CN108866544A - 一种WC增强Fe基涂层及其制备方法 - Google Patents

一种WC增强Fe基涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种WC增强Fe基涂层及其制备方法，选用碳素钢或合金钢作为涂层基材，以铁基自溶性合金粉作为涂层粘接基材料，以混合WC粉末作为增强相并采用后送粉式添加，在磁场的辅助下制备出具有复合增强相的熔覆涂层。本发明方法对于原有的WC颗粒增强Fe基熔覆涂层技术做出了改进，在相互弥补了熔覆时多边形WC颗粒流动性差以及球形WC颗粒铸造缺陷多的同时，涂层又可以在磁场的作用下得到细小的晶粒，以达到增强熔覆涂层的目的。由本发明制得的铁基涂层具有较高的硬度和较好的耐磨性。

Description

一种WC增强Fe基涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种WC增强Fe基涂层及其制备方法，属于材料熔覆涂层技术领域。
背景技术
颗粒增强金属复合材料是以金属或合金粉末为基材，颗粒作为增强相，复合而成的一种材料。例如，将陶瓷颗粒与金属粉体混合，通过等离子熔覆技术，可制备各种高体积分数的颗粒增强钴基、铁基和镍基复合涂层，与传统金属材料相比较，颗粒增强金属复合材料有其自身的优点，通过改善工艺和复合条件，基体合金粉末和增强颗粒可以发挥各自的优势，获得更高的比刚度和比强度，更好的耐热性能、较低的热膨胀系数，且颗粒增强金属基复合材料拥有较好的塑形、韧性和可加工性。
碳化钨(WC)陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度及良好的稳定性，与金属基体的润湿性好等优点，故常用作耐磨材料的增强相。球形WC流动性好，但是铸造缺陷多，性能不如多边形WC；而多边形WC流动性不如球形WC，不易进入涂层且集中在涂层中的中上部位置。
而磁场对熔覆后熔池的金属熔液流动、结晶形核及晶粒长大有着显著的影响。研究表明：一方面，磁场能够通过电磁搅拌作用破碎已成型的树枝晶，增大形核率；另一方面，根据电磁制动效应，磁场能够阻碍熔覆熔体的自然对流，从而抑制晶粒的长大。通过这两个方面的作用，可以得到晶粒更为细小的涂层，涂层的硬度及耐磨性均优于普通涂层。
发明内容
本发明旨在提供一种WC增强Fe基涂层及其制备方法，以提高铁基涂层的硬度和耐磨性。本发明方法对于原有的WC颗粒增强Fe基熔覆涂层技术做出了改进，在相互弥补了熔覆时多边形WC颗粒流动性差以及球形WC颗粒铸造缺陷多的同时，涂层又可以在磁场的作用下得到细小的晶粒，以达到增强熔覆涂层的目的。
本发明WC增强Fe基涂层，其原料及配比构成如下：
WC混合粉末10～15wt％，余量为铁基自熔性合金粉。
所述WC混合粉末由球形WC粉末和多边形WC粉末混合构成，球形WC粉末和多边形WC粉末的配比按质量份数为：球形WC粉末40～60质量份，多边形WC粉末40～60质量份。
所述铁基自溶性合金粉为Fe、C、Cr、B、Si及其它金属和非金属元素，其中Fe元素含量不低于80％。
所述其它金属和非金属元素包括Ni、Nb、V、Zr、RE、N、H、O、Al、Cu、Co、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Sn、Pb、Ba等中的一种或多种。
所述WC混合粉末的粒径为80～200目；所述铁基自溶性合金粉的粒径为60～150目。
本发明WC增强Fe基涂层的制备方法，选用碳素钢或合金钢作为涂层基材，以铁基自溶性合金粉作为涂层粘接基材料，以混合WC粉末作为增强相并采用后送粉式添加，在磁场的辅助下制备出具有复合增强相的熔覆涂层，具体包括如下步骤：
步骤1：材料准备
粘结基材料选用铁基自溶性合金粉；将球形WC粉末和多边形WC粉末加入混粉机中混合4～8h，获得WC混合粉末；基材使用含碳量0.2～0.7wt％的碳素钢或合金钢；
步骤1中，所述铁基自溶性合金粉优选为Fe313自熔性合金粉末。Fe313自熔性合金粉末的成分见下表1。
表1Fe313自熔性合金粉末的成分
Fe313 C Si Cr Ni B Fe
wt(％) 0.1 1 15 0 1 bal.
步骤2：预处理
将铁基自溶性合金粉以及WC混合粉末置于干燥箱中干燥除去水分，干燥温度为60～100℃，干燥时间为5～8h；
对熔覆的基材进行打磨处理，除去其表面锈迹及灰尘等，并用酒精清洗吹干，以免对涂层与基体的结合性造成影响，在熔覆前对基材进行60℃预热处理，防止由于基材受热不均匀得到的涂层中存在裂纹。
步骤3：等离子熔覆
将预处理后的铁基自溶性合金粉加入等离子机送粉器中，预处理后的WC混合粉末加入后送粉器中，在环形磁铁及饼状磁铁产生的磁场辅助下进行等离子熔覆，磁场强度为0.4T～0.7T；
熔覆工艺参数为：熔覆所使用工作气为氩气，工作气压力0.2～0.3MPa，冷却水压力0.1～0.2MPa，熔覆电流100～120A，粘结基粉料送粉量为10～14g/min，后送粉电压8～12V，熔覆扫描速度为60～120mm/min，离子气流为300～600L/h，保护气流为800～1000L/h，送粉气流为300～600L/h，熔覆喷嘴与铁基表面距离为8～12mm。
步骤4：热处理
对步骤3等离子熔覆后的工件进行退火处理，将其用铸铁铁屑覆盖密封加热到650～750℃，保温2～4h后缓慢冷却；
步骤5：后处理
对退火后的铁基工件用酒精进行清洗并吹干，去除表面污垢，然后在干燥箱中60～100℃干燥处理2～10h。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
球形WC颗粒流动性好，熔覆后多集中在涂层中部及中下部，而多边形WC颗粒流动性差，不易进入涂层且多集中在涂层的中上部。涂层避免了只添加多边形WC，涂层整体强化效果不明显的同时，也避免了只添加球形WC时，球形WC颗粒铸造缺陷多，强化性能不如多边形的缺点。
添加的磁场对熔覆后熔池的金属熔液流动、结晶形核及晶粒长大有着显著的影响。成长中的树枝晶破碎，使晶核数目增加，形核率增大；此外，在电磁制动效应的作用下，熔覆熔体的自然对流被磁场所阻碍，从而晶粒的长大过程得到抑制。通过这两个方面的作用，得到晶粒更为细小的涂层，涂层的硬度及耐磨性均优于普通涂层。
附图说明
图1是本发明熔覆工作示意图。其中：1为工作盘，置于工作盘1上的圆环形钕铁硼磁铁2以及吸附在工作盘1的饼状钕铁硼磁铁5，等离子喷枪3在较强的磁场下对工件4进行等离子熔覆。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案作详细说明。以下实施例是说明性的，而不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
对于实施例中粉末粒度的选择见下表：
表2实施例中使用的各粉末粒度参数选择如下
粉末 Fe313 球形WC 多边形WC
粒度(目) 90 120 120
实施例1：
本实施例中WC增强Fe基涂层的制备方法如下：
1、材料准备
粘结基材料选用Fe313自熔性合金粉末；增强颗粒选用球形WC粉末及多边形WC粉末，将两种粉末放在混粉机中混合5h；基材使用45钢；
2、预处理
将Fe313自熔性合金粉末及混合的WC粉末放在干燥箱中进行干燥以去除水分，选用干燥温度为80℃，时间为6h。
对熔覆的基材进行打磨处理，除去其表面锈迹及灰尘等，并用酒精清洗吹干，以免对涂层与基体的结合性造成影响，在熔覆前对基材进行60℃预热处理，防止由于基材受热不均匀得到的涂层中存在裂纹。
3、等离子熔覆
将处理后的Fe313粉料加入等离子机送粉器，混合的WC粉加入后送粉器中，在环形磁铁及饼状磁铁产生的磁场辅助下进行等离子熔覆；熔覆工艺参数为：熔覆所使用工作气为氩气，工作气压力0.3MPa，冷却水压力0.2MPa，熔覆电流120A，粘结基粉料送粉量为12g/min，后送粉电压8V，熔覆扫描速度为65mm/min，离子气流为300L/h，保护气流为800L/h，送粉气流为300L/h，熔覆喷嘴与铁基表面距离为8mm。
4、热处理
对等离子熔覆后的工件进行退火处理，将其用铸铁铁屑覆盖密封加热到680℃，保温3h后缓慢冷却；
5、后处理
对退火后的铁基工件用酒精进行清洗并吹干，去除表面污垢，然后在干燥箱中80℃干燥处理5h。
实施例2～6的制备过程参见实施例1，不同的是主要实验参数设定如下：
表3实施例1～6中主要实验参数
实施例中，熔覆电流设置为120A，离子气流量为300L/h，保护气流量800L/h，送粉气流量300L/h。
实施例结果分析：
通过后送粉管技术，WC颗粒在熔覆层中溶解较少，比较完整的保留了WC颗粒，增强效果显著。WC颗粒分布较为均匀，其中球形WC颗粒流动性好，大部分集中在涂层中部及中下部，而多边形WC颗粒流动性较差不易进入涂层且多集中在涂层中上部的位置，熔覆层的整体性能有较为明显的提升。对实施例1、2和3例进行了相关性能检测，其中硬度测量统一选取维氏硬度，耐磨性检测的实验设备采用MMW-1A摩擦磨损试验机。实施例1中，熔覆层的平均维氏硬度可达593HV2；在200N载荷，滴油润滑情况下，平均每小时磨损量为0.07g；实施例2中，熔覆层的平均维氏硬度可达619HV2；在同样条件下平均每小时磨损量为0.04g；实施例3中，熔覆层的平均维氏硬度可达582HV2，在同样条件下平均每小时磨损量为0.06g；相比于未添加磁场时，添加磁场后所制得的涂层硬度可以提升40～80HV；耐磨性能提升3％左右。当球形WC质量分数低时，集中在熔覆层中下部WC数量少，对涂层整体硬度及耐磨性能提升效果较弱；随着球形WC粉质量分数的提升，集中在涂层中下部的WC数目逐渐增多，涂层整体WC颗粒强化效果得到明显提升。后送粉电压的大小决定了混合WC粉末的送入量，随着后送粉电压的适量增大，涂层中增强相的含量随之提升，分布也更为紧密均匀，涂层增强效果越明显。

Claims (9)

1.一种WC增强Fe基涂层，其特征在于其原料及配比构成如下：
WC混合粉末10～15wt％，余量为铁基自熔性合金粉。
2.根据权利要求1所述的WC增强Fe基涂层，其特征在于：
所述WC混合粉末由球形WC粉末和多边形WC粉末混合构成，球形WC粉末和多边形WC粉末的配比按质量份数为：球形WC粉末40～60质量份，多边形WC粉末40～60质量份。
3.根据权利要求2所述的WC增强Fe基涂层，其特征在于：
所述WC混合粉末的粒径为80～200目；所述铁基自溶性合金粉的粒径为60～150目。
4.根据权利要求1所述的WC增强Fe基涂层，其特征在于：
所述铁基自溶性合金粉为Fe、C、Cr、B、Si及其它金属和非金属元素，其中Fe元素含量不低于80％。
5.根据权利要求4所述的WC增强Fe基涂层，其特征在于：
所述其它金属和非金属元素包括Ni、Nb、V、Zr、RE、N、H、O、Al、Cu、Co、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Sn、Pb、Ba等中的一种或多种。
6.一种权利要求1-5中任一种WC增强Fe基涂层的制备方法，其特征在于：
选用碳素钢或合金钢作为涂层基材，以铁基自溶性合金粉作为涂层粘接基材料，以混合WC粉末作为增强相并采用后送粉式添加，在磁场的辅助下制备出具有复合增强相的熔覆涂层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：材料准备
粘结基材料选用铁基自溶性合金粉；将球形WC粉末和多边形WC粉末加入混粉机中混合4～8h，获得WC混合粉末；基材使用含碳量0.2～0.7wt％的碳素钢或合金钢；
步骤2：预处理
将铁基自溶性合金粉以及WC混合粉末置于干燥箱中干燥除去水分，干燥温度为60～100℃，干燥时间为5～8h；
对熔覆的基材进行打磨处理，除去其表面锈迹及灰尘等，并用酒精清洗吹干，在熔覆前对基材进行60℃预热处理；
步骤3：等离子熔覆
将预处理后的铁基自溶性合金粉加入等离子机送粉器中，预处理后的WC混合粉末加入后送粉器中，在磁场辅助下进行等离子熔覆；
步骤4：热处理
对步骤3等离子熔覆后的工件进行退火处理，将其用铸铁铁屑覆盖密封加热到650～750℃，保温2～4h后缓慢冷却；
步骤5：后处理
对退火后的铁基工件用酒精进行清洗并吹干，去除表面污垢，然后在干燥箱中60～100℃干燥处理2～10h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤3中，磁场强度为0.4T～0.7T。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤3中，熔覆工艺参数为：熔覆所使用工作气为氩气，工作气压力0.2～0.3MPa，冷却水压力0.1～0.2MPa，熔覆电流100～120A，粘结基粉料送粉量为10～14g/min，后送粉电压8～12V，熔覆扫描速度为60～120mm/min，离子气流为300～600L/h，保护气流为800～1000L/h，送粉气流为300～600L/h，熔覆喷嘴与铁基表面距离为8～12mm。
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