CN1196810C

CN1196810C - 金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法

Info

Publication number: CN1196810C
Application number: CN 01115197
Authority: CN
Inventors: 吴玉萍
Original assignee: Machinery And Electronic Engineering College Shandong Science And Technology Un
Current assignee: Machinery And Electronic Engineering College Shandong Science And Technology Un
Priority date: 2001-08-04
Filing date: 2001-08-04
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: CN1405355A

Abstract

本发明涉及一种金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法，该方法是用等离子体扫描金属表面实现的，具体步骤为：(1)在金属表面预涂Fe基或Co基或Ni基或根据要求配制的合金粉末与陶瓷粉末的混合粉末。(2)用非氧化性气体在等离子矩中电离产生的等离子体在金属表面扫描，产生冶金结合的熔覆层或梯度涂层。其积极效果是(1)预敷涂层经等离子束熔覆后，在金属表面形成含有陶瓷颗粒的非平衡组织。(2)选择合适的粉末种类和工艺参数，经等离子体加热后自动生成陶瓷颗粒呈连续梯度分布的熔覆层。(3)与其它熔覆陶瓷工艺相比，本发明生产工艺简单，设备成本低；与堆焊、喷焊、喷涂工艺相比，具有基体变形小、粉末利用率高等特点。

Description

金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法

一、技术领域

一种金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法，属于金属热处理领域。

二、背景技术

材料是现代文明的三大支柱之一，机械工程材料在现代工业中的失效形式主要是腐蚀、磨损与断裂。我国与世界发达国家相比，材料品种与性能都有很大差距，据不完全统计，仅在冶金、矿山、农机、电力和建设5个部门，每年因磨损需要报废或更换的零部件就达100多万吨，相当于20多亿人民币，对金属零部件表面进行强化防腐处理是节约材料、提高零部件寿命和可靠性、降低成本，减少环境污染的有效方法。

许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化、耐热性都取决于金属材料表面的物理、化学性质、传统的表面改性技术如各种喷涂层、溶层、镀层等，由于较差的结合力或受平衡溶解度小及固态扩散性差的限制，应用效果不很理想。熔覆陶瓷涂层较之传统涂层方法能更有效地改善材料和机械零部件的表面性能。金属表面熔覆陶瓷技术是采用某一热源在金属材料表面熔覆一层硬度、热稳定性高，与基体结合牢固的陶瓷涂层，它将金属的良好强韧性和陶瓷相的高硬度结合了起来。熔覆陶瓷涂层较之传统涂层方法能更有效地改善材料的表面性能，然而由于熔覆层和基体金属的热膨胀系数及弹性模量不相匹配，且基体与界面存在明显界面，使用中经常发生涂层断裂或剥落损坏现象，最基本的方法就是消除界面，如引入功能梯度设计思想，使熔覆涂层沿厚度方向逐渐改变涂层成分与结构要素，使涂层的性能呈连续的梯度变化，这是国际上熔覆涂层的最新研究动向。梯度涂层工艺有许多，如化学气相沉积、自蔓延法、烧结法、激光熔覆法等，但由于存在设备昂贵、工艺复杂、成本高、反应粉末受限等缺点，因此均未获得大面积推广应用。国内外在激光熔覆陶瓷/金属梯度涂层中，大多采用叠层熔覆法，通过逐层改变混合粉末中陶瓷颗粒的含量和粒度，经多层熔覆后陶瓷颗粒在涂层中的分布规律成台阶状态，且层与层之间仍会有界面。如何消除微观界面，实现真正意义上的梯度分布是一世界难题。

目前，金属表面熔覆涂层陶瓷的方法主要是激光熔覆和电子束熔覆，而等离子体熔覆工艺还未见报道。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体熔覆涂层特别是梯度涂层的方法。它是在等离子体淬火、等离子体熔凝硬化、等离子体合金化的基础上产生的强硬化效果最强的技术方法。

本发明是用非氧化法的等离子体在经过预涂涂层的金属表面扫描实现的，具体步骤如下：

1.首先配置预涂涂料，这种涂料的组成及配比由使用性能决定，如以提高耐磨性为主，可选Fe基合金粉末或再掺加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末TiC、WC、AL₂O₃等；如以提高耐热性为主，可选Ni基合金粉末或Co基合金粉末，或将以上两种粉末中的任一种再掺加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末，如SiC、ZrO₂等。涂料的配制方法为：先称取上述所需粉末，各粉末的配比可按金属零件使用性能的要求确定，选择一种或几种陶瓷粉末，混合均匀。

2.在金属表面预涂混合粉末，预涂的方法采用下列方法中的一种：

(1)预粘结法：将以上混合粉末用无机或有机粘结剂混合均匀，呈糊状，用刮板在金属表面预涂混和涂料，厚度视具体要求而定。

(2)喷涂法：将以上混合粉末用电弧喷涂、等离子喷涂、氧-乙炔喷涂法喷涂到金属表面上。

3.用(1)或(2)方法得到的预涂层的金属表面，用等离子体扫描，工艺参数为：电流70-600A，单道扫描宽度1-25mm，喷嘴离工件的距离2-20mm，扫描速度0.5-400mm/s，使金属表面得到连续或单道熔覆层。所用等离子体是由等离子矩产生的压缩等离子体，引弧方式高频高压引弧，放电方式为转移式放电，所用的放电及保护气体为非氧化性气体，如Ar或N₂。

本发明还可采用同步送粉法：将以上步骤1配制的混合粉末用管道在等离子炬侧旁送入到等离子体，在等离子体同步扫描时，混合粉末熔化过渡到金属表面，形成熔覆层。

此技术与等离子合金化或多元共渗不同，差异在于：等离子体熔覆层中熔覆涂层材料完全熔化，而基体表层部分熔化；而等离子体合金化则是在基材表面渗入合金元素，从而形成以基材为基的新的合金化层，基体不熔化。

在本发明中，当陶瓷粉末为TiC时，金属表面形成的熔覆层为梯度涂层。其形成机制为：在等离子体加热涂层形成的熔池中，各组分在不断进行扩散和流动，陶瓷颗粒不断地熔解、长大和有规律地上浮运动，在等离子体加热熔凝过程中自动实现陶瓷颗粒的连续梯度变化，形成自生梯度涂层。

本发明产生以下积极效果：

1.预涂涂层经等离子束熔覆后，在金属表面形成含有陶瓷颗粒的非平衡组织的熔覆层，其形态表现为平面晶、树枝晶、胞-枝晶，其硬化机理为：陶瓷相弥散硬化、细晶强化、过饱和固溶强化、非晶强化。熔覆层表面稍有凹凸不平，非配合表面可直接安装使用，配合表面可经磨削或抛光后安装使用。

2.通过选择合适的粉末种类和工艺参数，经等离子体加热后自动生成陶瓷颗粒呈连续梯度分布的熔覆层，从基体表面到熔覆层顶部，陶瓷颗粒大小及含量依次增加。本工艺梯度涂层自动生成，彻底消除了传统梯度涂层中的层界面和陶瓷颗粒呈台阶分布的状况，实现了真正意义上的成分和性能梯度分布。

3.与其它熔覆涂层工艺相比，本发明生产工艺简单，设备成本低，且无需任何前处理，生产效率高；熔覆层不产生脱落、裂纹等缺陷；与常规堆焊、氧-乙炔喷焊、电弧喷焊、等离子喷焊、喷涂工艺相比，等离子体熔覆具有基体变形小、粉末利用率高等特点。

四、具体实施方法

本发明的实施例1：

称取FeCrSiB粉末70g，粒度为140～320目，TiC粉末30g，粒度为4μm，用醋酸纤维素丙酮溶液混合均匀，将配制好的涂料涂敷于Q235基材上，厚度为3mm，200℃烘干。用弧光等离子体在室温环境条件下连续扫描金属表面，单道扫描宽度为10mm，工作电流为180A，工作电压为25伏，用Ar作为保护及电离气体，保护气体流量为8m³/h，电离气体流量为0.8m³/h，喷咀离工件距离为8mm，扫描速度250mm/min。垂直于扫描方向截取样品作金相试样，沿平行于金属表面方向线切割截取0.5mm薄片，经机械减薄、离子减薄制取透射电镜样品。检测结果如下：熔覆层厚度为2.3mm，显微硬度可达0.05HV1100，熔覆层由组小枝晶和TiC陶瓷相组成，熔覆层与基体呈冶金结合。

本发明的实例2：

称取FeCrSiB粉末50g，WC粉末50g，混合均匀，用聚丙烯酸树脂调成糊状，均匀涂敷于Q235钢表面，然后用等离子体扫描设备扫描喷涂层，得到与基体呈冶金结合的熔覆层。单道扫描宽度为8mm，工作电流200A，工作电流35伏，用氩气作为电离和保护气体，保护气体流量为10m³/h，电离气体流量为1m³/h，喷咀离工件距离10mm，扫描速度300mm/min。沿垂直于扫描方向截取试样做硬度、金相和电子探针试验。检测结果如下：熔覆层厚度为2.5mm，熔覆层由细小枝晶、胞枝晶和WC陶瓷颗粒组成，显微硬度可达0.05HV1300。

本发明的实例3：

称取NiCrSiB粉末50g，TiC粉末50g，用电弧喷涂法喷涂到45钢表面形成预敷涂层，厚度3mm，用氩等离子流扫描涂有涂料的金属表面，所用工艺参数为：等离子炬喷咀长径方向尺寸为5mm，短径方向长度为3mm，等离子炬离工件距离为7mm，等离子炬与钢板之间构成转移弧，工作电流220A，工作电压28伏，Ar作为电离和保护气体，保护气体流量9m³/h，电离气体流量1.0m³/h，扫描速度为200mm/min。在经过上述处理的Q235钢板上，沿垂直于扫描方向截取试样，制成金相样品，作金相组织观察、图像分析仪定量分析、显微硬度测试。结果如下：熔覆层靠近基体部位TiC颗粒最少，约占测试面积的15％，中部TiC颗粒次之，约占测试面积的25％，表层TiC颗粒最多，约占测试面积的30％，说明陶瓷相呈梯度分布。显微硬度靠近基体部位为0.05HV900，中部0.05HV1300，表层0.05HV1400，反映性能的梯度分布。

Claims

1.一种金属表面熔覆涂层的方法，其特征是：

(1)根据金属表面的使用性能要求，配制含有以下物质的混合粉末：Fe基或Co基或Ni基合金粉末或将以上合金粉末中的一种再掺加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末，混合均匀：

(2)金属表面预涂混合粉末，预涂的方法采用下述方法中的一种：

①预粘结法：将上述混合粉末用无机或有机粘结剂混合均匀，呈糊状，用刮板在金属表面预涂混合涂料，厚度视具体情况而定；

②喷涂法：将以上混合粉末用电弧喷涂或等离子喷涂或氧-乙炔喷涂法喷涂到金属表面；

(3)用①或②方法得到的预涂层的金属表面，用等离子体扫描，工艺参数为：电流70-600A，单道扫描宽度1-25mm，喷嘴离工件的距离2-20mm，扫描速度0.5-400m/s，使金属表面得到连续或单道熔覆层。

2.一种金属表面熔覆涂层的方法，其特征是：

(1)根据金属表面的使用性能要求，配制含以下物质的混合粉末：Fe基或Co基或Ni基合金粉末或将以上合金粉末中的一种再掺加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末，混合均匀；

(2)将以上混合粉末用管道在等离子矩侧旁送入到等离子体，在等离子体同步扫描时，混合粉末熔化过渡到金属表面，形成熔覆层。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是：陶瓷粉末指氧化物陶瓷AL₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂、Tio₂，碳化物陶瓷SiC、TiC、WC、ZrC、B₄C、TaC、MoC，氮化物陶瓷Si₃N₄、TiN、BN、AlN、ZrN、NbcN，硼化物陶瓷TiB₂、ZrB₂、Mo₂B、WB、ZrB，选上述陶瓷粉末中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的方法，当需要生成梯度涂层时，混合粉末中的陶瓷粉末为TiC。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征是：所用等离子体是由等离子矩产生的压缩等离子体，引弧方式为高频高压引弧，放电方式为转移式放电，所用的放电及保护气体为Ar或N₂非氧化气体。