CN104831226A - 等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺。为克服现有技术中工艺复杂、成本高、综合性能不强等缺点，本发明采用等离子喷焊方法，将Ti粉掺于Ni60B粉末中；通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；通过改变Ti粉添加量、N₂输入量，N₂与Ti粉、Ni60B中的C在熔池中发生气固反应，制得不同含量、弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。本发明制备TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层工艺巧妙、简单、高效、低成本，可用于表面强化与修复领域，极具实际推广应用价值。

Description

等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺

技术领域

本发明属于表面工程领域，涉及等离子喷焊耐磨层及工艺，尤其是一种等离子喷焊原位生成氮化物增强耐磨层及工艺。

背景技术

近年来，等离子喷焊因其熔敷率高、稀释率低、粉末适用广、生产效率高等优点，在表面工程尤其是表面强化与修复领域引起极大重视。目前，对等离子喷焊耐磨层的研究多集中在改良粉末配比以及直接添加硬质相等领域，由于现有等离子喷焊技术成本较高、工艺复杂等问题，使其未能在表面强化与修复领域得到大规模推广应用。TiN作为Ti的二元氮化物，具有高熔点(2950℃)、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高比强度、高的化学稳定性和热稳定性等优点，在机械、化工和微电子领域得到广泛应用；而C_0.3N_0.7Ti是在TiN中固溶了C元素形成的一种三元化合物，兼具有TiN和TiC的优良性能，广泛应用于耐磨零件及切削刀具等领域。

现有《一种等离子喷焊用自熔性合金粉末》(CN201010158640.7)，虽然提出了一种新的合金粉末配方，但与现有的铁基合金粉末成分变化不大，性能提升有限；现有《一种模具钢基体碳化钨增强复合材料强化层及制备工艺》(CN201110122803.0)，虽然在现有NiCrBSi合金粉末中加入10-20％的WC/Co提高了等离子喷焊层的性能，但由于直接添加的WC硬质相，在喷焊层中粒度较大、分布不均等，不能对喷焊层整体起到弥散强化的作用，喷焊层性能改善有限；现有《一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺》(CN201410349445.0)，虽然在涂层表层制备出氮化钛涂层，但是采用磁控溅射技术，涂层与基体的结合强度远达不到等离子喷焊的冶金结合强度；现有《基于微波技术制备氮化钛/氮化铬/氮化铝涂层的方法》(CN201310752554.2)，虽然在工件表面涂覆钛粉等粉末，并在氮气气氛下，采用微波加热技术生成含有氮化钛的涂层，但由于采用简单的微波加热技术，工件和涂层的结合强度同样远达不到等离子喷焊的冶金结合强度。因此，采用等离子喷焊技术，设计一套简单工艺，通过气固反应原位生成TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层极具现实意义及实际应用价值。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，本发明旨在提供一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺，不但满足现有表面强化与修复问题对喷焊层高耐磨性、基体与喷焊层高结合强度的要求，而且TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层制备工艺更加简单、高效、低成本。

为实现以上发明目的，本发明采取的技术方案是：采用等离子喷焊方法，首先将不同量、流动性好的Ti粉与Ni60B粉末均匀混合；通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；N₂与Ti粉、Ni60B中的C元素在熔池中发生气固反应，制备得不同含量、弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。

流动性好的Ti粉是指可容易通过等离子喷焊枪喷出的粉末，颗粒度为100-300目。Ni60B中按不同比例掺入Ti粉，Ni60B可用镍基、钴基、铁基、铜基以及复合自熔性合金粉末替代。在等离子喷焊系统中，Ar的存在利于起弧、稳弧以及保护熔池，添加N₂为反应提供氮源，当通入Ar、N₂混合气体作为等离子气时，控制等离子气中Ar所占比例大于2/3；控制三个通路N₂总输入量在2L/min以上，保证氮源。氮化物主要包括TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量CrN、BN硬质相，采用等离子喷焊方法，N₂与Ti粉或N₂与Ti粉以及Ni60B中的C元素或N₂与Ni60B中的Cr元素或N₂与Ni60B中的B元素在熔池中发生气固反应，生成TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量CrN、BN硬质相并弥散分布于耐磨层中，并通过改变Ti粉添加量、N₂输入量，制备得不同含量的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。本发明适用于制备Si₃N₄、BN、CrN、VN、AlN、ZrN氮化物强化层，只需将不同量、流动性好的Si、B、Cr、V、Al、Zr粉与Ni60B粉末均匀混合；在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；采用等离子喷焊方法，N₂与Si、B、Cr、V、Al、Zr粉在熔池中发生气固反应，并通过改变粉末添加比例、N₂输入量，制备得不同含量、弥散分布的Si₃N₄、BN、CrN、VN、AlN、ZrN强化层。本发明制得了一种原位生成TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。

本发明与现有技术相比具有以下优点和进步：

1、实现了气固反应与等离子喷焊技术的巧妙结合，气固反应原位生成TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层；

2、Ti粉与Ni60B粉末均匀混合以及熔池中的原位反应，实现了原位生成细小化、均匀化、弥散化的TiN、C_0.3N_0.7Ti硬质相，TiN、C_0.3N_0.7Ti硬质相对等离子喷焊层的细晶强化和弥散强化作用加强，提高了喷焊层的耐磨性、均匀性等综合性能；

3、在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；Ar的存在利于起弧、稳弧以及保护熔池，添加N₂为反应提供氮源；

4、通过改变Ti粉添加量、N₂总输入量等工艺条件，可高效制备不同含量的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层；

5、TiN、C0.3N0.7Ti硬质增强相均可由Ti粉与现有的其它镍基、钴基、铁基、铜基以及复合自熔性合金粉末协同使用制得，达到既满足实际性能需要，又成本低廉的目的；

6、本发明制备TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层的工艺更加巧妙、简单、高效、低成本，可用于表面强化与修复领域，易于实际推广应用；

7、本发明易于推广到其它氮化物强化层的制备，只需将Ti粉替换为流动性好的Si、B、Cr、V、Al、Zr粉，即可制备Si₃N₄、BN、CrN、VN、AlN、ZrN等其它氮化物强化层。

附图说明

图1为实施例1中等离子喷焊层X射线衍射图谱；

图2为实施例1中等离子喷焊层界面(结合)区显微组织形貌；

图3为实施例1中等离子喷焊层显微组织形貌；

图4为实施例1中等离子喷焊层界面(结合)区扫描电镜形貌

图5为实施例1中等离子喷焊层扫描电镜形貌；

图6为图5中2处能谱分析结果；

图7为实施例2中等离子喷焊层X射线衍射图谱；

图8为实施例2中等离子喷焊层界面(结合)区扫描电镜形貌

图9为实施例2中等离子喷焊层扫描电镜形貌；

图10为图9中2处能谱分析结果。

具体实施方式

下面结合实例对等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺做进一步说明。

实施例1：

等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层具体工艺如下：

(1)将15gTi粉与85gNi60B粉末均匀混合后放于110℃真空干燥箱内干燥；粉末颗粒度均为100-300目；

(2)先将预喷焊工件表面用丙酮擦拭去除油污等，并烘干，以避免气孔与夹渣；

(3)喷焊前对工件进行预热处理，以去除水份、避免裂纹产生等；

(4)启动等离子喷焊系统，设置等离子喷焊工艺参数，等离子喷焊主要工艺参数如表1所示；

表1等离子喷焊主要工艺参数

(5)将Ti粉与Ni60B混合粉末放于自动送粉罐中；

(6)调节气体通路，在等离子喷焊系统中，等离子气、送粉气、保护气气路均通入Ar、N₂混合气体，并控制等离子气中Ar比例大于2/3，控制三个通路N₂总输入量在2L/min以上，Ar的存在利于起弧、稳弧以及保护熔池，添加N₂为反应提供氮源；

(7)加载非转移弧电流，非转移弧起弧后，加载转移弧电流，待喷焊工件表面形成熔池后，开启送粉开关，启动喷焊小车施焊。

等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层的表征与分析如下：

(1)对等离子喷焊层做X射线衍射分析，结果如图1所示，等离子喷焊层中原位生成了TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量的CrN、BN、TiC等硬质相。

(2)对等离子喷焊层界面(结合)区及中部分别做金相显微观察，结果如图2、3所示。可以看到等离子喷焊层中原位生成的弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti硬质相(金相显微镜下中均呈金黄色)。

(3)对等离子喷焊层界面(结合)区及中部分别做扫描电镜分析，结果如图4、5所示，并对图5中2处做能谱分析，结果如图6所示。可以看到等离子喷焊层中原位生成的弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti硬质相(扫描电镜下均呈浅黑色共生块状)，如图5中1所示。

实施例2：

将10gTi粉与90gNi60B粉末均匀混合后放于110℃真空干燥箱内干燥，粉末颗粒度均为100-300目；通入纯Ar作为等离子气，通入纯N₂作为送粉气，通入纯Ar作为保护气；等离子喷焊主要工艺参数如表2所示；其它具体制备工艺如实施例1所述。

表2等离子喷焊主要工艺参数

等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层的表征与分析如下：

(1)对等离子喷焊层做X射线衍射分析，结果如图7所示，等离子喷焊层中原位生成了TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量的CrN、BN、TiC等硬质相。

(2)对等离子喷焊层界面(结合)区及中部分别做扫描电镜分析，结果如图8、9所示，并对图9中2处做能谱分析，结果如图10所示。可以看到等离子喷焊层中原位生成的弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti硬质相(扫描电镜下呈浅黑色共生块状)，如图9中1所示。

Ti粉与Ni60B粉末混合比例不局限于上述实施例，可根据需要拟定Ti粉与Ni60B粉末混合比例，通过改变Ti粉添加量、N₂输入量，制备不同含量的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。

在上述实施例中，等离子喷焊主要工艺参数范围如表3所示。

表3等离子喷焊主要工艺参数范围

在上述实施例中，除了掺杂镍基合金外，还有钴基、铁基、铜基以及复合自熔性合金粉末也适用。例如镍基自熔性合金粉末有：Ni16、Ni25、Ni35、Ni45、Ni55、Ni60、Ni62等；钴基自熔性合金粉末有：Co42、Co50、Co60等；铁基自熔性合金粉末有：Fe30、Fe45、Fe55、Fe60、Fe65等；铜基自熔性合金粉末有：Tuc1、Tuc2等；复合自熔性合金粉末有：NiCr-Cr₃C₂、NiWC25、NiWC35、CoWC35、WC-CO12等。

等离子气、送粉气、保护气气路气体种类组合不局限于上述实施例，主要组合如表4所示。

表4等离子气、送粉气、保护气气路气体种类主要组合

Claims (10)

1.一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征是：采用等离子喷焊方法，首先将不同量、流动性好的Ti粉与Ni60B粉末均匀混合；通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；N₂与Ti粉、Ni60B中的C元素在熔池中发生气固反应，制备得不同含量、弥散分布的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。

2.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于流动性好的Ti粉是指可容易通过等离子喷焊枪喷出的粉末，颗粒度为100-300目。

3.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于Ni60B中按不同比例掺入Ti粉。

4.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于Ni60B粉末可用镍基、钴基、铁基、铜基以及复合自熔性合金粉末替代。

5.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；当通入Ar、N₂混合气体作为等离子气时，控制等离子气中Ar所占比例大于2/3；控制三个通路N₂总输入量在2L/min以上。

6.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于氮化物主要包括TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量CrN、BN硬质相，采用等离子喷焊方法，N₂与Ti粉或N₂与Ti粉以及Ni60B中的C元素或N₂与Ni60B中的Cr元素或N₂与Ni60B中的B元素在熔池中发生气固反应，生成TiN、C_0.3N_0.7Ti以及少量CrN、BN硬质相并弥散分布于耐磨层中。

7.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于通过改变Ti粉添加量、N₂输入量，制备得不同含量的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。

8.按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，适用于制备Si₃N₄、BN、CrN、VN、AlN、ZrN氮化物强化层。

9.按权利要求8所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺，其特征在于只需将不同量、流动性好的Si、B、Cr、V、Al、Zr粉与Ni60B粉末均匀混合；在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、N₂混合气体作为等离子气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为送粉气，通入纯N₂或Ar、N₂混合气体作为保护气；采用等离子喷焊方法，N₂与Si、B、Cr、V、Al、Zr粉在熔池中发生气固反应，并通过改变粉末添加比例、N₂输入量，制备得不同含量、弥散分布的Si₃N₄、BN、CrN、VN、AlN、ZrN强化层。

10.一种按按权利要求1所述的一种等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层工艺制得的TiN、C_0.3N_0.7Ti增强耐磨层。