CN109133937B - 三元硼化物及其制备方法和应用 - Google Patents

三元硼化物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元硼化物及其制备方法和应用，属于金属材料的镀覆领域。其目的是为了提供一种制备简便、成本低的三元硼化物及其制备方法和应用。本发明三元硼化物是由包括26.6份TiO2、35.9份Cr2O3、25.9份B4C、11.6份C的原料制备得到的；本发明的三元硼化物用于制备铁基耐磨涂层。本发明的三元硼化物可用于增强铁基涂层，采用该三元硼化物制备得到的涂层稀释率低，热影响区小，与基体的结合力强，为冶金结合，涂层的厚度可调，且制造成本低。

Description

三元硼化物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属材料的镀覆领域，特别是涉及一种用于铁基耐磨涂层的三元硼化物及其制备方法和应用。
背景技术
Fe60合金粉末是典型的激光制备高硬度高耐磨合金涂层的原材料之一，其缺点是熔点较高、自熔性较差、激光熔覆层裂纹敏感性大、容易产生气孔等，这些缺点限制了其应用的广泛性。特别是当利用激光熔覆沉积制备大尺寸高厚度(＞3mm)摩擦零件时，应力和组织相变应力导致的裂纹使制约激光成形高性能摩擦零件的关键难题。因此，对于激光增材制造高耐磨铁基合金零件，需要从合金成分设计入手、通过添加增强增韧成分形成新的合金成分体系，研究激光增材制造调控组织结构与性能新方法。
三元硼化物具有高硬度、高弯曲强度、低密度、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，以及与钢基体的热膨胀系数接近等特性，是钢基体理想的覆层材料。铁基合金来源广泛、价格低廉，在低于200℃时硬度及性能良好，但是在熔覆用铁基合金粉末中加入三元硼化物，以此来制备高耐磨铁基涂层的研究却不多见。
目前研究较多的三元硼化物为Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB，虽然具有较高的硬度、耐磨性、耐蚀性，但是由于含有金属钼、钨，价格很高。本发明旨在研发低成本三元硼化物，并用与增强铁基合金，提高铁基涂层的耐磨性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备简便、成本低的三元硼化物及其制备方法和应用，本发明的三元硼化物用于强化铁基耐磨涂层，得到的涂层具有较高硬度和极佳的耐磨损性能，成本低，易于实现工业化。
本发明涉及一种三元硼化物，所述三元硼化物为Cr0.5Ti0.5B2。
优选地，所述三元硼化物是由包括26.6份TiO2、35.9份Cr2O3、25.9份B4C、11.6份C的原料制备得到的；
以上份数均为质量份数。
本发明还涉及一种三元硼化物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
按照质量份数分别称取26.6份TiO2粉末、35.9份Cr2O3粉末、25.9份B4C粉末、11.6份C粉，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入聚乙烯醇和纯净水；经过球磨混料、喷雾造粒、反应烧结制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物。
优选地，所述聚乙烯醇的加入量为混合粉末1的1.5wt％。
优选地，所述纯净水的加入量是1kg混合粉末1中加入1L纯净水。
优选地，所述球磨混料中球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h。
优选地，所述烧结的烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1300～1400℃，保温时间2h，随炉冷却。
优选地，所述制备得到的三元硼化物的粒径为90～150μm。
本发明还涉及一种三元硼化物的应用，所述三元硼化物用于制备铁基耐磨涂层。
本发明三元硼化物及其制备方法和应用与现有技术不同之处在于：
本发明提供了一种新的三元硼化物(Cr0.5Ti0.5B2)，其可用于增强铁基涂层，采用该三元硼化物制备得到的涂层稀释率低，热影响区小，与基体的结合力强，为冶金结合，涂层的厚度可调，且制造成本低。
2、采用本发明的三元硼化物制备得到的铁基涂层具有很高的硬度和耐磨性，在挖土机铲齿、球磨机衬板、煤矿所用刮板输送机、轴承等需要耐磨的地方都可以应用。
附图说明
图1为验证试验中得到的三元硼化物增强铁基高耐磨涂层截面形貌图；
图2为验证试验中得到的三元硼化物增强铁基高耐磨涂层的X射线衍射图。
具体实施方式
通过以下实施例和验证试验对本发明的三元硼化物及其制备方法和应用作进一步的说明。
实施例1
本实施例的三元硼化物按以下步骤进行制备：
分别称取TiO2粉末26.6kg、Cr2O3粉末35.9kg、B4C粉末25.9kg、C粉11.6kg，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入1.5kg聚乙烯醇和100L纯净水；经过球磨混料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h，喷雾造粒、反应烧结(烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1300～1350℃，保温时间2h，随炉冷却)制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物粉末(所制备的三元硼化物粉末粒径为90～150μm)。
实施例2
本实施例的三元硼化物按以下步骤进行制备：
分别称取TiO2粉末26.6kg、Cr2O3粉末35.9kg、B4C粉末25.9kg、C粉11.6kg，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入1.5kg聚乙烯醇和100L纯净水；经过球磨混料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h，喷雾造粒、反应烧结(烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1350～1400℃，保温时间2h，随炉冷却)制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物粉末(所制备的三元硼化物粉末粒径为70～130μm)。
实施例3
本实施例的三元硼化物按以下步骤进行制备：
分别称取TiO2粉末26.6kg、Cr2O3粉末35.9kg、B4C粉末25.9kg、C粉11.6kg，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入1.5kg聚乙烯醇和100L纯净水；经过球磨混料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h，喷雾造粒、反应烧结(烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1300～1400℃，保温时间2h，随炉冷却)制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物粉末(所制备的三元硼化物粉末粒径为100～150μm)。
实施例4
本实施例的三元硼化物按以下步骤进行制备：
分别称取TiO2粉末26.6kg、Cr2O3粉末35.9kg、B4C粉末25.9kg、C粉11.6kg，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入1.5kg聚乙烯醇和100L纯净水；经过球磨混料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h，喷雾造粒、反应烧结(烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1320～1380℃，保温时间2h，随炉冷却)制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物粉末(所制备的三元硼化物粉末粒径为40～100μm)。
实施例5
本实施例的三元硼化物按以下步骤进行制备：
分别称取TiO2粉末26.6kg、Cr2O3粉末35.9kg、B4C粉末25.9kg、C粉11.6kg，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入1.5kg聚乙烯醇和100L纯净水；经过球磨混料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h，喷雾造粒、反应烧结(烧结制度为：Ar2保护，控制温度在1380～1400℃，保温时间2h，随炉冷却)制备得到Cr0.5Ti0.5B2，即三元硼化物粉末(所制备的三元硼化物粉末粒径为10～70μm)。
验证试验
采用上述实施例1-5中制备得到的三元硼化物制作三元硼化物强化铁基耐磨涂层，具体按以下步骤进行：
(1)Q235钢基体的表面处理：首先用刚玉砂轮机对Q235钢基体进行打磨，去除表面的锈迹并增加表面的粗糙度，然后用砂纸打磨平整，用酒精擦拭干净并吹干；
(2)感应熔覆预涂层的制备：将实施例1-5制备得到的三元硼化物粉末和Fe60合金粉末按质量比为3:97混合得到合金粉末，向合金粉末中加入合金粉末5wt％的水玻璃和10wt％的去离子水调制成糊状涂覆于基体表面，形成一层预置涂层，预置涂层的厚度为1mm；
(3)采用感应熔覆设备(感应熔覆设备为高频感应加热设备，所用的加热电流为700A，感应线圈与试样的距离为0.8mm)加热上述预置涂层，使预置涂层以及部分Q235钢熔化形成熔池并发生冶金反应，即形成三元硼化物强化铁基耐磨涂层。
对上述得到的三元硼化物铁基耐磨涂层进行组织结构、硬度、耐磨性实验。利用日本理学生产的型号为SmartLab的X射线衍射仪(采用铜靶Kα射线辐射，波长为
Figure BDA0001758157700000041
)对涂层组织进行物相分析，测试结果如图2所示。采用HXD-1000TM数字式显微硬度计对铁基涂层取五点测量硬度，得到该涂层的平均维氏硬度，载荷为200g。采用兰州物理化学研究所HT-600型高温摩擦磨损试验机测试铁基涂层的磨损性能，磨损试样尺寸为10mm×10mm×10mm，测试条件：对磨球为钢球(GCr15，其硬度为810HV)，所加载荷1140g，磨损直径2mm，转速为498r/min，磨损时间为60min，温度为室温、干燥无润滑，在实验前、后，将试件放入盛有酒精的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗20分钟，然后充分干燥。实验采用Fe60粉末制备涂层作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该成分的相对耐磨性。
图1为上述所得到的三元硼化物增强铁基高耐磨涂层截面形貌图，从图中可以看出，涂层与基体有明显的“白亮带”，为冶金结合，熔覆层由连接成体且颜色较浅的a相(γ-(Cr-Ni-Fe-C))和灰色的b相(Cr7C3、Cr2B、Fe1.1Cr0.9B0.9)，呈层状分布的共晶组织c(TiB2、Cr0.5Ti0.5B2)和分布在晶界上的点状析出物d(各种强化相颗粒)组成。图2为实施例3所得到的三元硼化物增强铁基高耐磨涂层X射线衍射图，该图表明，涂层中含有γ-(Cr-Ni-Fe-C)相、三元硼化物Cr0.5Ti0.5B2、TiB2、Cr7C3、Cr2B、Fe1.1Cr0.9B0.9等相。
表1列出了实施例1-5得到的三元硼化物采用同样的操作形成的涂层和对比例的硬度、磨损失重量和相对耐磨性，涂层的硬度均大于对比例，相对耐磨性是对比例的5倍以上。
表1实施例1-5和对比例Fe60涂层的硬度、磨损失重量和相对耐磨性
实施例 平均硬度/HV<sub>0.2</sub> 磨损失重/mg 相对耐磨性
1 795 0.8 8.5
2 812 0.75 9.07
3 791 0.8 8.5
4 837 0.6 11.33
5 864 0.53 12.83
对比例Fe60 542 6.8 1
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：制备方法为：
(1)Q235钢基体的表面处理：首先用刚玉砂轮机对Q235钢基体进行打磨，去除表面的锈迹并增加表面的粗糙度，然后用砂纸打磨平整，用酒精擦拭干净并吹干；
(2)感应熔覆预涂层的制备：将三元硼化物粉末和Fe60合金粉末按质量比为3:97混合得到合金粉末，向合金粉末中加入合金粉末5wt％的水玻璃和10wt％的去离子水调制成糊状涂覆于基体表面，形成一层预置涂层，预置涂层的厚度为1mm；
(3)采用感应熔覆设备加热上述预置涂层，使预置涂层以及部分Q235钢熔化形成熔池并发生冶金反应，即形成三元硼化物强化铁基耐磨涂层；
所述三元硼化物粉末采用三元硼化物制得，所述三元硼化物为Cr0.5 Ti0.5 B2；所述三元硼化物是由包括26.6份TiO2 、35.9份Cr2 O3、25.9份B4 C、11.6份C的原料制备得到的；
以上份数均为质量份数。
2.根据权利要求1所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于，三元硼化物的制备方法包括以下步骤：
按照质量份数分别称取26.6份TiO2 粉末、35.9份Cr 2O3 粉末、25.9份B4 C粉末、11.6份C粉，混合得到混合粉末1，向混合粉末1中加入聚乙烯醇和纯净水；经过球磨混料、喷雾造粒、反应烧结制备得到Cr0.5 Ti0.5 B2 ，即三元硼化物。
3.根据权利要求2所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：所述聚乙烯醇的加入量为混合粉末1的1.5wt％。
4.根据权利要求3所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：所述纯净水的加入量是1kg混合粉末1中加入1L纯净水。
5.根据权利要求4所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：所述球磨混料中球磨机的转速为300r/min，球磨时间2h。
6.根据权利要求5所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：所述烧结的烧结制度为：Ar2 保护，控制温度在1300～1400℃，保温时间2h，随炉冷却。
7.根据权利要求6所述的一种三元硼化物强化铁基耐磨涂层，其特征在于：所述制备得到的三元硼化物的粒径为10～150μm。
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