CN1322166C - 一种碳化物/铁基合金复合涂层及其反应钎涂工艺 - Google Patents
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Abstract
一种(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层及其反应钎涂工艺，属于陶瓷/金属复合涂层制备技术领域。本发明以工业钛铁粉、铬铁粉、硼铁粉、铁粉等为原材料，添加酒精和有机粘结剂混合制成浆料，通过喷涂或刷涂涂覆在基体表面，真空条件下在一定温度保温适当时间，利用原材料中铁、钛、铬、碳等之间的反应和合金化原位合成硬质相碳化钛、碳化铬和低熔点液态铁基合金，降温后获得以碳化钛和碳化铬为硬质相、铁基合金为基体相(粘结相)的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层，可大幅度降低钎涂材料成本，降低陶瓷硬质相与钎料合金之间的润湿性匹配要求，拓宽钎涂材料的选择范围。复合涂层具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能，在冶金、火电等领域具有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷/金属复合涂层制备技术领域，特别涉及到一种以碳化钛和碳化铬为硬质相、铁基合金为基体相(粘结相)的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层及其反应钎涂工艺。
背景技术
钎涂技术是利用液态钎料合金在基体金属上的润湿和铺展而在基体表面形成一种具有特殊性能的涂层的材料表面加工技术。利用钎涂技术既可以制备具有特定性能的金属涂层，也可以采用陶瓷(如碳化物、硼化物、氧化物等)和金属(或合金)的混合粉末作为钎涂材料方便地制备陶瓷/金属复合耐磨涂层。与传统的涂层技术相比，钎涂技术具有如下优点：(1)涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高；(2)涂层中陶瓷相含量范围宽(0～70％)且组织均匀、致密、孔隙率低；(3)可制备的涂层厚度范围大，既可制备50～60μm的薄涂层，也可获得3～4mm的厚涂层；(4)涂层表面光滑、质量好、加工精度高，对于一般应用只需少量加工甚至无需加工；(5)材料利用率高。采用钎涂技术制备陶瓷/金属复合涂层所存在的主要问题正如《钎涂手册》[M].北京：机械工业出版社，1999：449.中提到的是可供选择的涂层材料有限。虽然理论上钎涂技术可以制备各种陶瓷/金属复合涂层，但由于受到陶瓷硬质相与作为粘结相的钎料合金之间的润湿性匹配和钎涂本身工艺特点的制约，实际中可用于钎涂的陶瓷与金属(合金)组合非常有限。目前用于钎涂的陶瓷相仅限于WC(包括鈷包碳化钨WC-Co)、Cr3C2等，钎料合金仅限于镍基钎料(BNi82CrBSiB、BNi76CrP)、CuMnNi合金等，这些内容在文献“NiCrBSi-WC耐磨钎涂涂层的制备”金属学报，1999，35(1)：82～84和“干摩擦条件下WC增强Cu-Mn-Ni复合涂层的磨损性能研究”摩擦学报，2002，22(1)：13～16中有所报道。
另外，采用现有钎涂技术制备陶瓷/金属复合涂层时，钎涂材料中作为粘结相的钎料合金和作为硬质相的陶瓷相都是预先合成的，钎涂材料成本高，且涂层中的陶瓷相粗大、分布不均匀，陶瓷/金属结合界面易受污染，涂层性能不够稳定。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低成本的、以碳化钛(TiC)和碳化铬(Cr3C2)为硬质相、铁基合金为基体相(粘结相)的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层及其反应钎涂工艺，在钎涂过程中利用钎涂原材料中组元间的反应原位合成陶瓷硬质相和液态钎料合金，可大幅度降低钎涂材料成本，降低陶瓷硬质相与钎料合金之间的润湿性匹配要求，拓宽钎涂材料的选择范围。
本发明以工业钛铁粉、铬铁粉、硼铁粉、铁粉等为原材料，添加酒精和有机粘结剂混合制成浆料，通过喷涂或刷涂涂覆在基体表面，真空条件下在一定温度保温适当时间，利用原材料中铁、钛、铬、碳等之间的反应和合金化原位合成硬质相碳化钛、碳化铬和低熔点液态铁基合金，降温后获得以碳化钛和碳化铬为硬质相、铁基合金为基体相(粘结相)的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层。
一种(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层，由碳化钛、碳化铬和铁基合金组成，其中硬质相碳化钛和碳化铬按质量百分数计为10％～30％，铁基合金为70％～90％。
本发明以铁粉、钛铁粉、钛粉、镍粉、胶体石墨、硼铁粉、铬铁粉硅粉等混合粉末为原料，工艺步骤为：
1、将原料粉末按涂层成分配比混合球磨，球磨的球料比为3∶1～10∶1，球磨转速为100～150r.p.m，球磨方式为湿磨，球磨介质为酒精，球磨时间为12～48h；
2、烘干混合粉末，烘干温度为45～60℃，烘干时间为12～24h；
3、将混合粉末、酒精与有机粘结剂混合制成浆料，浆料中有机粘结剂与涂层材料的质量百分比为0.5％～2％，有机粘结剂可选择聚丙烯酸脂或聚丁烯或聚苯乙烯。
4、采用喷涂或刷涂方法在基体表面涂覆预涂层；
5、烘干涂层，烘干温度45～60℃，烘干时间为4～12h；
6、加热钎涂，加热温度为1050℃～1100℃，保温时间为10～30min，真空度为5×10-2～5×10-3Pa。
原料粉末的组成按重量百分比计为：Fe29.1～39.9％，Ni24.1～33.2％，Cr8.8～13.4％，Si2.9～12.6％，Ti4～6.5％，Mo0～15％，C2,7～3.3％，B1.5～2％。
与钎涂技术相比，本发明的优点在于：
1、相对于普通钎涂，本发明直接采用廉价的工业钛铁粉、铬铁粉、硼铁粉、铁粉等为原材料，材料成本低。
2、这一工艺过程中不需要预先合成碳化钛、碳化铬，而是利用碳化钛、碳化铬形成元素在钎涂过程中通过原位反应合成。
3、TiC和Cr3C2均为耐高温碳化物，且TiC硬度高、摩擦系数低，是理想的耐磨涂层硬质相；Fe基合金成本低且与普通钢基体具有良好的相容性，通过合金化设计还可以获得较低的熔点和较好耐腐蚀、耐磨损性能。
4、以TiC和Cr3C2为硬质相、铁基合金为粘结相所组成的陶瓷/金属复合涂层将兼有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能，在冶金、火电等领域具有广泛的用途。
附图说明
图1是所获得的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层整个横截面的扫描电镜(SEM)照片。
图2为图1中A区放大。
具体实施方式
本发明采用上述反应钎涂工艺，以表1所示化学成份的工业铁粉、钛铁粉、Mo粉、Ni粉、胶体石墨、硼铁粉、铬铁粉和Si粉等为原料粉末，按照表2的成份配比，在普通低碳钢表面经反应钎涂制备了(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层。
具体工艺步骤如下：
1、料粉末按成分配比混合，在球磨机上湿磨24h，球料比为4∶1，球磨转速为120r.p.m，球磨介质为酒精，球磨后所得到的粉末平均粒度为6～7μm；
2、球磨后的混合粉末在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃，烘干时间为1h；
3、球磨后的粉末与聚丙烯酸脂、酒精混合调成浆料，并均匀地刷涂在低碳钢表面制备预涂层；
4、涂层在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃，烘干时间为8h；
5、真空炉中加热钎涂，真空度7×10-3Pa，钎涂温度和时间如表2。
表1涂层原材料(wt％)
表2 优选实施例
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | ||
| 化学成分(质量百分数) | Fe | 39.9 | 37.2 | 34.5 | 31.8 | 29.1 |
| Ni | 33.2 | 31 | 28.7 | 26.5 | 24.1 | |
| Cr | 13.4 | 12.5 | 12.3 | 8.8 | 11.7 | |
| Si | 2.9 | 5.3 | 7.7 | 10.1 | 12.6 | |
| Ti | 5.6 | 5.5 | 4 | 6.5 | 5 | |
| C | 3.2 | 3.0 | 3.3 | 3 | 2.7 | |
| B | 1.8 | 1.7 | 1.9 | 2.0 | 1.5 | |
| Mo | 0 | 3.8 | 7.6 | 11.3 | 15 | |
| 钎涂方式 | 真空钎涂 | |||||
| 保温温度 | 1050℃ | 1100℃ | ||||
| 保温时间 | 30min | 10min | ||||
| 涂层表面洛氏硬度(HRC) | 62 | 67 | 70 | 66 | 60 | |
从附图1、2和优选实施例(表2)可知利用廉价的工业原料，通过反应钎涂制备了与基体为冶金结合的(碳化钛+碳化铬)/铁基合金复合涂层，该涂层中陶瓷相较小，分布均匀，涂层致密，性能稳定，表面洛氏硬度为60～70HRC。
Claims (3)
1、一种以碳化钛和碳化铬为硬质相、铁基合金为基体相的合金复合涂层，其特征在于，涂层由碳化钛、碳化铬和铁基合金组成，其中硬质相碳化钛和碳化铬按质量百分数计为10％～30％，铁基合金为70％～90％。
2、一种制备以碳化钛和碳化铬为硬质相、铁基合金为基体相的合金复合涂层的反应钎涂工艺，以铁粉、钛铁粉、钛粉、镍粉、胶体石墨、硼铁粉、铬铁粉硅粉混合粉末为原料，其特征在于：
1)将原料粉末按涂层成分配比混合球磨，球磨的球料比为3∶1～10∶1，球磨转速为100～150r.p.m，球磨方式为湿磨，球磨介质为酒精，球磨时间为12～48h；
2)烘干混合粉末，烘干温度为45～60℃，烘干时间为12～24h；
3)将混合粉末、酒精与有机粘结剂混合制成浆料，浆料中有机粘结剂与涂层材料的质量百分比为0.5％～2％；
4)采用喷涂或刷涂方法在基体表面涂覆预涂层；
5)烘干涂层，烘干温度45～60℃，烘干时间为4～12h；
6)加热钎涂，加热温度为1050℃～1100℃，保温时间为10～30min，真空度为5×10-2～5×10-3Pa。
3、如权利要求2所述的反应钎涂工艺，其特征在于，原料粉末的组成按重量百分比计为：Fe29.1～39.9％，Ni24.1～33.2％，Cr8.8～13.4％，Si2.9～12.6％，Ti4～6.5％，Mo0～1 5％，C2.7～3.3％，B1.
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