專利名稱：一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬基復合材料制備技術領域，提供了一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法。
背景技術：
磨損是零件失效的主要形式之一，造成設備運轉效率降低、工件更換或維護頻繁、 能源消耗增加，造成巨大經濟損失，目前提高零件耐磨性的方法主要為表面改性和涂層技術，其中涂層技術可用極少量的材料起到大量、昂貴的整體材料難以起到的作用，極大降低了產品成本。TiC莫氏硬度9. 5，是所有已知碳化物中硬度最高的，在機械、化工和微電子等高技術領域有著廣泛的應用。TiC基硬質合金涂層由于其具有的高硬度、高耐磨性，在耐磨涂層領域已顯現出優(yōu)異的應用潛力。gliMi^iim'n (Self-propagating High-temperature Synthesis, If^ SHS) 是利用化學反應自身放熱制備材料的新技術，其最顯著的特點是充分利用元素間形成化合物的高能放熱反應，除了引發(fā)合成反應所必須的少量外加能量，整個反應過程主要依靠物料自身的放熱來支持。自蔓延合成TiC具有工藝簡單、生產效率高等優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，提高鑄件的耐磨性。本發(fā)明提供了一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于
(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末按質量比13-70% 3-25% 0-30% 2. 5-80%進行配料，在球磨機中混合1-24小時制成混合粉末；
(2)在混合粉末中加入粘結劑，粘結劑與混合粉末的質量比為1:10-1:100，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
(3)將粉末膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預先加工好的孔或槽內。(4)將制備好的鑄件模型外涂掛一層防粘砂涂料，在40-50° C溫度范圍內烘干，烘干時間為5-18小時；
(5)在中頻感應電爐中熔煉鋼水，然后進行澆注，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反 應Ti+C — TiC,形成TiC基硬質合金相；
(6)鑄件進行熱處理或鑄造余熱水韌處理，冷卻到室溫后進行表面清理、打磨，即得表面原位合成TiC基硬質合金涂層的鑄件。優(yōu)選的是，鑄造工藝為真空消失模鑄造。優(yōu)選的是，熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。
優(yōu)選的是，金屬粉末組份質量比為:Ni:0-60%，Cr :0_30%，Si :0_11%，B :0_8%，Co 0-60%，其余為Fe ；進一步優(yōu)選，金屬粉末組份質量比為=Ni :0-60%，Cr :5_30%，Si :5_11%， B :3-8%，Co :0-60%，其余為 Fe。優(yōu)選的是，Ti粉粒度1-20μπι、石墨粉粒度=HOynuWC粉粒度1-8μπι、金屬粉末粒度1-180 μ m。優(yōu)選的是，粘結劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000 的聚乙二醇水溶液，或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。優(yōu)選的是，合金涂層厚度為0. 5-60mm，進一步優(yōu)選合金涂層厚度為5_7mm。鑄件局部孔或槽硬質合金涂層厚度為1-lOOmm，進一步優(yōu)選鑄件局部孔或槽硬質合金涂層厚度為 3-40mmo優(yōu)選的是，合金涂層包括基體組織(涂層是由鐵合金粉熔融后將碳化鈦粘結在一起形成的，基體組織就是鐵合金粉熔融后形成的粘結相)及分布其上的TiC顆粒、WC顆粒和合金碳化物組成，其中TiC顆粒體積百分數為10-80%，WC顆粒體積百分數為0-20%，合金碳化物體積百分數為1_15%，其余為基體組織，合金涂層硬度HRC50-75。本領域技術人員不難看出，上述各方案的任意組合都構成本發(fā)明的一部分。 本發(fā)明的優(yōu)點在于鑄件的表面質量好，涂層與鑄件結合牢固，在使用過程中具有高耐磨性、耐磨合金層不脫落，并且工藝簡單，適于工業(yè)化生產。
具體實施例方式實施例1:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉3. 5kg，IOym的石墨粉0. 8kg，3-4. 5 μ m的WC粉 0.5 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末(Ni :60%wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其余為 Fe) 1. 2kg， 在球磨機中混合4個小時；
步驟2:在混合粉末中加入300g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在鑄件磨損工作表面上，涂覆厚度為5mm;
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂涂料，在45° C干燥8小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水后抽真空進行澆注，澆注溫度為1470 0C, 真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到1100 0C時，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為20°C的水箱中，進行鑄件余熱水韌化處理，冷卻到室溫后，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的高錳鋼鑄件，硬質合金涂層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結合，表面質量好，合金涂層厚度為5. 3mm,硬度HRC63。實施例2:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉5. 0kg, 10 μ m的石墨粉1. 2kg，3-4. 5 μ m的WC 粉 0. 6 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末 1. 2kg (Ni 60% wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其余為 Fe)，在球磨機中混合8個小時；
步驟2 在混合粉末中加入600g橡膠汽油(濃度10%wt)溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料 膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在鑄件磨損工作表面上，涂覆厚度為56mm;
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40° C干燥12小時； 步驟5:組裝澆注裝置，熔煉45#鋼鋼水后抽真空進行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到500 0C時，落砂翻出鑄件，埋在石英砂中進行緩冷熱處理，冷卻到室溫后，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的45#鋼鑄件，硬質合金涂層與45#鋼基體呈冶金結合，表面質量好，合金涂層厚度為57. 5mm,硬度HRC65。實施例3:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉0. 35kg，IOym的石墨粉0. 08kg, 3-4. 5 μ m的 WC 粉 0. 05 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末(Ni :60%wt, Cr 5% wt, Si 5% wt, B 3% wt,其余為 Fe)0. 12kg，在球磨機中混合4個小時；
步驟2 在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型預先加工好的孔中，圓孔直徑為 Φ 10mm，填充深度為35_ ；
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂涂料，在45° C干燥8小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水后抽真空進行澆注，澆注溫度為1470 0C, 真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到1100 0C時，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為20°C的水箱中，進行鑄件余熱水韌化處理，冷卻到室溫后，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的高錳鋼鑄件，硬質合金涂層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結合，表面質量好，硬質合金涂層圓棒直徑為Φ 10mm，厚度為33mm，硬度HRC61. 2。實施例4
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉25. 0kg, IOym的石墨粉6. Okg, 3-4. 5 μ m的WC 粉 3.0 kg 和 20 μ m 的金屬粉末 6. Okg (Ni 60% wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其余為 Fe)，在球磨機中混合15個小時；
步驟2 在混合粉末中加入3. Okg橡膠汽油(濃度10%wt)溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型上預先加工好的槽內，槽寬度為 10mm，涂覆深度為25mm ；
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40° C干燥12小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉45#鋼鋼水后抽真空進行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到500 0C時，落砂翻出鑄件，埋在石英砂中進行緩冷熱處理，冷卻到室溫后，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的45#鋼鑄件，硬質合金涂層與45#鋼基體呈冶金結合，表面質量好，硬質合金涂層槽寬度為10mm，厚度為 24. 5mm,硬度 HRC71. 3。
權利要求
1.一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，采用Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末作為合成材料，其特征在于采用如下步驟(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末按質量比13-70% 3-25% 0-30% 2. 5-80%進行配料，在球磨機中混合1-24小時制成混合粉末；(2)在混合粉末中加入粘結劑，粘結劑與混合粉末的質量比為1:10-1:100，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；(3)將粉末膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預先加工好的孔或槽內；(4)將制備好的鑄件模型外涂掛一層防粘砂涂料，在40-50 C溫度范圍內烘干，烘干時間為5-18小時；(5)在中頻感應電爐中熔煉鋼水，然后進行澆注，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應Ti+C — TiC,形成TiC基硬質合金相；(6)鑄件進行熱處理或鑄造余熱水韌處理，冷卻到室溫后進行表面清理、打磨，即得表面或局部原位合成TiC基硬質合金涂層的鑄件。
2.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于鑄造工藝為真空消失模鑄造。
3.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。
4.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于金屬粉末組份質量比為:Ni :0-60%，Cr :0-30%，Si :0_11%，B :0_8%，Co :0_60%，其余為 Fe。
5.根據權利要求4所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于金屬粉末組份質量比為:Ni :0-60%，Cr :5-30%，Si :5_11%，B :3_8%，Co :0_60%，其余為Fe。
6.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于Ti粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度1-20μπκ WC粉粒度1_8 μ m、金屬粉末粒度 1-180 μ m。
7.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于粘結劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000的聚乙二醇水溶液， 或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于鑄件表面的合金涂層厚度為0. 5-60mm,局部孔或槽的合金涂層的厚度為l-100mm。
9.根據權利要求8所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于鑄件表面的合金涂層厚度為5-7mm，局部孔或槽的合金涂層的厚度為3_40mm。
10.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，其特征在于合金涂層包括基體組織及分布其上的TiC顆粒、WC顆粒和合金碳化物組成，其中TiC 顆粒體積百分數為10-80%，WC顆粒體積百分數為0-20%，合金碳化物體積百分數為1-15%， 其余為基體組織，合金涂層硬度HRC50-75。
全文摘要
一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的方法，屬于金屬基復合材料制備技術領域。采用真空消失模鑄造工藝，將Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末混合，加入粘結劑制成粉末涂料膏劑，涂覆在EPS泡沫塑料模型表面或填充在模型的孔或槽內，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應，發(fā)生Ti+C→TiC反應，形成TiC基硬質合金相，得到表面或局部原位合成碳化鈦基硬質合金涂層的鑄件。本發(fā)明的優(yōu)點在于鑄件的表面質量好，硬面涂層與鑄件結合牢固，在使用過程中具有高耐磨性、耐磨合金層不脫落，并且工藝簡單，適于工業(yè)化生產。
文檔編號B22D19/16GK102274951SQ201110222010
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月4日 優(yōu)先權日2011年8月4日
發(fā)明者周生永, 王剛, 王振明, 程軍, 羅驥, 郭志猛 申請人:廣東新勁剛超硬材料有限公司