CN106148952B - 一种原位自生超粗晶wc增强铁基耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐磨涂层领域,特别是一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法。所述方法为将包含W粉、C粉、Fe‑Ni粉的合金粉送入预热处理的基板上,再利用氩气等离子对合金混合粉末进行加热熔化,经原位反应获得耐磨涂层。本发明采用等离子原位合成法制备超粗晶WC铁基涂层,延长液相区间,延长了WC生长时间,获得较大尺寸超粗晶WC。与外加法制备WC复合涂层相比,原位合成法省去了繁琐的WC表面预处理工序,从而简化了制备工艺,节省了时间和成本,使用性能得到较大提高。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨涂层领域,特别是一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法。
背景技术
超粗晶WC(碳化钨)硬质合金的断裂方式为穿晶断裂,由于裂纹穿晶断裂相比沿晶断裂所消耗的断裂能更多,从而超粗晶WC(粒度大于20μm)硬质合金相比粗晶和细晶WC硬质合金具有更高的断裂韧性。所以超粗晶WC硬质合金被广泛用于采矿、凿岩、采掘及钻探等高冲击载荷和高应力磨料磨损等极其严酷工况下工作。目前硬质合金制造时需预先制备好WC颗粒,然后利用真空烧结粉末冶金法把WC与基体金属烧结在一起,由于外加WC颗粒与基体的界面结合力较弱,所以存在磨损中WC颗粒容易从基体中脱落导致涂层提前失效的问题。原位合成法是利用合金元素的化学反应在基体中直接生成WC颗粒,从而避免了复杂的前处理工艺使制造成本降低,同时原位自生的WC颗粒与基体金属之间结合力高,可解决WC脱落问题,具有十分重要的创新价值和工程应用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法,由于原位自生的WC与基体金属界面之间可达到理想的原位匹配获得较大结合力,同时超粗晶WC颗粒根植于基体部分的比表面积大不容易从基体中拔出,从而有效避免了冲击磨损发生增强相脱落现象。
本发明的技术构思:本发明采用等离子原位合成法制备超粗晶WC铁基涂层。由于W(钨)为弱碳化物形成元素, W(钨粉)+C(石墨粉)=WC原位合成反应所需的反应动力学时间较长,所以直接采用传统工艺很难合成超粗晶WC。如果对原位合成反应的液相区间做保温处理来增加其停留时间,不仅可获得W+C=WC化学反应所需的动力学时间,而且延长了WC生长时间,生成较大尺寸超粗晶WC。所以原位合成超粗晶WC在理论上是可行的。
本发明技术方案为:
一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征为:在表面预处理过的金属基板上,采用等离子原位合成法制备超粗晶WC增强耐磨涂层,具体步骤为:
1)对基板按形状尺寸要求进行机械加工进行预处理,将预处理好的基板放入工件台,夹紧固定;
2)合金粉末选用W粉、Cr3C2粉、C(石墨)粉、Fe-Ni粉,按比例配比后用混粉器混合,并把混合均匀的粉末装入载流气体为氩气的送粉器中;
3)利用氧乙炔焰对基板待制备涂层区域进行预热处理,得到预处理后的基板;
4)步骤2)送粉器将合金粉送入在步骤3)预处理后的基板上,同时利用氩气等离子对合金混合粉末进行加热熔化,经原位反应获得耐磨涂层。
优选地,所述基板材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。
优选地,所述步骤1)基板预处理方法为用丙酮清洗表面的油脂;若基板为失效零部件再制造时,若为失效零部件再制造时,则需对其表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面油脂。
优选地,所述步骤2)W粉、C粉和Fe-Ni自熔性合金混合粉末的质量百分比为,W粉为30~70%、C粉为5~8%、余量为Fe-Ni粉。
优选地,所述步骤2)W粉粒度为120~150μm,C粒度为180~250μm,Fe-Ni粉粒度为60~180μm。
优选地,所述步骤3)基板的预热温度为200~250℃。
优选地,所述步骤4) 氩气等离子熔覆工艺为:转弧电流为:90~110A;电压为:40~50V;混合粉末送粉速度为:10~15g/min;离子气流量为:5~7L/min;送粉气流量为:2~3L/min;保护气流量为:6~8L/min;熔覆速度为:40~60mm/min,涂层边制备边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。
进一步优选地,所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维,其厚度为30~50mm,其耐热温度为1200~1300℃。
本发明有益效果:
(1) 该方法为原位自生超粗晶WC,不仅WC与基体界面结合力大,且超粗晶WC颗粒深植于基体部分的比表面积大不容易拔出,可解决增强相磨损脱落问题。
(2) 该方法制备的WC颗粒是在合金成分相对较均匀的熔体中结晶,自生的WC晶核在熔体中能均匀分布。
(3) 用来合成WC的原料较便宜,制备所用的等离子束设备简单,且移动灵活不受使用场地限制。
(4) 该方法对基板材料的形状适应性强,可在规则、非规则零部件表面,或大于一定尺寸的内腔表面制备涂层。
(5) 采用原位合成法制备超粗晶WC复合增强涂层,可解决外加WC增强相使用的局限性。原位自生的WC是在金属基体内形核长大,因此WC表面干净无污染与母相基体的相溶性好,两者界面结合强度高,不容易发生脱落。同时超粗晶WC根植于基体的比表面积大不容易被拔出。另外,与外加法制备WC复合涂层相比,原位合成法省去了繁琐的WC表面预处理工序,从而简化了制备工艺,节省了时间和成本,并使性能得到较大提高。
(6) 对基板进行预热处理减缓冷却速度,同时利用高温陶瓷纤维对熔池进行保温使能够延缓凝固速度,从而延长液态熔池的停留时间,使弱碳化物形成元素W与C具有足够的时间进行原位反应生成WC并长大为超粗晶颗粒。
(7) C粉粒径选择了合适的粒径180~250μm,过大会因无法溶解而不能发生反应,过小则容易被吸附在管壁致送粉不畅,进而影响WC的生核长大。
(8) 本发明工艺中采用的是边送粉边加热的工艺,不仅提高了WC晶体的合成效率,同时原位合成的WC晶体品质更加稳定。
(9) 在氩气等离子熔覆工艺中选择了合适熔覆速度,使熔池金属获得较长时间的热平衡,延长了液相区停留时间,使弱碳化物形成元素W与C具有足够的时间进行原位反应生成WC超粗晶颗粒。
(10) 本发明同时结合预热和后热保温工艺,使涂层熔池在液相下停留一定时间,保障原位冶金化学反应W+C=WC充分进行,并使WC生长为超粗晶颗粒。
(11) 本发明工艺中选用了合适合金元素比例范围,从而保障原位合成反应产物为WC,避免了生成不稳定产物W2C(碳化二钨)。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明原位自生超粗晶WC增强铁基涂层工艺图。
图2为本发明涂层中原位自生超粗晶WC的微观组织图。
图3为本发明涂层中原位自生超粗晶WC的X射线衍射图。
图4 为本发明超粗晶WC涂层在300N压力下滑动500米后的磨损量。其中,涂层WC0为纯铁基涂层(WC含量为0%),WC1、WC2、WC3分别为已合成WC的涂层,WC含量为14.8%、35.9%、55.7%。
图5 为本发明超粗晶WC涂层磨损后的表面形貌,可以看到基体磨损后形成凹坑,但其周围的超粗晶WC颗粒没有发生脱落。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明,但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
本发明提出一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法,图1为原位自生超粗晶WC涂层的工艺图,图2为超粗晶WC涂层的组织图,图3为涂层的XRD衍射结果,图4为涂层磨损量对比,图5为磨损后的表面形貌。可以看到原位自生超粗晶WC涂层的耐磨性增加,且超粗晶WC与基体结合力大,WC颗粒可深植基体中,磨损时不容易脱落,抗磨损性能得到提高。
具体实施例:
对基板按形状尺寸要求进行机械加工,并用丙酮清洗表面油脂;若为失效零部件再制造时,则需对其表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面油脂;将预处理好的基板放入工件台,夹紧固定。
以下通过三个实施例,来完成原位自生超粗晶WC增强铁基涂层的制备:
实施例1
将32%的W粉(W≥99.8%,粒度120~150μm)、5.2%的C粉(C≥98%,粒度180~250μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为200~250℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流90~110A、电压40~50V、混合粉末送粉速度10~15g/min、离子气流量5~7L/min、送粉气流量2~3L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度40~60mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维,其厚度为30~50mm,其耐热温度为1200~1300℃。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了10.5倍(图4所示)。
实施例2
将47%的W粉(W≥99.8%,粒度120~150μm)、6.18%的C粉(C≥98%,粒度180~250μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为200~250℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流90~110A、电压40~50V、混合粉末送粉速度10~15g/min、离子气流量5~7L/min、送粉气流量2~3L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度40~60mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维,其厚度为30~50mm,其耐热温度为1200~1300℃。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了18.2倍(图4所示)。
实施例3
将62%的W粉(W≥99.8%,粒度120~150μm)、7.3%的C粉(C≥98%,粒度180~250μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为200~250℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流90~110A、电压40~50V、混合粉末送粉速度10~15g/min、离子气流量5~7L/min、送粉气流量2~3L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度40~60mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了22.8倍(图4所示)。
实施例4
将30%的W粉(W≥99.8%,粒度120μm)、6.3%的C粉(C≥98%,粒度190μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为250℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流90A、电压40V、混合粉末送粉速度10g/min、离子气流量5L/min、送粉气流量2L/min、保护气流量6L/min、熔覆速度40mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了22.7倍。
实施例5
将62%的W粉(W≥99.8%,粒度150μm)、8%的C粉(C≥98%,粒度250μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为180μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为200℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流110A、电压50V、混合粉末送粉速度15g/min、离子气流量7L/min、送粉气流量3L/min、保护气流量8L/min、熔覆速度60mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了19.7倍。
实施例6
将65%的W粉(W≥99.8%,粒度120~150μm)、7%的C粉(C≥98%,粒度200 μm)、余量为Fe-Ni自熔性合金粉(Ni=30%;Re=1%;Fe=69%,粒度为60~180μm)烘干混合均匀后装入送粉器中;对基板进行预热处理,预热温度为230℃;采用等离子熔覆工艺制备涂层,工艺参数为:转弧电流100A、电压45V、混合粉末送粉速度12g/min、离子气流量6L/min、送粉气流量2.5L/min、保护气流量7L/min、熔覆速度50mm/min;边制备涂层边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。
所得超粗晶WC增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10配副材料(洛氏硬度HRC=63±1)进行对磨试验(压力为300N,滑动500米),耐磨性与纯铁基合金涂层相比提高了25倍。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下,可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种原位自生超粗晶WC增强铁基耐磨涂层的制备方法,其特征在于:具体步骤为:
1)对基板按形状尺寸要求进行机械加工进行预处理,将预处理好的基板放入工件台,夹紧固定;
2)合金粉末选用W粉、C粉、Fe-Ni粉,按比例配比后用混粉器混合,并把混合均匀的粉末装入载流气体为氩气的送粉器中;
3)利用氧乙炔焰对基板待制备涂层区域进行预热处理,得到预处理后的基板;
4)步骤2)送粉器将合金粉送入在步骤3)预处理后的基板上,同时利用氩气等离子对合金混合粉末进行加热熔化,经原位反应获得耐磨涂层;
所述步骤4) 氩气等离子熔覆工艺为:转弧电流为:90~110A;电压为:40~50V;混合粉末送粉速度为:10~15g/min;离子气流量为:5~7L/min;送粉气流量为:2~3L/min;保护气流量为:6~8L/min;熔覆速度为:40~60mm/min,涂层边制备边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温;
所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维,其厚度为30~50mm,其耐热温度为1200~1300℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述基板材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤1)基板预处理方法为用丙酮清洗表面的油脂,若基板为失效零部件再制造时,则需对其表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理,并用丙酮清洗表面油脂。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)的合金粉末中,以质量百分比计,W粉为30~70%、C粉为5~8%、余量为Fe-Ni粉。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)W粉粒度为120~150μm,C粉粒度为180~250μm,Fe-Ni粉粒度为60~180μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤3)基板的预热温度为200~250℃。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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