳钢基体6为高碳钢65Mn钢。
3、如图2所示，将上述钢液浇入放置有上述钒板1的砂型2内，浇注温度控制在1560℃，浇注时间为100秒，一分钟后，在冒口补浇，冷却后，获得上部为65Mn钢基体下部为钒板的复合体。
4、将上述复合体外部整体包覆外部碳源，所述外部碳源为石墨粉，石墨粉选择粒度在800目，纯度为90％。
5、将包覆石墨粉的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，升温至1050℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为8h，最后随炉冷却至室温，获得所述65Mn钢表面的复合碳化物涂层。所述保护气为氮气，气体流量为6ml/min。
6、所得的具有碳化物涂层的65Mn钢基体，被进一步热处理以获得更合适的基体组织，在220℃左右进行热处理，基体为马氏体组织。
所述碳化物涂层包括V2C致密陶瓷层3，为准单晶相，其晶粒尺寸为23μm；沿涂层纵向剖面，其厚度为12μm；其中V2C的体积分数为90％。
进一步的，包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3之下的微米V8C7陶瓷层4，沿涂层纵向剖面，其厚度为58μm，V8C7的体积分数为78％，其晶粒尺寸为8μm。
更进一步的，还包括位于上述准单晶相V2C致密陶瓷层3以及微米V8C7陶瓷层4之下的V8C7与基体的融合层5，沿涂层纵向剖面，其厚度为798μm，其中V8C7的体积分数为30％，其晶粒尺寸为15μm。此时，所述碳化物涂层为复合涂层，由所述准单晶相V2C致密陶瓷层3、微米V8C7陶瓷层4及V8C7与基体的融合层5构成，且依次呈梯度分布，其总厚度为868μm。所述65Mn钢基体组织为马氏体。准单晶相V2C致密陶瓷层3的显微硬度为2580HV0.1，相对耐磨性是65Mn钢的13.5倍。
对比例1，其制备方法如下：用激光熔覆法直接将V8C7颗粒熔覆在碳钢表面，得到涂层厚度为30μm，体积分数为80％，所得涂层的显微硬度为1800HV0.1，V8C7涂层的相对耐磨性是碳钢基体的3.62倍。
对比例中激光表面改性技术生产成本高，生产效率低，工艺参数不易控制，且使用过程中使用粘接剂将导致气孔和夹渣；且复合层中未出现准单晶相V2C致密陶瓷层和微米V8C7致密陶瓷层，复合层厚度和V8C7含量较小，V8C7晶粒尺寸较大；同时，复合过程仅仅是对外加硬质碳化铬颗粒间的间隙进行铸渗和对外加颗粒进行熔融、烧结，硬质碳化铬颗粒与金属基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落或存在氧化、夹杂问题，因此，其力学性能较差。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (34)
1.一种耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨涂层为V2C致密陶瓷层，其中，所述V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
2.如权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于：沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25μm；其中V2C的体积分数大于80％；V2C晶粒尺寸为20-50μm。
3.如权利要求2所述的耐磨涂层，其特征在于：所述厚度为9-25μm；和/或，所述体积分数大于90％；和/或，所述晶粒尺寸为30-50μm。
4.如权利要求3所述的耐磨涂层，其特征在于：所述厚度为15-25μm。
5.一种耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层，其中，所述V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
6.如权利要求5所述的耐磨涂层，其特征在于：沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25μm；其中V2C的体积分数大于80％；V2C晶粒尺寸为20-50μm。
7.如权利要求6所述的耐磨涂层，其特征在于：所述厚度为9-25μm；和/或，所述体积分数大于90％；和/或，所述晶粒尺寸为30-50μm。
8.如权利要求7所述的耐磨涂层，其特征在于：所述厚度为15-25μm。
9.如权利要求5-8之一所述的耐磨涂层，其特征在于：沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为15-90μm；V8C7的体积分数大于70％；V8C7的晶粒尺寸为5-15μm。
10.如权利要求9所述的耐磨涂层，其特征在于：沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为40-90μm；和/或，V8C7的体积分数大于75％；和/或，V8C7的晶粒尺寸为6-15μm。
11.如权利要求10所述的耐磨涂层，其特征在于：沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-90μm，和/或，V8C7的晶粒尺寸为8-15μm。
12.如权利要求5-8、10-11之一所述的耐磨涂层，其特征在于：沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为120μm-1100μm；其中V8C7的体积分数为20％-85％；V8C7的晶粒尺寸为5-20μm。
13.如权利要求12所述的耐磨涂层，其特征在于：沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为300-1100μm，和/或，其中V8C7的体积分数为50％-85％，和/或，V8C7的晶粒尺寸为10-20μm。
14.如权利要求5-8、10-11、13之一所述的耐磨涂层，其特征在于：梯度复合涂层总厚度为142-1215μm。
15.如权利要求14所述的耐磨涂层，其特征在于：所述总厚度在400-1200μm。
16.如权利要求5-8、10-11、13、15之一所述的耐磨涂层，其特征在于：基体组织根据热处理不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。
17.如权利要求16所述的耐磨涂层，其特征在于：该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
18.一种如权利要求1-4之一所述耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)、先准备一钒板；
2)、将金属基材冶炼为金属液；
3)、将上述金属液浇入放置有上述钒板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钒板的复合体；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得耐磨涂层；
其中，耐磨涂层为V2C致密陶瓷层，所述V2C致密陶瓷层为准单晶相，其中，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该V2C致密陶瓷层。
19.如权利要求18所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，钒板中钒的纯度控制在99.7-99.9％，和/或，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm，和/或，所述钒板先被加以表面处理。
20.一种如权利要求5-17之一所述耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)、先准备一钒板；
2)、将金属基材冶炼为金属液；
3)、将上述金属液浇入放置有上述钒板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钒板的复合体；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得梯度复合涂层；
通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
21.如权利要求20所述的耐磨涂层的制备方法，其特征在于：在步骤5)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
L＝kTlogt1/2+b0
其中：
L——梯度复合涂层的总厚度(μm)，
k——是常数，取值为0-1，k≠0，
T——保温温度(K)，
t——保温时间(s)，
b0——初始厚度(μm)，即金属液浇注后与钒板之间形成的复合层的厚度。
22.如权利要求20或21所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，钒板中钒的纯度控制在99.7-99.9％，和/或，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm，和/或，所述钒板先被加以表面处理。
23.一种碳钢表面的耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、先准备一钒板，所述钒板先被加以表面处理，钒的纯度控制在99.7-99.9％；
2)、将碳钢基材冶炼为钢液；
3)、将上述钢液浇入放置有上述钒板的砂型内，冷却后，获得上部为碳钢基体下部为钒板的复合体；
4)、将上述复合体外部整体包覆外部碳源；
5)、将包覆外部碳源的复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，获得所述碳钢基体表面的碳化物涂层。
24.如权利要求23所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm；和/或，步骤2)中，温度控制在1500-1560℃；和/或，步骤3)中，浇注温度控制在1500-1560℃。
25.如权利要求24所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，浇注时间为5-120秒，一分钟后，在冒口补浇。
26.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：在步骤5)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
L＝kTlogt1/2+b0
其中：
L——碳化物涂层的总厚度(μm)，
k——是常数，取值为0-1，k≠0，
T——保温温度(K)，
t——保温时间(s)，
b0——初始厚度(μm)，即金属液浇注后与钒板之间形成的复合层的厚度。
27.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，表面处理的步骤如下：
第一步酸洗，选用300ml/L的盐酸或60ml/L的磷酸或120ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第二步酸洗，选用300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸或240ml/L的双氧水，后流水冲洗；
第三步表面打磨，选用800-1200目的Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗。
28.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的外部碳源为石墨纸或石墨粉。
29.如权利要求28所述的制备方法，其特征在于：所述石墨纸为三级以上，纯度为85-99％，厚度为0.1-0.35mm；所述石墨粉选择粒度在600-1000目，纯度为85-95％。
30.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，升温至1000-1160℃，升温速度控制在7℃/min，保温时间为6-12h。
31.如权利要求30所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，保温时间为8-10h。
32.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：所选碳钢基材为低碳钢、中碳钢或高碳钢。
33.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：所述保护气氛为氩气或氮气，气体流量为4-8ml/min。
34.如权利要求23-25之一所述的制备方法，其特征在于：具有碳化物涂层的碳钢复合体在550-800℃左右进行热处理，基体为珠光体组织；或在220-450℃进行热处理，基体为贝氏体组织；或在220℃以下进行热处理，基体为马氏体组织。
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