CN104789920B - 利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法，它是以Fe+B₄C+Ti+W+C+WC为原料，以Ar和N₂为气体介质，在等离子束热源的加热作用下，粉末在预处理的工件表面上发生原位反应，形成鳞片状形态的耐磨凸台涂层，耐磨凸台高度3～5mm，凸台直径10～15mm。本发明在金属陶瓷涂层与基体之间形成快速熔凝过渡区，其硬度介于涂层和基体之间，有利于提高涂层与基体的结合力；在工件表面形成的鱼鳞状分布的耐磨凸台涂层表面结构形态有利于减少因为合金收缩比不同，在涂层中出现裂纹的倾向，能够大大抑制涂层大面积的剥落。

Description

利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法

技术领域

本发明涉及金属材料制备领域，尤其是耐磨涂层的制备方法，具体讲就是在基体表面(比如卸轧机链板、料斗衬板、抓斗刃板、自动翻斗车翻斗板，矿山机械中输送机衬板、挡板等耐磨板表面)获得鳞片状结构耐磨复合涂层及鳞片状结构的制备方法。

背景技术

现今耐磨板已广泛用于装载机械、矿山机械、重载运输等多个行业，以其优良耐磨性能显著提高了机械设备的总体使用性能和使用寿命。大大节约了使用成本，降低了材料消耗。耐磨涂层的获取便成为了研制生产高性能耐磨板的重中之重。涂层的制备方法有多种，如热喷焊技术、激光熔覆技术、真空烧结技术、等离子熔覆技术等，结合不同的基体材料以及对涂层不同的工况条件，选择恰当的制备方法并配以不同的涂层材料制得符合要求的耐磨涂层。

中国专利申请号200410087690.5公开了一种硬质耐磨涂层的制备方法，它介绍了采用爆炸喷涂工艺制备得到WC-Co/MoS₂复合涂层，其中MoS₂作为固体润滑剂，使涂层的摩擦系数明显降低，提高涂层的自润滑性能，从而降低涂层和摩擦副的磨损率，提高了机械零件的使用寿命。但是由于喷涂工艺难于控制，涂层成形性差。在对表面平整度要求较高的机械行业存在很大的使用局限性。专利201310747265.3公开了一种激光熔覆WC耐磨涂层的新型滚刀的制作工艺，它采用激光同步送粉熔覆技术对工件表面进行熔覆耐磨强化处理，得到了含有WC陶瓷相的耐磨涂层，涂层表面成型性好，涂层厚度可控。但激光熔覆技术设备昂贵，功率小，不适合大规模生产。中国专利申请号201010000425.4公开了一种耐磨涂层的制备方法，它巧妙的利用真空烧结技术，在950℃-980℃下烧结制备出含有碳化物和硼化物的复合涂层。即达到了节省成本，又能进一步提高对于涂层厚度的控制。但同样存在设备复杂，对工件尺寸要求严格，难于控制的缺点。

中国专利申请号201110108741.8公开了一种等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法，它利用大气等离子喷涂方法将合金粉末雾化喷射到表面处理过的基体上，通过自然冷却得到多晶态合金涂层。中国专利申请号200610040072.4利用等离子喷涂耐磨涂层的方法，采用保护氩气作为保护气氛在铝合金基体上制备出了Al₂O₃-45TiO₂的耐磨涂层，相比于在大气环境下获得的涂层氧化物、夹杂减少，结合强度和显微硬度都得了一定程度的提升。上述提到的耐磨涂层在受到冲击和碰撞时极易发生脱落，另外在复杂交变应力的作用下还会产生不同程度的塑性变形最终导致涂层剥落，严重影响了对基体材料的防护作用。

发明内容

为了有效防止涂层剥落，显著增强基体材料的耐磨性能，本发明结合耐磨板的实际工况和技术要求，提供一种采用等离子熔射技术，制备Fe基+TiC-TiB₂-Fe_x(C,B)高硬度陶瓷强化相的耐磨复合涂层的方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法，其特征在于，

第一步：原材料准备

粉末原料为Fe、Ti、W、B₄C、C、WC粉末，粉末粒度：Fe、Ti、W、C粉末粒径为61-74μm，WC、B₄C粉末粒径为44-53μm，原料配比按照质量百分数分别为：50～80％Fe、10～15％Ti、5～10％W、2～10％B₄C、0～5％C、3～10％WC，将反应原材料放入混料机中球磨4h，取出后备用；

第二步：工件表面预处理

对工件表面预处理的目的主要是提高涂层与基体结合强度，分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除工件表面的油污，再对表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色；

第三步：耐磨凸台涂层制备工艺

将表面预处理后的工件置于等离子设备工作台上，将粉末原料装入粉筒装中，以Ar和N₂为气体介质，在等离子束热源的加热作用下，粉末在预处理的工件表面上发生原位反应，形成鳞片状形态的耐磨凸台涂层；原位反应式为：

Fe+Ti+W+B₄C+C+N₂→Fe+TiB₂+TiB+TiC+Fe₂B+Fe₃C+TiN+Ti(C,N)+WC；

等离子熔射主要技术参数：电流100-200A，电压30-50V，Ar+N₂总气量：3-6L/min，N₂气量占10～30％，送粉量:10-50g/min，凸台高度3～5mm，凸台直径10～15mm，等离子发生器的移动速度、凸台部位熔射保持时间、凸台数量、由凸台塔接形成的鳞片状表面形态皆可以连续调节，由凸台构成的硬化面积占整个工件表面积的百分比为50～80％；

第四步：硬度检测及涂层修整

工件处理完毕冷却至室温后，表面硬度可达到HRC58-65，厚度3～5mm，采用SiC砂轮磨削凸台涂层表面，去掉毛刺，达到平整即可。

本发明的原理为：

利用高能量的等离子束，以Fe+B₄C+Ti+W+C+WC为原料，以Ar和N₂为气体介质，在韧性、塑性很好的普通低碳钢或者低合金钢表面，形成鳞片状形态的耐磨凸台(涂层)，内部主要的物相组成为Fe-TiB₂-TiB-TiC-Fe₂B，另外还有少量Fe₃C、TiN、Ti(C,N)。在等离子束热源的加热作用下，粉末中发生原位反应，在耐磨涂层的金相组织中，硬质相TiB₂+TiB+TiC+WC+Fe₂B+Fe₃C+TiN+Ti(C,N)等为原位形成，其中TiB₂、TiB、Fe₂B等呈条状、晶须状，长约30～50um，而TiC、Fe₃C、TiN、Ti(C,N)等呈细小的枝晶状或者颗粒状弥散分布于基体当中，尺度约1～5um。此外，还有原位形成的尺度约1～5um的WC和外加的粗颗粒的粒径为44-53μm的WC，前者分布于基体组织中，而后者分布于整个涂层中，这些陶瓷相对涂层形成多尺度、多相的复合强化，提高涂层自身的强韧性，表面硬度可达到HRC58-65；再通过精确控制等离子束流扫描加热的速度和运动轨迹，可在表面形成鱼鳞状排列形态的耐磨凸台，高度3～5mm。由于形成鱼鳞状的仿生结构，表面相邻凸台之间保持一定的间距10～15mm，距离较近时相近凸台之间会有一定重叠，距离较大时中间留有一定的空隙可以作为储物槽。既可提高工件的耐磨性，又可提高涂层的结合力和韧性，提高工件表面的防粘、脱覆效果，延长工件的使用寿命。

本发明的有益效果是：

(1)等离子熔射耐磨凸台(涂层)的硬质相

TiB₂+TiB+TiC+Fe₂B+Fe₃C+TiN+Ti(C,N)+WC等皆为原位形成。在金相组织中，TiB₂、TiB、Fe₂B等呈条状、晶须状，长约30～50um，TiC、WC、Fe₃C+TiN+Ti(C,N)呈细小的枝晶状或者颗粒状弥散分布于基体当中，尺度约1～5um，这些陶瓷相对涂层形成多尺度、多相的复合强化，也提高涂层自身的强韧性，表面硬度可达到HRC58-65；

(2)在金属陶瓷涂层与基体之间形成快速熔凝过渡区，其硬度介于涂层和基体之间，有利于提高涂层与基体的结合力；

(3)等离子束采用氩气和氮气作为混合气体介质，既可保护等离子加热反应区，隔绝氧气，同时氮气又参与反应，与Ti、C反应形成TiN、Ti(C,N)等硬质相，而且这类硬质相的含量，可依据混合气体介质中氮气的比例调整；

(4)可在工件表面形成鱼鳞状分布的耐磨凸台(涂层)，该方法工艺简便、分布形态和涂层面积易于调整，这种表面结构形态有利于减少因为合金收缩比不同，在涂层中出现裂纹的倾向，能够大大抑制涂层大面积的剥落。适用于广泛应用于冶金、煤炭、水泥、电力、玻璃、矿山、建材、砖瓦等行业的耐磨板处理

附图说明

图1为本发明涂层结构图；

图2a为涂层微观组织结构图；

图2b为过渡层微观组织结构图；

图3为本发明鱼鳞状分布的耐磨凸台示意图。

具体实施方式

下面结合三个实施例和附图进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

第一步：原材料准备

粉末原料为Fe、Ti、W、B₄C、C、WC粉末，粉末粒度：Fe、Ti、W粉末粒径为61-74μm，WC、B₄C粉末粒径为44-53μm，原料配比按照质量百分数分别为：50％Fe、15％Ti、10％W、10％B₄C、5％C、10％WC。将反应原材料放入混料机中球磨4h，取出后备用。

第二步：工件表面预处理

对工件表面预处理的目的主要是提高涂层与基体结合强度，分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除工件表面的油污，再对表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色。

第三步：耐磨凸台(涂层)制备工艺

将表面预处理后的工件置于等离子设备工作台上，将粉末原料装入粉筒装中，等离子熔射主要技术参数：电流200A，电压50V，气体Ar+N₂总气量3L/min，N₂气量占30％，送粉量:10g/min，凸台高度3mm，凸台平均直径约15mm，调接等离子发生器的移动速度、凸台部位熔射保持时间、凸台数量、由凸台塔接形成的鳞片状表面形态，由凸台构成的硬化面积占整个工件表面积的50％。形成的鱼鳞状分布的耐磨凸台涂层见图3。

第四步：硬度检测及涂层修整

工件处理完毕冷却至室温后，表面硬度可达到HRC63～65，厚度3mm。采用SiC砂轮磨削涂层(凸台)表面，去掉毛刺，达到平整。

实施例二

除步骤(1)粉末原料配比按照质量百分数分别为：80％Fe、10％Ti、5％W、2％B₄C、3％WC，C为零之外，又将步骤(3)耐磨凸台(涂层)制备工艺中，等离子熔射主要技术参数设定为：电流100A，电压30V，气体Ar+N₂总气量6L/min，N₂气量占10％，送粉量:50g/min，除了上述两个步骤参数变化之外，其余其他工艺及参数同实施例一。

最终获得的耐磨凸台高度5mm，凸台平均直径约10mm，由凸台构成的鳞片状硬化面积占整个工件表面积的百分比为80％，凸台表面硬度可达到HRC58～60。

实施例三

除步骤(1)粉末原料配比按照质量百分数分别为：65％Fe、12％Ti、8％W、6％B₄C、4％C、5％WC之外，又将步骤(3)耐磨凸台(涂层)制备工艺中，等离子熔射主要技术参数设定为：电流150A，电压40V，Ar+N₂总气量：4.5L/min，N₂气量占20％，送粉量:30g/min，除了上述两个步骤参数变化之外，其余其他工艺及参数同实施例一。

最终获得的耐磨凸台高度4mm，凸台平均直径约13mm，由凸台构成的鳞片状硬化面积占整个工件表面积的百分比为65％，凸台表面硬度可达到HRC60～62。

从本发明涂层结构图1可以看出：在金属陶瓷涂层与基体之间有一个快速熔凝过渡区，其硬度介于涂层和基体之间，有利于提高涂层与基体的结合力，过渡层微观组织结构见图2b，涂层微观组织结构见图2a。

Claims (1)

1.一种利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法，其特征在于，

第一步：原材料准备

粉末原料为Fe、Ti、W、B₄C、C、WC粉末，粉末粒度：Fe、Ti、W、C粉末粒径为61-74μm，WC、B₄C粉末粒径为44-53μm，原料配比按照质量百分数分别为：50～80％Fe、10～15％Ti、5～10％W、2～10％B₄C、0～5％C、3～10％WC，将反应原材料放入混料机中球磨4h，取出后备用；

第二步：工件表面预处理

对工件表面预处理的目的主要是提高涂层与基体结合强度，分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除工件表面的油污，再对表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色；

第三步：耐磨凸台涂层制备工艺

将表面预处理后的工件置于等离子设备工作台上，将粉末原料装入粉筒装中，以Ar和N₂为气体介质，在等离子束热源的加热作用下，粉末在预处理的工件表面上发生原位反应，形成鳞片状形态的耐磨凸台涂层；原位反应式为：

Fe+Ti+W+B₄C+C+N₂→Fe+TiB₂+TiB+TiC+Fe₂B+Fe₃C+TiN+Ti(C,N)+WC；

等离子熔射主要技术参数：电流100-200A，电压30-50V，Ar+N₂总气量：3-6L/min，N₂气量占10～30％，送粉量:10-50g/min，凸台高度3～5mm，凸台直径10～15mm，等离子发生器的移动速度、凸台部位熔射保持时间、凸台数量、由凸台塔接形成的鳞片状表面形态皆可以连续调节，由凸台构成的硬化面积占整个工件表面积的百分比为50～80％；

第四步：硬度检测及涂层修整

工件处理完毕冷却至室温后，表面硬度可达到HRC58-65，厚度3～5mm，采用SiC砂轮磨削凸台涂层表面，去掉毛刺，达到平整即可。