CN1124786A

CN1124786A - 镍基合金-碳化铬硬面复合涂层材料及方法

Info

Publication number: CN1124786A
Application number: CN 94114245
Authority: CN
Inventors: 林化春; 丁润刚
Original assignee: QINGDAO ARCHITECTURAL ENGINEERING COLLEGE
Current assignee: QINGDAO ARCHITECTURAL ENGINEERING COLLEGE
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-06-19

Abstract

本发明涉及一种镍基合金-碳化铬硬面复合涂层材料和方法，选高硬度的自熔性合金粉末添加碳化铬，铬粉末材料，用真空熔烧法在钢基表面制备硬面涂层，具有很高抗磨耐蚀性能，比淬火45号钢干磨损提高五倍，湿磨损提高十倍，涂层与母材界面成牢固的冶金结合，结合强度达300～400N/mm²。可制备和修复低于900℃，更好是低于700℃的温度长期承受高应力作用下的抗磨耐蚀零件，有显著延长使用寿命，节约合金，设备简单，操作方便的优点。

Description

镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料及方法

本发明涉及钢基表面强化技术，特别适合钢基另件表面的镍基合金—碳化铬硬面涂层技术。

钢基表面涂层技术日益受到重视，镍基自熔合金(NiCrBSi系)涂层具有良好的抗磨耐蚀性能被广泛应用，为进一步提高其耐磨性能，人们采用不同方法向镍基合金中添加碳化物硬质点，以在涂层中获得较大比例的硬质点。我国86108069.6号专利采用等离子喷焊非自熔镍基合金加碳化物粉末涂层，还有的采用等离子喷涂制备涂层，尤其是对硬面涂层，其涂层与母材基体属机械结合，强度低，易出现裂纹和剥落不能承受较大冲击负荷，不耐高应力磨损，涂层含有一定的气隙(＜5％)使抗高温氧化及耐蚀能力较差，因而在工程应用中受到限制。《钢铁研究》(1990、No_3)魏军等人选用中等硬度的镍基合金添加含有Ni的碳化铬粉末，用真空熔烧法制得优良耐磨涂层，但未解决涂层与母材界面结合强度低的问题，至今难以在工业上推广应用。

魏军等人，曾选用中等硬度(HRC45)的镍基合金(0.7％C，3.5％Si，2.5％B，26％Cr，～5％Fe，余量Ni)添加含镍的碳化铬(75％Cr3C2＋25％Ni)混合粉末，用真空熔烧法在钢的表面制成复合涂层材料，显著提高了耐磨性。但是项目存在的主要不足之处是，由涂层与母材界面间的显微结构特征及沿涂层深度的硬度分布(渐近水平线)表明，涂层(硬度≥HV600)与母材(硬度＜HV160)界面间的结合基本上为层状粘结型的结合，因此也就未能解决硬面涂层与母材界面结合强度低的技术难题，将难以适应高交变接触应力作用的工况。

本发明的目的是提供一种高硬度的镍基合金—碳化铬硬面涂层材料和制备方法，使硬面涂层具有高强度和优良的抗磨耐蚀性能及强韧性的优点，并与基体结合牢固。

本发明的解决方案是：选用高硬度(HRC55)的镍基合金，其成份(％)为0.7C，3.5Si，3.0B，14Cr，～14Fe，余量Ni，添加含铬的碳化铬(含81.7％Cr23C6＋18.3％Cr)混合粉末，用真空熔烧法在钢的表面制备硬面复合涂层，具有优良的抗磨耐蚀性，涂层与母材基体结合牢固。

本发明镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料由两种组分复合而成，

①第一组分(即a组分)为高硬度自熔性镍基合金粉末，其成分范围(％)是：C0.6～1.0，Si3.5～5.0，B3.0～4.5，Cr14～20，Cu0～3.0，Mo0～3.0Fe＜5～15余量Ni，粉末粒度为-140～+320目。

②第二组分(即b组分)为含铬的碳化铬混合粉末，其中碳化铬(主要是Cr23C6)为80～85％(重量)，铬15～20％(重量)，总和为100％(重量)，粒度为-320目复合粉末涂层材料(a)、(b)两种组分配比为：

第一组分(a)为60～80％(重量)

第二组分(b)为20～40％(重量)(a)、(b)两种组分总和为100％(重量)。(a)组分的优选成分范围(％)：C0.7～0.8，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤14％，Ni余量，复合粉末涂层材料(a)、(b)两组分的优选配比为：第一组分(a)为75％(重量)，第二组分(b)为25％(重量)，(a)、(b)两种组分总和为100％(重量)。

(a)组分的优选成分范围(％)：C0.6～1.0，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤5.0，Cu2.0～3.0，Mo2.0～3.0，Ni余量，复合粉末涂层材料(a)、(b)两种组分的优化配比为：第一组分(a)为75％(重量)，第二组分(b)为25％(重量)，(a)、(b)两种组分总和为100％(重量)。

采用真空熔烧法，即包括配制涂层粉末、熔烧，其制备方法顺序为：①配料：将镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料的粉末第一组分(a)，二组分(b)或(a)、(b)组分为优选成分按其组分要求粒度，配比进行配料；②制膏剂：在复合粉末中加入适量自制含稀土的RSC添加剂，并用松香油调混制成膏剂；③涂敷予处理：将钢件除油、清洗干净，把膏剂涂敷在钢件表面，放入烘箱内烘干，温度控制在100℃～120℃，烘1小时；④熔烧：把予处理后的涂敷钢件置入真空炉内，抽真空至10^-2Torr以上，加热到1100℃熔烧2分钟随炉冷却到200℃时出炉空冷，涂层表面呈铁灰色。

本发明的积极效果：

应用本发明的镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料及方法，试验证明获得的硬面复合涂层，达到了显著的积极效果，涂层与母材基体形成牢固的冶金结合，结合强度达到了300～400N/mm²，其复合涂层具有很高的表面质量，表面平滑无气隙，有足够的抗高应力作用。涂层的厚度可达1.0～1.5mm以上。硬面复合涂层具有优良的抗磨耐蚀性能和抗高温氧化性，并大幅度提高了涂层的强韧性。与45号钢相比，干摩擦磨损提高五倍，油润滑条件下的湿摩擦磨损提高了十倍以上。本发明具有节约合金，降低成本，设备简单，操作方便的优点，应用本发明可制备和修复在低于900℃，更好是低于700℃的温度下长期工作承受高应力作用下抗磨耐蚀的有关零件，能显著延长使用寿命。结合附图进一步说明本发明：

附图1、a、b、c为镍基合金—碳化铬硬面复合涂层显微结构及表面特征；附图2、为45号钢复合涂层显微硬度沿层深分布图；附图3、为硬面复合涂层电子探针成分线扫描成分分布图。

涂层基体硬度HV760～800，硬质相硬度HV1320～1370。

(1)由X射线相分析，涂层形成过程中发生硬质相类型的转变(由Cr23C6→35％Cr7BC4＋3％Cr4.5Fe18.5B6＋3％CrB)和相对量比例升高的变化(加入25％碳化铬混合粉→40％以上的硬质相)，这给涂层性能带来显著影响。

(2)由图1、2、3示：涂层与母材界面特征发生了显著变化，界面处由于大量合金元素的扩散使母材侧形成珠光体扩散层组织引起强度显著升高，而涂层侧形成单相镍基奥氏体过渡区导致塑性、韧性显著增加；同时硬度梯度沿涂层深度分布由大变小。这种新界面特征带来了界面结合强度达到360～400N/mm²，使复合涂层能够承受高的接触应力工况下具有极高的耐磨抗蚀性。界面处显示的牢固冶金结合这一显著积极效果，使本发明解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题。

实施例1：

采用本发明的镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料及制备方法，即采用真空熔烧法在45号钢表面制取与母材基体牢固冶金结合的镍基合金—碳化铬硬面复合涂层。

选用本发明的复合粉末材料第一组分(a)高硬度自熔性镍基合金粉末和第二组分(b)含铬的碳化铬混合粉末，其优选成分范围(％)、重量(％)见表：

名称	成分(％)	重量(％)	粒度(目)
名称	成分(％)	重量(％)	粒度(目)	第一组分(a)	C0.76，Si4.08，B3.14Cr14.02 Fe11.57，Ni余量	75	-140～+320
第二组分(b)	碳化铬81.70(其中Cr23C6 56，Cr2C 9.2，CrC2 16.5)，Cr18.30	25	-320	第一组分(a)	C0.76，Si4.08，B3.14Cr14.02 Fe11.57，Ni余量	75	-140～+320
第二组分(b)	碳化铬81.70(其中Cr23C6 56，Cr2C 9.2，CrC2 16.5)，Cr18.30	25	-320	合计		100

①将上述粉末按要求配制混合均匀；②加入适当的自制的稀土添加剂RSC，然后用松香油调制成自熔性合金膏剂；③选用45号钢的φ5×18mm销试样和φ34h10mm盘试样，除油、清洗干净表面，把膏剂均匀的涂敷在试件表面，涂层厚1.2mm，后放入烘箱内烘干，其温度控制在100～120℃，烘1小时；④把予处理后涂敷试件置入VC2—65型真空炉内，抽真空至10^-2Torr以上，随后加热至1100℃熔烧2分钟，后随炉冷却到200℃时出炉空气冷却，涂层表面呈铁灰色。测试：选用45号钢为对比样，在MPX—200磨损试验机上进行，用50N、300N载荷，转速2000r/min，每隔2小时称重一次，称重在万分之一感量天平上进行，润滑湿磨损用20号机油作循环润滑，测试磨耗(△G×10^-3g)结果见表：

湿磨 300N		干磨 50N
湿磨 300N		干磨 50N		45#钢样HRC55	涂层样HV700—900	45#钢样HRC55	涂层样HV700—900
0.002190.002050.002000.002700.002400.002100.00250	0.000240.000220.000210.000230.000260.000240.00025	0.018160.018400.016100.016440.015160.018130.01537	0.002900.003300.003780.003120.003940.003640.00300	45#钢样HRC55	涂层样HV700—900	45#钢样HRC55	涂层样HV700—900

测试结果表明，采用本发明的复合涂层材料和工艺方法制备的试样其耐磨性与淬火45#钢相比较，干摩擦磨损提高五倍以上，油润滑条件下的湿摩擦磨损提高十倍以上。

采用法向拉伸法测量复合涂层与母材界面结合强度为360～400N/mm²，涂层中的硬质相(主要含Cr、Ni元素的碳化物与硼化物)与多元Ni基固熔体有良好的结合，而且涂层与母材基体界面有较多的碳扩散，以及含金Cr、Ni和Fe元素的互扩散，使母材基体间形成牢固的冶金结合。钢表面使用本发明涂层材料具有很高的硬度(涂层基体HV700～900，硬质相HV1370)，很高的抗磨耐蚀性能和抗高温氧化性，并大幅度提高了涂层的强韧性，达到了节约合金，降低成本，提高性能，延长寿命之效果，且设备简单、操作方便。实施例2：

选用本发明的复合粉末材料的第一组(a)高硬度自熔性镍基合金粉末和第二组分(b)含铬的碳化铬混合粉末，其优选成分(％)，重量(％)见表：

名称	成分(％)	重量(％)	粒度
名称	成分(％)	重量(％)	粒度	第一组分(a)	C0.6，Si4.38，B3.24，Cr16.84Fe4.02，Cu 2.97，Mo2.07，余量Ni	75	-140～+320
第二组分(b)	碳化铬81.70(其中Cr23C6 56，Cr2C 9，2，Cr3，C2 16.5，Cr18.30	25	-320	第一组分(a)	C0.6，Si4.38，B3.24，Cr16.84Fe4.02，Cu 2.97，Mo2.07，余量Ni	75	-140～+320
第二组分(b)	碳化铬81.70(其中Cr23C6 56，Cr2C 9，2，Cr3，C2 16.5，Cr18.30	25	-320	合计		100

采用实例1的同样方法，即真空熔烧法1120℃熔烧2分钟，制备的硬面复合涂层材料，除具备实施例1的特性外，涂层的塑性增加，产生裂纹的机会减少，适合于制备抗磨耐腐蚀性好而要求涂层较厚(≤2～2.5mm)的零件。

Claims

1、一种镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料，其特征在于由两种组分复合而成，(1)第一组分(即a组分)为高硬度自熔性镍基合金粉未，其成分范围(％)是：C0.6～1.0 Si3.5～5.0 B3.0～4.5 Cr14～20 Cu0～3.0Mo0～3.0 Fe＜5～15余量Ni，粉未粒度为-140～+320目，(2)第二组分(即b组分)为含铬的碳化铬混合粉末，其中碳化铬(主要Cr23 C6)为80～85％(重量)，铬为15～20％(重量)，总和为100％(重量)，粒度为-320目，复合粉末涂层材料(a)、(b)两种组分配比为：

第一组分(a)为 60～80％(重量)，

第二组分(b)为 20～40％(重量)，

(a)、(b)两种组分总和为100％(重量)。

2、根据权利要求1所述的镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料，其特征在于(a)组分的优选成分范围(％)；C0.7～0.8，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤14％，Ni余量，复合粉末涂层材料(a)、(b)两组分的优化配比为：第一组分(a)为 75％(重量)，

第二组分(b)为 25％(重量)，

(a)，(b)两种组分总和为100％(重量)。

3、根据权利要求1所述的镍基合金—碳化铬硬面复合涂层材料，其特征在于(a)组分的优选成分范围(％)；C0.6～1.0，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤5.0，Cu2.0～3.0，Mo2.0～3.0，Ni余量，复合粉末涂层材料(a)，(b)两种组分配比为：

第一组分(a)为 75％(重量)，

第二组分(b)为 25％(重量)，

(a)、(b)两种组分总和为100％(重量)。

4、实施权利要求1，2或3所述的镍基合金—碳化铬硬面复合层材料的制备方法，采用真空熔烧法，包括配制涂料，熔烧，其特征是制备方法为：(1)配料：按权利要求1，2或3选用的合金粉末，按其组分、粒度及配比进行配制。(2)制膏剂：在复合粉末中加入适量RSC添加利，并用松香油调混制成膏剂。(3)涂敷予处理：将钢件除油、清洗干净，把膏利涂敷在钢件表面，放入烘箱内烘干100～120℃，烘1小时。(4)熔烧：把予处理后的涂敷钢件置入真空炉内，抽真空至10^-2Torr以上，加热到1100℃，熔烧2分钟后随炉冷却到200℃时出炉空冷。