专利名称：：用于反应合成三元硼化物金属陶瓷熔覆层的粉芯丝及制备工艺的制作方法
技术领域：
：本发明属于常温或高温耐磨、耐腐蚀表面
技术领域：
，特别是提供了一种用于反应合成Mo-Ni-B三元硼化物金属陶瓷熔覆层的粉芯丝及制备工艺。
背景技术：
：三元硼化物具有高硬度、耐高温腐蚀性好、热膨胀系数与钢相近等优点，但由于三元硼化物具有较差的可烧结性和高脆性，这在很大程度上限制了三元硼化物的应用。为了避免上述缺点，可将三元硼化物与金属复合而形成陶瓷-金属复合材料(即三元硼化物增强的金属陶瓷材料，以下简称三元硼化物金属陶瓷)。三元硼化物金属陶瓷具有高的硬度、高的韧性和耐高温性能，而其密度大约为普通硬质合金的3/5，与不锈钢的密度接近，在高温耐磨耐蚀应用领域具有广阔的应用前景。当今三元硼化物的制备方法主要有反应硼化烧结法、铸造烧结法、铸渗烧结法、离子喷涂法、气相沉积法等。其中反应硼化烧结法、铸造烧结法主要用于制备块体三元硼化物器件，而铸渗烧结法、等离子喷涂法可用于制备三元硼化物涂覆层。铸渗烧结法是将一定成分的合金粉末调成涂料或预制成块，涂刷(或放)在铸型的特定部位，通过浇注时金属液浸透涂料(或预制块)的毛细孔隙，使合金粉末熔解、融化，并与基体金属融合为一体，从而在铸件表面上形成一层三元硼化物层。但铸渗法还存在诸如冲刷、气孔、夹渣、渗透能力差、渗层深度不均匀、粘砂和表面粗糙度高、不易进行机加工等问题，这些问题制约了该工艺的推广和应用。等离子反应喷涂法制备三元硼化物涂层的原理是利用等离子弧高温加热喷涂粉末，通过粉末中各组元的反应获得三元硼化物金属陶瓷涂层。以等离子喷涂为代表的热喷涂法的局限性为涂层为层状烧结结构、孔隙率较高(1-10%)、涂层厚度较薄(厚度一般为几百微米-2mm)、界面结合不稳定、涂层与基体难以达到冶金结合，须通过后续热处理提高涂层与基体结合强度。气相沉积法成本高、效率低，适合于在较小尺寸工件表面沉积厚度为几微米-几百微米的涂层。
发明内容本发明的目的在于提供一种用于反应合成三元硼化物金属陶瓷熔覆层的粉芯丝及制备工艺，通过氩弧或等离子弧熔覆工艺，在碳钢、合金钢和高温合金表面反应合成Mo-Ni-B系金属陶瓷熔覆层的粉芯丝及其熔覆层制备工艺，使所处理的金属部件在保持较高强度和韧性的同时，其表面具有优良的高温耐蚀、耐磨性。本发明的粉芯丝由复合粉末和镍箔组成，复合粉末在粉芯丝中所占的质量分数为50-75%。粉芯丝中的复合粉末组分的质量分数为硼粉7-10%，钼粉70-78%,钒粉0-5%，锰粉0-3%，铬粉余量；钼与硼原子比在0.8-1.2范围。粉芯丝外皮为镍箔，镍箔厚度为30-120iim、宽度为20-35mm。本发明所述粉末的纯度均在99.5-99.8%范围。本发明所述的熔覆层厚度为2-15mm，是通过鸨极直流氩弧或等离子弧焊枪对基体进行同一面积上的1-6次熔覆获得的。1、粉芯丝成分设计与制备工艺(1)粉芯丝中的复合粉末组分的质量分数为硼粉7-10%(100-300目)，钼粉:70-78%(100-200目)，钒粉(100-300目)0-5%，锰粉(100-200目)0_3%，铬粉(100-200目)余量；以上粉末的纯度均在99.5-99.8%范围。上述复合粉末中，须控制钼/硼原子比在0.8-1.2范围内。(2)配制后的复合粉末需在普通空气干燥箱中干燥，干燥温度为80-12(TC，干燥时间为2-5小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机中进行混料，混料时间为4-6小时。(3)粉芯丝外皮为镍箔，其纯度在99.5-99.8%范围，复合粉末在粉芯丝中所占的质量分数为50-75%。粉芯丝的制备工艺可选择手工和机械自动包料两种方法，对于手工包料法，将长度为200-400mm、厚度为30-120nm、宽度为20-35的镍箔巻成外径为6-9mm的空心圆筒，将复合粉末灌入该空心圆筒内形成粉芯丝，粉芯丝单位长度质量为1-4g/cm。当采用机械自动包料机包料时，其原理与普通粉芯丝包料机(如电弧喷涂粉芯丝的包料)的原理相同。(4)将已灌好粉的圆形截面粉芯丝两端压扁封闭后，置于带有凹槽的静压模具内，利用液压压力机对粉芯丝施加静载荷，使粉芯丝所受平均压强为20-50MPa，加压时间为5-15秒。加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯丝，其横截面积为3-5X4-6隱2。本发明的粉芯丝中，镍箔的作用是(a)形成Mo-Ni-B三元硼化物陶瓷相，(b)作为熔覆后所形成陶瓷-金属复合材料的粘结相；(c)使粉芯丝内的复合粉末在被等离子弧加热过程中被约束在镍箔内部，直至粉末发生化学反应而处于熔融状态并与粉末熔体混合形成熔滴，熔滴在重力作用下落于基体表面，从而达到防止粉末在熔覆过程中飞溅的目的。镍箔在粉芯丝中所占质量分数可根据熔覆层所需耐磨性和力学性能决定，其范围为25-50%。熔覆层硬度随Ni质量分数的降低而提高，熔覆层断裂韧性随镍质量分数的提高而提高。添加铬、锰、钒等合金元素的目的是改善熔覆层的组织和性能，其中添加锰有助于提高三元硼化物硬质相颗粒细度和分散的均匀度，添加铬、钒有助于促进四角型的M3B2和MsB3的含量增加，并提高熔覆层的抗高温氧化性能。本发明所制备的熔覆层具有高的耐磨性和高温耐磨耐蚀性能。2、熔覆层制备工艺本发明利用钨极直流等离子弧焊枪或等离子弧焊枪熔化粉芯丝，采用手动或自动送丝的方法，对所需处理的基体进行同一面积上的1-6次熔覆，使Mo-Ni-B系金属陶瓷熔覆层厚度在2-15mm范围内。该熔覆层由高三元硼化物陶瓷相含量区和扩散区组成，其中高陶瓷相含量区中，陶瓷相体积分数可达55-80%。具体说明包括(1)采用常规的氩弧或等离子弧枪熔覆工艺制备三元硼化物金属陶瓷熔覆层。熔覆时使粉芯丝头部约3-8mm长度的区域处于氩弧或等离子弧柱作用范围，在氩弧或等离子弧的作用下，被加热的基体金属表面可达到其熔点以上温度，粉芯丝头部处于等离子弧加热段的镍箔首先被加热并起到包裹粉末的作用，随后处于等离子弧加热段镍箔内的粉末被快速加热直至熔化并发生化学反应，生成Mo2NiB2三元硼化物及Cr、Ni、Mo合金熔体，上述三元硼化物与合金熔体混合物形成熔滴，在重力作用下沉积于熔融的金属基体材料表面，与基体达到扩散-冶金结合。(2)熔覆时可采用手工送丝和自动送丝两种模式，使粉芯丝头部不断被氩弧或等离子弧加热、熔化并沉积于基体表面。随着氩弧或等离子弧与基体的连续相对运动，上述熔滴不断沉积于基体表面，形成连续的单道熔覆层；通过搭接重复熔覆法，可形成所需面积的熔覆层。由于单次熔覆层厚度为2-3mra,如需制备厚度大于4mra的熔覆层，则需在已有熔覆层的表面上按上述方法进行重复熔覆。该熔覆层由高陶瓷相含量区和扩散区组成，其中高陶瓷相含量区中，三元硼化物陶瓷相体积分数可达55-80%;高陶瓷相含量区所占厚度(该厚度随熔覆层厚度增加而增加)可达到熔覆层总厚度的50-70%。熔覆层高陶瓷相含量区显微硬度可达700-1100HV。(3)为了防止熔覆层在冷却过程中因热应力过大而产生裂纹，可采用在熔覆层表面覆盖石棉布的办法保温缓冷。表1为不同钼/硼原子比的三元硼化物金属陶瓷熔覆层在5。/。H2S04环境下的腐蚀速度和深度(对比材料为Q235钢)实验结果，从表1中可发现Q235钢的腐蚀速度为三元硼化物金属陶瓷熔覆层的335-1489倍，且当Mo/B原子比-1时熔覆层的耐硫酸腐蚀性最强。表1<table>complextableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>钼硼原子比Mo/B=1.01.82X10-50扁192钼硼原子比Mo/B=1.22.44XIO-50.00025本发明的优点在于，可使用工作电流为200-500A的钨极直流氩弧或等离子弧设备进行熔覆，通过重复熔覆，可使熔覆层最大厚度达15mm。可对处于常温状态下的基体金属材料进行熔覆。该制备工艺比较简单、工艺参数易于控制，成本低。图1为Mo/B=1.0时Mo-Ni-B金属陶瓷熔覆层的X射线衍射物相分析结果。根据不同Mo/B原子比的实验结果，熔覆层的主要物相为M3B2、Cr、Ni和Mo;Mo/B=1.2时，主要物相为M3B2、Cr、MoNi4。其中，M3B2是Mo2NiB2与Cr、Mo在形成的液相的毛细管作用下，发生固相晶粒重组而生成的(NiCrMo)3B2。XRD图中单质Cr、Ni、Mo是以粘结相形式存在于熔覆层中。图1中，1为M3B2相，2为Cr，3为Ni，4为Mo。图2为Mo/B=1.0时的三元硼化物金属陶瓷熔覆层的SEM照片，熔覆层中陶瓷相含量为62.1%。图3为Mo/B=0.8时的三元硼化物熔覆层的SEM照片，熔覆层中陶瓷相含量约为61%。图4为Mo/B=1.2时的三元硼化物熔覆层的SEM照片，熔覆层中可分辨的陶瓷相含量约为32%。具体实施例方式实施例l:镍箔厚度为60um、宽度为25mm、长度为250mra，将镍箔巻成直径为7-8mra的圆筒。复合粉末中各组元的质量分数为硼粉(300-200目)8.4%,钼粉(300-200目)75%，铬粉(150-100目)16.6%。将复合粉末在l(XTC温度下干燥2小时后，放入球磨机中混料5小时，将混料后的复合粉末灌入镍箔圆筒中，复合粉末在粉芯丝中所占质量分数为55%。圆筒两端封口后，将已灌好粉的圆形截面粉芯丝两端压扁封闭后，置于带有凹槽的静压模具内，利用液压压力机对粉芯丝施加静载荷，使粉芯丝所受平均压强为30MPa，加压时间为10秒。加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯丝，其横截面积为4X5mm2。采用手持氩弧焊枪、工件固定、手工送丝工艺，氩弧枪熔覆电流为220A，保护气流量为0.2m7h，在壁厚为6mm、外径为50mm、长度为300mm的GH3039镍基高温合金管外表面通过搭接熔覆(沿轴线方向熔覆)、同一面积上熔覆层3次的工艺，制备厚度为6.5-8mm的熔覆层(该厚度为熔覆层高出工件表面的厚度、不包括基体重熔区厚度)，熔覆时无需将管材预热。熔覆时对已熔覆区域需采用石棉布覆盖保温措施。熔覆完成后，通过磨削工艺,得到外径为62mm、熔覆层厚度为6mm的复合耐磨、耐高温腐蚀管。实施例2:镍箔厚度为100txm、宽度为28mm、长度为300mm，将镍箔巻成直径为8-9mm的圆筒。复合粉末中各组元的质量分数为硼粉(300-200目)7.3%,钼粉(200-150目)77.7%，铬粉(150-100目)11%,钒粉(300-200目)3%，锰粉(300-200目)2%。将复合粉末在10(TC温度下干燥2小时后，放入球磨机中混料5小时，将混料后的复合粉末灌入镍箔圆筒中，复合粉末在粉芯丝中所占质量分数为70%。圆筒两端封口后，将已灌好粉的圆形截面粉芯丝两端压扁封闭后，置于带有凹槽的静压模具内，利用液压压力机对粉芯丝施加静载荷，使粉芯丝所受平均压强为45MPa，加压时间为8秒。加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯丝，其横截面积为4X6mm2。选用等离子枪进行熔覆，采用等离子焊枪移动(通过丝杠机构控制等离子枪移动速度)、工件固定、手工送丝的工艺，按表2的参数在边长为500mm、厚度为20mm的Q235钢板表面通过搭接熔覆、同一面积上熔覆1次的工艺，制备厚度为2.5-3mm的熔覆层；熔覆时无需将钢板预热。表2熔覆参数表<table>complextableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、一种用于反应合成Mo-Ni-B三元硼化物金属陶瓷熔覆层的粉芯丝，其特征在于，该粉芯丝由复合粉末和镍箔组成，复合粉末在粉芯丝中所占的质量分数为50-75％；粉芯丝中的复合粉末组分的质量分数为硼粉7-10％，钼粉70-78％，钒粉0-5％，锰粉0-3％，铬粉余量；钼与硼原子比在0.8-1.2范围。2、根据权利要求l所述粉芯丝，其特征在于，粉芯丝外皮为镍箔，镍箔厚度为30-120um、宽度为20-35mm。3、根据权利要求1所述粉芯丝，其特征在于，所述粉末的纯度均在99.5-99.8%范围。4、根据权利要求1所述粉芯丝，其特征在于，所述的熔覆层厚度为2-15mm，是通过钩极直流氩弧或等离子弧焊枪对基体进行同一面积上的1-6次瑢覆获得的。5—种制备权利要求1所述粉芯丝的工艺，其特征在于，工艺步骤为(1)粉芯丝中的复合粉末组分的质量分数为硼粉:7-10%，钼粉:70-78%，钒粉0-5%，锰粉0-3%，铬粉余量；以上粉末的纯度均在99.5_99.8%范围；上述复合粉末中，须控制钼/硼原子比在0.8-1.2范围内。(2)配制后的复合粉末空气干燥箱中干燥，干燥温度为80-12(TC，干燥时间为2-5小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机中进行混料，混料时间为4-6小时；(3)粉芯丝外皮为镍箔，其纯度在99.5_99.8%范围，复合粉末在粉芯丝中所占的质量分数为50-75%;(4)将已灌好粉的圆形截面粉芯丝两端压扁封闭后，置于带有凹槽的静压模具内，利用液压压力机对粉芯丝施加静载荷，使粉芯丝所受平均压强为20-50MPa，加压时间为5-15秒；加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯丝，其横截面积为3-5X4-6mra2。全文摘要一种用于反应合成Mo-Ni-B系三元硼化物金属陶瓷熔覆层的粉芯丝及制备工艺，属于常温或高温耐磨、耐腐蚀表面
技术领域：
。该粉芯丝由复合粉末和镍箔组成，复合粉末在粉芯丝中所占的质量分数为50-75％；粉芯丝中的复合粉末组分的质量分数为硼粉7-10％，钼粉70-78％，钒粉0-5％，锰粉0-3％，铬粉余量；钼与硼原子比在0.8-1.2范围。通过氩弧或等离子弧熔覆工艺，在碳钢、合金钢和高温合金表面反应合成Mo-Ni-B系金属陶瓷熔覆层的粉芯丝。优点在于，使所处理的金属部件在保持较高强度和韧性的同时，其表面具有优良的高温耐蚀、耐磨性。文档编号C23C4/06GK101343721SQ20081011718公开日2009年1月14日申请日期2008年7月25日优先权日2008年7月25日发明者何险峰,辉刘,刘宗德,斌李申请人:华北电力大学;北京华电纳鑫科技有限公司