专利名称：金属板表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐磨层的制备，特别是一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层的制备工艺。
背景技术：
耐磨钢板是指专供大面积磨损工况条件下使用的特种板材产品。耐磨钢板广泛应用于冶金、水泥、矿山、电力等行业。例如，在冶金行业中的应用有溜槽、风机、称量斗、选粉机叶片、滑板、除渣管道、高炉炉顶料斗、泵壳、破碎机部件、卡车货槽衬板、高炉扇形入口板、熔渣磨损板、烧结机高温矿料溜槽等。在水泥行业中的应用有刮料板、溜子、导风锥、导向叶片、除尘管道、除渣槽、石料、矿料破碎机打击衬板、辊压机侧衬板、各种底盘、振动筛、 泵壳、磨机内衬、破碎机零件、塔式立窑塔顶等。在矿山行业中的应用有轮斗挖掘机的锥体耐磨衬板、刮板式输煤机中部槽中板、输料槽、料斗、井矿提升箕斗、洗煤厂的管道、溜槽、 排土机衬板、盾构机衬板、输煤管道、弯头等。在电力行业中的应用有风机叶片、燃烧器管线、堆取料机料斗、料仓衬板、磨煤机衬板、煤粉输送管、煤粉分配器隔板、卸煤设备衬板、风扇磨煤机打击衬板、输料槽和料斗内衬等。目前，常用的耐磨钢板制备有三种⑴铸造耐磨钢板；(2)合金淬火耐磨钢板；复合耐磨钢板。铸造耐磨钢板和合金淬火耐磨钢板整体仍为单一材质，难以做到强度、 韧性、塑性等综合性的统一，尤其不能做到耐磨性与经济性能的最优化。复合耐磨钢板就是在韧性、塑性较好的普通低碳钢或者低合金钢表面通过堆焊方法复合一定厚度的硬度较高、耐磨性优良的合金耐磨层而制成的板材产品。复合耐磨钢板由低碳钢板和合金耐磨层两部分组成。工作时由基体提供抵抗外力的强度、韧性和塑性等综合性能，由合金耐磨层提供满足指定工况需求的耐磨性能。耐磨钢板合金耐磨层和基板之间是冶金结合。通过专用设备，采用自动焊接工艺，将高硬度自保护合金焊丝均勻地焊接在基板上，复合层数一层至两层以至多层。这种工艺的缺点是复合过程中由于合金收缩比不同，容易出现均勻横向裂纹，这是堆焊复合耐磨钢板的显著缺点。另外，这种工艺形成的同一层耐磨层硬度不均勻。 目前，堆焊合金耐磨层主要以铬合金为主，同时还添加锰、钼、铌、镍等其它合金成份。目前，在钢板表面形成耐磨层的工艺还有激光表面熔覆法、氧乙炔喷焊法、等离子喷涂法等。激光表面熔覆法设备复杂，投资大，而且激光表面熔覆耐磨层太薄。氧乙炔喷焊法制备的表层耐磨层质量较差。感应交变磁场可在工件内产生感应电动势，感应电动势导致表面层内形成封闭的涡流。感应频率越高，则加热层的厚度越薄。因此，利用感应加热可以在钢板表面制备出耐磨层。但是，目前报道的方法都是先在钢板表面涂覆上与耐磨层相同材质的基料，然后再感应加热使其熔化而在钢板表面附加的形成一层新的耐磨层。目前市场上耐磨钢板有铸造耐磨钢板、合金淬火耐磨钢板和复合耐磨钢板。复合耐磨钢板一般通过堆焊方法复合一定厚度的硬度较高、耐磨性优良的合金耐磨层而制成的板材产品。这种工艺的缺点是复合过程中由于合金收缩比不同，容易出现均勻横向裂纹， 这是堆焊复合耐磨钢板的显著缺点。另外，这种工艺形成的同一层耐磨层硬度不均勻。目前，堆焊合金耐磨层主要以铬合金为主，同时还添加锰、钼、铌、镍等其它合金成份。目前，在钢板表面形成耐磨层的工艺还有激光表面熔覆法、氧乙炔喷焊法、等离子喷涂法等。激光表面熔覆法设备复杂，投资大，而且激光表面熔覆耐磨层太薄。氧乙炔喷焊法制备的表层耐磨层质量较差。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层板材的生产工艺，该工艺生产效率高，可直接利用目前市场上广泛使用的各种合金钢板材。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层的制备工艺，其特征在于，该工艺按以下步骤进行1)首先对要进行表层强化的金属板材进行表面除锈；2)将除锈后的金属板材表面涂覆一层增碳剂，待增碳剂干燥后，再在其上涂敷一层1. 5mm 2. Omm保温涂层；所述的增碳剂由丙三醇和细石墨粉构成，并用酒精或丙酮调至稀糊状；所述的温涂层由硅酸铝粉和水玻璃构成，硅酸铝粉占45wt% ；3)将经涂覆有增碳剂和保温涂层的金属板材放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在950°C 1000°C之间；4)表层增碳处理完成后，再把细金属钨粉涂覆在金属板材的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，然后在高频感应器中对金属板材表层进行区域快速熔化和快速凝固， 高频感应表层区熔温度控制在高于金属材料熔点的20°C 30°C范围内，区域快速熔化为 2-3次，即得到碳化钨颗粒表层强化的金属板材。本发明主要对商用的钢材或各种合金钢材表层制备出一种碳化钨(WC)颗粒表层强化层，大大提高金属材料的耐磨性，同时还保持原有材料的性能。生产的碳化物颗粒表层强化的表面耐磨金属棒材组织致密。由于是原位合成的碳化物，故碳化物增强相与基体金属界面结合强度高且分布均勻。这种材料能够很好的解决材料的高耐磨性，同时还兼具较高的强度和韧性的矛盾。这种工艺生产效率高、节约能源。这种表层复合耐磨钢板具有可变形和可焊接等性能，可像钢板一样直接进行卷曲变形、切割和打孔等加工环节，加工成各种工程部件(如管道等)。该发明工艺还具有生产成本低、易于大批量工业化生产等优点。
图1是本发明的工艺流程图。以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施例方式经研究表明，碳化钨(WC)颗粒由于其具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及良好的热稳定性、耐磨性，因此利用碳化钨(WC)作为强化相，在钢板的表层制备出具有一定厚度的含碳化钨(WC)颗粒增强相的复合层，通过W元素与C之间的反应，在金属基体内原位合成高硬度、高弹性模量的硬质增强相WC，从而达到强化金属基体的目的。能够很好的解决材料的高耐磨性，同时还兼具较高的强度和韧性的矛盾。本发明在吸取传统碳化钨(WC)原位合成颗粒金属基复合材料制备方法的基础上，并依据表层感应区熔理论、快速凝固理论、粒子漂浮等理论，首先通过对钢板进行表层增碳处理，再把金属钨粉涂覆在钢板的表面，并通过高频感应器对钢板表层进行区域快速熔化，在钢板表层形成溶液层，使碳与钨粉在溶液层中发生化学反应以及充分扩散，并原位合成碳化物颗粒，最后得到原位合成的碳化钨颗粒表层强化的系列合金钢板材。实施例1 碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属板材生产本实施例利用微米级碳化钨(WC)颗粒，通过W元素与C之间的反应，在金属基体内原位合成高硬度、高弹性模量的硬质增强相WC，从而形成以高强度高韧性合金钢为基体， 以一定体积分数的WC颗粒为抗磨硬质相的WC颗粒/金属基复合棒材。这样既保持了金属材料韧性、塑性优良的特点，又能发挥高硬度增强材料耐磨性好的特点，因此应用前景十分广阔。而且通过合理选择制备工艺，可有效地控制增强颗粒WC的大小、分布、数量和复合层的厚度。本实施例的碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属板材生产操作过程如下先对要进行表层强化的金属钢板进行表面除锈(酸洗)，然后在金属钢板的表面涂覆一层增碳剂，增碳剂由丙三醇和细石墨粉构成，并用酒精或丙酮调至稀糊状。待增碳剂干燥后，再在其上涂敷一层保温涂层。保温涂层的厚度一般控制在1. 5-2. Omm为好。保温涂层由硅酸铝保温材料粉末和水玻璃构成，硅酸铝粉占45wt %，配制保温涂层所用的硅酸铝保温材料粉末的粒度为500-800目。通过高频感应器加热进行表层增碳处理。表层增碳温度控制为950°C 100(TC ；增碳处理完成后，再把细金属钨粉涂覆在钢板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，通过高频感应器对钢板表层进行区域快速熔化和快速凝固。涂覆钨粉的方法是，将细钨粉与丙三醇混合，并用酒精或丙酮调至稀糊状，然后将其涂覆在钢板表面。金属钨粉的粒径为800-1000目(18-13 μ m)，钨粉用量的确定原则为碳钨=1 1， 比例为摩尔比。而高频感应表层区熔温度控制在基体材料熔点+20°C 30°C范围内。高频感应设备的工作频率为200 300kHz，高频感应线圈保持水冷。区域快速熔化一般为2-3 次。区域快速熔化完成后，经过凝固，再经过切割、机械校直等加工方法，达到要求的尺寸， 最终得到碳化钨颗粒表层强化的合金钢板材。高频感应器加热的目的是，在金属板材表层形成溶液层，使碳与钨粉在溶液层中发生化学反应以及充分扩散，并原位合成碳化物颗粒，最后得到原位合成的碳化钨颗粒表层强化的系列金属板材。形成的复合板材再经过切割等加工方法，达到要求的尺寸。本实施例工艺制备的碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属板材具有以下优点(1)金属板材经区域熔炼，形成的碳化钨颗粒强化复合耐磨层物缩孔与裂纹存在， 复合层内WC颗粒细小、分布均勻，与基体界面结合良好。这种表层原位合成碳化钨颗粒强化表层复合耐磨钢板既保持了钢板基材金属的韧性和塑性特点，又具有较高的耐磨性。(2)该工艺主要通过对商用合金钢板材进行WC颗粒增强表层复合来提高材料的耐磨性，WC复合层的厚度可达到l_2mm，硬度HRC56-60。(3)工艺具有工艺灵活性高、适用性广、生产成本低、易于大批量工业化生产等优点。应用该工艺，用一套设备完全可生产目前多种规格(不同厚度、不同基材)的WC颗粒增强表层复合金属板材。尺寸规格完全可以按照客户的需求进行调整。
(4)这种碳化钨颗粒表层强化的金属板材具有可变形和可焊接等性能，可像钢板一样直接进行卷曲变形、切割和打孔等加工环节，加工成各种工程部件(如管道等)。该发明工艺还具有生产成本低、易于大批量工业化生产等优点。
权利要求
1.一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层的制备工艺，其特征在于， 按以下步骤进行1)首先对要进行表层强化的金属板材进行表面除锈；2)将除锈后的金属板材表面涂覆一层增碳剂，待增碳剂干燥后，再在其上涂敷一层 1. 5mm 2. Omm保温涂层；所述的增碳剂由丙三醇和细石墨粉构成，并用酒精或丙酮调至稀糊状；所述的温涂层由硅酸铝粉和水玻璃构成，硅酸铝粉占45wt% ；3)将经涂覆有增碳剂和保温涂层的金属板材放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在950°C 1000°C之间；4)表层增碳处理完成后，再把细金属钨粉涂覆在金属板材的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，然后在高频感应器中对金属板材表层进行区域快速熔化和快速凝固，高频感应表层区熔温度控制在高于金属材料熔点的20°C 30°C范围内，区域快速熔化为2-3 次，即得到碳化钨颗粒表层强化的金属板材。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述涂覆钨粉的方法是，将细钨粉与丙三醇混合，并用酒精或丙酮调至稀糊状，然后将其涂覆在金属板材表面，细钨粉的粒径为 18μπι 13μπι，细钨粉用量的确定原则为碳钨=1 1，比例为摩尔比。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，配制保温涂层所用的硅酸铝粉的粒度为 500-800 目。
4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述高频感应设备的工作频率为200kHz 300kHz，高频感应线圈保持水冷。
全文摘要
本发明公开了一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层的制备方法。首先对要进行表层强化的金属板进行表面除锈，然后对钢板进行表层增碳处理，再把金属钨粉涂覆在钢板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，并通过高频感应器对钢板表层进行快速熔化，待表层凝固后除掉板材表层的涂覆层，最后得到原位合成的碳化钨颗粒表层强化的合金钢板材。既保持了钢板基材金属的韧性和塑性特点，又具有较高的耐磨性。WC复合层的厚度可达到1-2mm，硬度HRC56-60。具有可变形和可焊接等性能，可像钢板一样直接进行卷曲变形、切割和打孔等加工环节，加工成各种工程部件(如管道等)。具有生产成本低、易于大批量工业化生产等优点。
文档编号C23C24/10GK102337536SQ201110330708
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者王发展 申请人:西安建筑科技大学