CN105063540A - 一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，属于钢铁材料表面改性热处理工艺技术领域。本发明的特点是在碳钢表面进行喷丸处理后，采用等离子体融化Ni-WC粉末，在材料表面形成厚度为2-5mm的涂层。涂层和基体之间形成了冶金结合，具有很高的显微硬度和优异的抗摩擦磨损性能。由于使用等离子电弧加热，本方法具有加热速率快，有效的抑制了体层再结晶和晶粒长大过程，涂层的抗疲劳磨损显著提高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及了一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，属于钢铁表面改性热处理工艺技术领域。
背景技术
等离子堆焊是一种常用的表面改性技术。通过等离子电弧的加热，使基体材料的表面形成熔池，并通过同步送粉的方式是熔融状态的粉末进入熔池。和基体材料形成冶金结合，而形成良好的涂层，从而改善基体本身的强度，耐磨性乃腐蚀性能。一般情况下，等离子堆焊技术能由于热源温度高，稀释率低的特点。因而在汽车，航天，冶金领域广泛运用于材料的表面改性和修复。改善等离子堆焊的工艺，从而对涂层的性能提高，一直受到国内外专家学者的极大关注。由于等离子堆焊热量高，单位体积内的热量的高低对材料的性能将会产生极大的影响。
发明内容
本发明通过对304不锈钢基体表面进行不同工艺参数下的单层单道堆焊镍基合金；通过涂层和基体间形成的冶金结合；Ni-WC涂层快速加热和快速冷却，有效的降低了晶粒的形核和长大的过程；为在等离子堆焊镍基碳化钨表面改性提供新工艺工程。
本发明的目的在于提高一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，具体包括以下步骤：
（1）以碳钢为基体材料，在经过表面清污、去除氧化皮处理后，对基体表面进行机械研磨处理，在基体材料的表面形成具有超细晶粒的表面层；通过机械研磨在材料的表面生成表面纳米层，减弱材料晶粒的回复再结晶过程，加强涂层和基体之间的冶金结合强度；同时减小基体材料的表面应力。
（2）将Ni粉和WC粉按质量比为10:1~10:3的比例进行混合，经球磨后得到Ni-WC复合粉末；通过球磨既能使Ni-WC粉末细化，又能使粉末进行均匀混合。
（3）采用等离子体加热的方法，将Ni-WC复合粉末融化，喷涂在经机械研磨处理后的碳钢表面；通过控制送粉速度和移动速度，在碳钢表面获得不同厚度的Ni-WC涂层。
（4）将制备Ni-WC涂层的碳钢试样，迅速放入加热炉中于400~420℃，保温1~2小时，然后冷却至200~240℃，保温2~4小时后，随炉至室温得到碳钢表面的Ni-WC涂层。
优选的，本发明步骤（1）所述机械研磨处理，其工艺条件为：在真空或氩气气氛中，使用直径为4~8mm钢球，振幅为5~10mm，频率为50KHz，进行机械研磨0.5~1小时，使碳钢基体表面100微米的范围内，形成晶粒尺寸小于5微米的表面层。
优选的，本发明步骤（2）所述球磨的具体过程为：在真空或氩气气氛中采用行星式球磨方式进行球磨，具体参数为：钢球直径为5~10mm，转速为300~500r/min，球磨时间为1.5~2小时。
优选的，本发明步骤（3）中所述等离子体加热的方法，通过氩气引弧形成等离子体，将Ni-WC复合粉通过自动送粉装置，送至等离子体中，融化后喷涂在碳钢基体表面，送粉速度为：10~30克/分钟，等离子体移动速度为：10~30毫米/分钟。
本发明的有益效果：
（1）本发明方法对低碳钢钢件表面先进行表面机械研磨处理，然后再进行等离子涂层制备；通过机械研磨在材料的表面生成表面细晶层，减弱材料晶粒的回复再结晶过程，加强涂层和基体之间的冶金结合强度；同时减小基体材料的表面应力。
（2）本发明使用等离子电弧加热，加热速率快，有效的减弱了在升温过程中的晶粒的再结晶和长大过程；同时涂层和基体冶金结合，较等离子喷涂，有效的提升了涂层的抗疲劳磨损能力由于前处理过程中的表面研磨处理和退火处理的共同作用，涂层的残余应力大量的减少，涂层的综合力学性能大幅度提升。本发明方法有效的提高了低碳钢在特种条件下的使用范围和性能，极大的提高了低碳钢的使用寿命。
（3）本发明采用控制冷却工艺，通过阶梯冷却的方法，逐步冷却到室温，使涂层组织转变充分，性能得到明显提高；同时，消除内应力，改善了涂层与基体间的特性，提高了涂层的性能。
附图说明
图1为实施例1中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的显微组织；
图2为实施例1中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的硬度变化曲线；
图3为实施例1中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的XRD谱图；
图4为实施例2中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的显微组织；
图5为实施例2中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的硬度变化；
图6为实施例2中不锈钢表面等离子制备Ni-WC涂层的XRD谱图。
具体实施方式
现将本发明具体实施例叙述于下，但本发明不限于以下所述范围。
实施例1
本实施例所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，具体包括以下步骤：
（1）以碳钢为基体材料，在经过表面清污、去除氧化皮处理后，对基体表面进行机械研磨处理，在基体材料的表面形成具有超细晶粒的表面层，其中，机械研磨处理的工艺条件为：在真空或氩气气氛中，使用直径为8mmGCr15钢球，振幅为10mm，频率为50KHz，进行机械研磨0.5小时，使碳钢基体表面100微米的范围内，形成晶粒尺寸小于5微米的表面层。
（2）将Ni粉和WC粉按质量比为10:1的比例进行混合，在真空或氩气气氛中采用行星式球磨方式进行球磨得到Ni-WC复合粉末，具体参数为：钢球直径为10mm，转速为300r/min，球磨时间为2小时。
（3）采用等离子体加热的方法，通过氩气引弧形成等离子体，将Ni-WC复合粉通过自动送粉装置，送至等离子体中，融化后喷涂在碳钢基体表面，送粉速度为：30克/分钟，等离子体移动速度为：30毫米/分钟。
（4）将制备Ni-WC涂层的碳钢试样，迅速放入加热炉中于420℃，保温2小时，然后冷却至200℃，保温4小时后，随炉至室温得到碳钢表面的Ni-WC涂层。
本实施例制备得到的碳钢表面的Ni-WC涂层，通过420℃、保温2小时和200℃、保温4小时的缓冷，致密均匀，与基体结合力好，如图1所示。涂层显微硬度适中如图2所示，涂层主要相组成如图3所示。涂层的韧性较好，提高了其综合性能。
实施例2
本实施例所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，具体包括以下步骤：
（1）以碳钢为基体材料，在经过表面清污、去除氧化皮处理后，对基体表面进行机械研磨处理，在基体材料的表面形成具有超细晶粒的表面层，其中，机械研磨处理的工艺条件为：在真空或氩气气氛中，使用直径为4mmGCr15钢球，振幅为5mm，频率为50KHz，进行机械研磨1.5小时，使碳钢基体表面100微米的范围内，形成晶粒尺寸小于5微米的表面层。
（2）将Ni粉和WC粉按质量比为10:2的比例进行混合，在真空或氩气气氛中采用行星式球磨方式进行球磨得到Ni-WC复合粉末，具体参数为：钢球直径为5mm，转速为500r/min，球磨时间为1.5小时。
（3）采用等离子体加热的方法，通过氩气引弧形成等离子体，将Ni-WC复合粉通过自动送粉装置，送至等离子体中，融化后喷涂在碳钢基体表面，送粉速度为：10克/分钟，等离子体移动速度为：10毫米/分钟。
（4）将制备Ni-WC涂层的碳钢试样，迅速放入加热炉中于400℃，保温1小时，然后冷却至240℃，保温2小时后，随炉至室温得到碳钢表面的Ni-WC涂层。
本实施例通过制备得到的碳钢表面的Ni-WC涂层后，采用两段热处理过程缓冷，强化相与基体结合好，如图4所示。涂层基体的显微硬度适中如图5所示，主要相组成如图6所示，其韧性较好，Ni-WC涂层的综合性能得到了改善。
实施例3
本实施例所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，具体包括以下步骤：
（1）以碳钢为基体材料，在经过表面清污、去除氧化皮处理后，对基体表面进行机械研磨处理，在基体材料的表面形成具有超细晶粒的表面层，其中，机械研磨处理的工艺条件为：在真空或氩气气氛中，使用直径为6mm钢球，振幅为8mm，频率为50KHz，进行机械研磨1小时，使碳钢基体表面100微米的范围内，形成晶粒尺寸小于5微米的表面层。
（2）将Ni粉和WC粉按质量比为10:3的比例进行混合，在真空或氩气气氛中采用行星式球磨方式进行球磨得到Ni-WC复合粉末，具体参数为：钢球直径为8mm，转速为400r/min，球磨时间为1.8小时。
（3）采用等离子体加热的方法，通过氩气引弧形成等离子体，将Ni-WC复合粉通过自动送粉装置，送至等离子体中，融化后喷涂在碳钢基体表面，送粉速度为：20克/分钟，等离子体移动速度为：20毫米/分钟。
（4）将制备Ni-WC涂层的碳钢试样，迅速放入加热炉中于400℃，保温1.5小时，然后冷却至240℃，保温3小时后，随炉至室温得到碳钢表面的Ni-WC涂层。
本实施例通过制备得到的碳钢表面的Ni-WC涂层后，采用两段热处理过程缓冷，涂层的综合性能得到了改善。
Claims (4)
1.一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）以碳钢为基体材料，在经过表面清污、去除氧化皮处理后，对基体表面进行机械研磨处理，在基体材料的表面形成具有超细晶粒的表面层；
（2）将Ni粉和WC粉按质量比为10:1~10:3的比例进行混合，经球磨后得到Ni-WC复合粉末；
（3）采用等离子体加热的方法，将Ni-WC复合粉末融化，喷涂在经机械研磨处理后的碳钢表面，在碳钢表面获得Ni-WC涂层；
（4）将制备Ni-WC涂层的碳钢试样，迅速放入加热炉中于400~420℃，保温1~2小时，然后冷却至200~240℃，保温2~4小时后，随炉至室温得到碳钢表面的Ni-WC涂层。
2.根据权利要求1所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中对碳钢基体表面进行机械研磨处理的工艺条件为：在真空或氩气气氛中，使用直径为4~8mm钢球，振幅为5~10mm，频率为50KHz，进行机械研磨0.5~1小时。
3.根据权利要求1所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，其特征在于：步骤（2）所述球磨的具体过程为：在真空或氩气气氛中采用行星式球磨方式进行球磨，具体参数为：钢球直径为5~10mm，转速为300~500r/min，球磨时间为1.5~2小时。
4.根据权利要求1所述在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，其特征在于：步骤（3）中所述等离子体加热的方法，通过氩气引弧形成等离子体，将Ni-WC复合粉通过自动送粉装置，送至等离子体中，融化后喷涂在碳钢基体表面，送粉速度为：10~30克/分钟，等离子体移动速度为：10~30毫米/分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |