一种原位合成多元多尺度碳化物增强铁基耐磨涂层的制备方法与流程

本发明涉及耐磨涂层领域，特别是一种原位合成多元多尺度碳化物增强铁基耐磨涂层的制备方法。

背景技术：

金属基碳化物涂层是一种重要的耐磨材料，其中金属相为粘结剂，碳化物为增强相。由于碳化物的共价键键性很强，因此具有高硬度、高熔点、高化学稳定性、耐磨损、抗腐蚀等性能，被广泛用于制造硬质合金刀具、钻头、模具刃口等。但碳化物在自然界很少存在，需要人工合成。利用原位合成法可直接在基体材料中经原位化学反应一次获得碳化物，由于碳化物是在基体金属内生核并自发长大，因此表面无污染，与基体的相溶性好，界面结合强度高。但目前涂层中碳化物大多为单一尺度碳化物，由于相同条件下碳化物磨损速率远小于基体，从而使碳化物逐渐凸出基体表面脱落；另外单一尺度碳化物增强时，当增加含量提高耐磨性时，往往造成韧性的急剧降低。利用不同尺度碳化物的协同作用，可克服单一尺度增强体的局限性，多尺度碳化物间可“取长补短、硬韧互补”对基体产生“复合增强效应”，从而解决当前增强相与基体磨损率不匹配及韧/塑性降低的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种原位合成多元多尺度碳化物增强铁基耐磨涂层的制备方法，多元多尺度碳化物采用TiC颗粒、WC短柱体与M₇C₃（复合碳化物，M=Fe,Cr）杆纤维复合生长，不同尺度碳化物所产生的增强作用分别为：高硬度WC短柱体提高涂层耐磨性，TiC颗粒提高基体的耐磨性，M₇C₃杆纤维在提高涂层耐磨性的同时使韧性得到增加。不仅解决增强相与基体耐磨性的不匹配问题，同时涂层的韧性获得提高。

本发明的技术构思：由晶体生长原理可知碳化物生长的本征形态和尺寸大小与其生长速度R_hkl有关，其中R_hkl=1/d_hkl，即碳化物晶体的晶面间距d_hkl决定其生长形态和尺寸。由于TiC、WC及M₇C₃的晶面间距是一定的，从而相同原位反应条件下TiC生长为颗粒，WC为柱体，M₇C₃为杆纤维。所以利用TiC、WC、M₇C₃各自的物理特性可实现相同反应条件下的多尺度组织结构。

本发明技术方案为：

1）对基板按形状尺寸要求进行机械加工进行预处理，将预处理好的基板放入工件台，夹紧固定；

2）合金粉末选用W粉、Cr粉、Ti粉、C粉、Fe-Ni自熔性合金粉的组合物，按比例配制后用混粉器混合，并把混合均匀的粉末装入载流气体为氩气的送粉器中；

3）利用氧乙炔焰对基板待制备涂层区域进行预热处理，得到预处理后的基板；

4）步骤2）送粉器将合金粉送入在步骤3）预处理后的基板上，同时利用氩气等离子对合金混合粉末进行加热熔化，经原位反应获得耐磨涂层。

优选地，所述基板材料为低碳钢、中碳钢、不锈钢或铸铁中的一种。

优选地，所述步骤1）基板预处理方法为用丙酮清洗表面的油脂；若基板为失效零部件再制造时，则需对其表面进行喷砂或手持砂轮打磨处理，并用丙酮清洗表面油脂。

优选地，所述步骤2）W粉、Cr粉、Ti粉、C粉、Fe-Ni粉的质量百分比为，W粉为30%~40%、Cr粉为15%~30%、Ti粉为0.2%~1%、C粉为4%~8%、余量为Fe-Ni粉。

优选地，：所述W粉粒度为100~150μm、Cr粉粒度为120~200μm、Ti粉粒度为100~200μm、C粉粒度为180~250μm、Fe-Ni粉粒度为100~200μm。

进一步优选地，W粉中W纯度≥99.8%；Cr粉中Cr纯度≥99.0%；Ti粉Ti≥99.0%，Fe≤0.25%，Si≤0.1%，O≤0.65%；C（石墨）粉中C≥98%，Fe-Ni粉中Ni=30%，Re=1%，Fe=69%。

优选地，所述步骤3）基板的预热温度为150~200℃。

优选地，所述步骤4) 氩气等离子熔覆工艺为：转弧电流为：70~90A；电压为：38~46V；混合粉末送粉速度为：15~20g/min；离子气流量为：6~8L/min；送粉气流量为：3~5L/min；保护气流量为：6~8L/min；熔覆速度为：45~60mm/min，涂层边制备边用高温陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。

进一步优选地，所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30~50mm，耐热温度为1200~1300℃。

本发明有益效果：

1、该方法生成的碳化物为多元多尺度组织结构，该结构可克服单一尺度碳化物增强时的局限性，多尺度碳化物间“取长补短、硬韧互补”对基体产生“复合增强效应”，从而解决单一增强相与基体磨损率不匹配和韧性降低的问题。

2、采用原位法生成的多尺度碳化物TiC颗粒、WC柱体、M₇C₃杆纤维与基体的相溶性好，界面干净无污染，结合力大。

3、用来反应生成碳化物TiC、WC、M₇C₃的合金粉末便宜，制备涂层的氩气等离子熔覆设备简单方便，不受使用场地限制。

4、该方法对制备涂层的基板形状适应性强，可用于规则、非规则平面，或大于一定尺寸的内腔零部件表面等。

5、该方法合成的WC为原位自生超粗晶WC，不仅WC与基体界面结合力大，且超粗晶WC颗粒深植于基体部分的比表面积大不容易拔出，可解决增强相磨损脱落问题。

6、采用原位合成法制备多元多尺度碳化物复合增强涂层，克服了单一尺度碳化物增强时其抗磨性分布不均的问题，多尺度碳化物间“取长补短、硬韧互补”对基体产生“复合增强效应”。同时多元多尺度碳化物是在基体金属内形核长大，具有表面干净无污染，与基体相溶性好，界面结合强度高等优点。

7、对基板进行预热处理减缓冷却速度，同时利用高温陶瓷纤维对熔池进行保温使能够延缓凝固速度，从而延长液态熔池的停留时间，使弱碳化物形成元素W与C具有足够的时间进行原位反应生成WC并长大为超粗晶颗粒。

8、C粉粒径选择了合适的粒径180~250μm，过大会因无法溶解而不能发生反应，过小则容易被吸附在管壁致送粉不畅，从而影响WC的生核长大。

9、本发明工艺中采用的是边送粉边加热的工艺，不仅提高了WC晶体的合成效率，同时原位合成的WC晶体品质更加稳定。

10、在氩气等离子熔覆工艺中选择了合适熔覆速度，使熔池金属获得较长时间的热平衡，延长了液相区停留时间，使弱碳化物形成元素W与C具有足够的时间进行原位反应生成WC超粗晶颗粒。

11、本发明工艺中利用了Ti+C=TiC冶金反应放热，从而降低了基本的预热温度，使劳动条件得到改善。

12、本发明结合预热和后热保温工艺，使涂层熔池在液相下停留一定时间，保障原位冶金化学反应W+C=WC充分进行，使WC生长为超粗晶颗粒。

13、本发明工艺中选用了合适合金元素比例范围，从而保障原位合成反应产物为WC，避免了生成不稳定产物W₂C（碳化二钨）。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明原位合成多元多尺度碳化物增强铁基耐磨涂层工艺图。

图2为本发明多元多尺度碳化物组织结构示意图。

图3 为本发明多元多尺度碳化物组织金相实验图。

图4 为本发明涂层在300N压力下滑动500米后的磨损试验结果。其中，TiC/Fe、WC/Fe、M₇C₃/Fe分别为单一碳化物TiC、WC、M₇C₃增强铁基涂层，TiC-WC-M₇C₃/Fe为三种碳化物复合增强涂层，四种涂层中原位合成碳化物的总量相近。可见三种不同尺度碳化物复合增强的耐磨性较各碳化物独立增强时高。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

本发明提出一种原位自生多元多尺度碳化物复合增强铁基耐磨涂层TiC-WC-M₇C₃/Fe的制备方法，图3为原位自生的多元多尺度碳化物TiC-WC-M₇C₃组织图，可见本发明可以把不同尺度碳化物复合在一起。

具体实施例：

把基板加工成符合使用要求的工具或模具，用丙酮清洗其表面的油脂；若基板为失效零部件再制造时，则需对其表面进行喷砂处理，并用丙酮清洗表面的油脂；再将处理好的基板放入工件台并固定。

以下通过三个实施例，来完成基板表面原位合成多元多尺度碳化物复合增强涂层的制备：

实施例1

将40%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、15%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度120~200μm）0.45%的Ti粉（Ti≥99.0；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度100~200μm）、5.2%的C粉（C≥98%，粒度80~150μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为100~200μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150~200℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流70~90A、电压38~46V、混合粉末送粉速度15~20g/min、离子气流量6~8L/min、送粉气流量3~5L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度45~60mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30~50mm，耐热温度为1200~1300℃。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了33%。

实施例2

将35%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、20%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度120~200μm）0.3%的Ti粉（Ti≥99.0%；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度100~200μm）、5.8%的C粉（C≥98%，粒度80~150μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为100~200μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150~200℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流70~90A、电压38~46V、混合粉末送粉速度15~20g/min、离子气流量6~8L/min、送粉气流量3~5L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度45~60mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了28%。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30~50mm，耐热温度为1200~1300℃。

实施例3

将30%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、25%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度120~200μm）0.2%的Ti粉（Ti≥99.0%；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度100~200μm）、6.5%的C粉（C≥98%，粒度80~150μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为100~200μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150~200℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流70~90A、电压38~46V、混合粉末送粉速度15~20g/min、离子气流量6~8L/min、送粉气流量3~5L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度45~60mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30~50mm，耐热温度为1200~1300℃。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了25%。

实施例4

将35%的W粉（W≥99.8%，粒度100 μm）、15%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度120μm）0.45%的Ti粉（Ti≥99.0%；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度100μm）、5.2%的C粉（C≥98%，粒度180μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为200μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流70A、电压38V、混合粉末送粉速度15g/min、离子气流量6L/min、送粉气流量3L/min、保护气流量6L/min、熔覆速度45mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30mm，耐热温度为1300℃。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了42%。

实施例5

将38%的W粉（W≥99.8%，粒度120μm）、15%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度180μm）0.45%的Ti粉（Ti≥99.0%；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度180μm）、5.2%的C粉（C≥98%，粒度80~150μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为100~200μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150~200℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流70~90A、电压38~46V、混合粉末送粉速度15~20g/min、离子气流量6~8L/min、送粉气流量3~5L/min、保护气流量6~8L/min、熔覆速度45~60mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为45mm，耐热温度为1250℃。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了37%。

实施例6

将39%的W粉（W≥99.8%，粒度130μm）、25%的Cr粉（Cr≥99.0%，粒度120~200μm）0.55%的Ti粉（Ti≥99.0%；Fe≤0.25%；Si≤0.1%；O≤0.65%，粒度100~200μm）、7.2%的C粉（C≥98%，粒度120μm）、余量为Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度为180μm）烘干混合均匀后装入送粉器；对基板进行预热处理，预热温度为150~200℃；采用等离子熔覆工艺制备涂层，工艺参数为：转弧电流85A、电压40V、混合粉末送粉速度18g/min、离子气流量7L/min、送粉气流量4L/min、保护气流量7L/min、熔覆速度55mm/min；涂层边制备边用高温硅酸铝陶瓷纤维毯对反应熔池进行保温。所述高温陶瓷纤维毯材质为高温硅酸铝陶瓷纤维，其厚度为30mm，耐热温度为1100℃。

所得TiC-WC-M₇C₃复合增强铁基涂层在M-2000磨损试验机上与T10对磨样（洛氏硬度HRC=63±1）进行对磨试验（压力为300N，滑动500米），与相同含量WC硬质合金涂层相比，磨损量降低了37%。

以上内容是结合具体的实施例对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的替换，如：Ti、W、Cr、C粉末混合比例的改变及基体金属材料种类的改变，都应当视为属于本发明的专利保护范围。