本發(fā)明涉及耐磨涂層領(lǐng)域，特別是一種原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

WC（碳化鎢）硬度為2100~2400HV與金剛石相近，是硬質(zhì)合金的主要原料，被廣泛用于制作超硬刀具、鑿巖工具、鉆探工具、金屬模具等。M₇C₃（復(fù)合碳化物，M=Fe,Cr）硬度為1200~1800HV，是高鉻鐵基耐磨材料的主要強(qiáng)化相，被廣泛用于礦山、水泥、火力發(fā)電等極端磨損工況行業(yè)。近年來，隨著我國(guó)大型水利工程、高速鐵路、大規(guī)模保障性安居工程等重大項(xiàng)目建設(shè)，帶動(dòng)了礦山、建材、水泥、電力、鋼鐵行業(yè)的大力發(fā)展，高鉻鐵基耐磨材料的消耗成倍增長(zhǎng)。但我國(guó)鉻資源相對(duì)貧乏，主要通過進(jìn)口。國(guó)際鉻價(jià)逐年攀升，高鉻材料價(jià)格亦持續(xù)增長(zhǎng)。為節(jié)約資源降低成本，如何降低耐磨材料中的鉻含量成為產(chǎn)企業(yè)亟需解決的問題。我國(guó)鎢資源豐富，是全球用鎢的主要供應(yīng)國(guó)。所以在高鉻耐磨材料中人們?cè)缫褔L試外加WC顆粒來提高其抗磨性能，進(jìn)而降低材料中的鉻含量。然而，由于WC密度為Fe的兩倍多，所以很容易在鐵基熔液中沉淀失去對(duì)材料表層的增強(qiáng)；外加WC顆粒容易在鐵基不飽和熔液中溶解，造成外加WC顆粒沉淀和溶解析出脆性大的M₆C組織（如Fe₂W₄C、Fe₃W₃C、Fe₄W₂C）等問題。而原位自生WC是在均勻過飽和鐵基熔液中生核長(zhǎng)大，從而避免了沉淀及溶解問題的發(fā)生，因此原位自生WC-M₇C₃具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，利用高硬度WC不僅可提高涂層的耐磨性，而且可降低材料中鉻含量節(jié)約鉻資源；同時(shí)鐵基熔液中原位自生的WC可均勻生核長(zhǎng)大，避免了外加WC顆粒沉淀和溶解析出脆性組織問題。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思：通過設(shè)計(jì)合金元素的成分和比例，經(jīng)加熱獲得成分過飽和的均勻合金熔體；因W為弱碳化物形成元素，原位合成反應(yīng)W+C=WC的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，利用預(yù)熱和保溫工藝延長(zhǎng)熔體液相時(shí)間，保障合成產(chǎn)物WC的生核與長(zhǎng)大；由于WC是在均勻熔體中同時(shí)生核長(zhǎng)大，所以自生的WC為均勻分布，避免發(fā)生沉淀現(xiàn)象；且WC顆粒周圍是過飽和熔體，從而抑制了WC溶解；另外，因Cr比W更容易與C發(fā)生反應(yīng)，為避免熔液中C被Cr提前消耗影響WC的合成，不能利用冶金反應(yīng)xCr+(7-x)Fe+3C=M₇C₃(M=Fe,Cr)來合成M₇C₃，而選擇利用Cr₃C₂來獲得M₇C₃，這是因?yàn)镃r₃C₂的自由能較高，加熱時(shí)會(huì)先發(fā)生脫碳反應(yīng)，并自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡茌^低的M₇C₃，從而W+C=WC反應(yīng)時(shí)具有穩(wěn)定的碳源，獲得WC與M₇C₃復(fù)合碳化物。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于：是采用原位合成法在表面預(yù)處理過的金屬基板上制備出WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)耐磨涂層，具體步驟為：

(1) 對(duì)基板按形狀尺寸要求進(jìn)行機(jī)械加工進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理好的基板放入工件臺(tái)，夾緊固定；

(2) 合金粉末選用W粉、Cr₃C₂粉、C粉、Fe-Ni自熔性合金粉的組合物，按比例配制后用混粉器混合，并把混合均勻的粉末裝入載流氣體為氬氣的送粉器中；

(3) 利用氧乙炔焰對(duì)基板待制備涂層區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處理，得到預(yù)處理后的基板；

(4) 步驟2）送粉器將合金粉送入在步驟3）預(yù)處理后的基板上，同時(shí)利用氬氣等離子對(duì)合金混合粉末進(jìn)行加熱熔化，經(jīng)原位反應(yīng)獲得耐磨涂層。

優(yōu)選地，所述基板材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。

優(yōu)選地，所述步驟1）基板預(yù)處理方法為用丙酮清洗表面的油脂；若基板為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)其表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并用丙酮清洗表面油脂。

優(yōu)選地，所述步驟2）W粉、Cr₃C₂粉、C粉、Fe-Ni粉的質(zhì)量百分比為，W粉為35%~50%、Cr₃C₂粉為15%~20%、C粉為2%~4%、余量為Fe-Ni粉。

優(yōu)選地，：所述W粉粒度為100~150μm、Cr₃C₂粉粒度為150~250μm、C粉粒度為180~250μm、Fe-Ni粉粒度為100~200μm。

進(jìn)一步優(yōu)選地，W粉中W純度≥99.8%；Cr₃C₂粉中Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%； C（石墨）粉中C≥98%，F(xiàn)e-Ni粉中Ni=30%，Re=1%，F(xiàn)e=69%。

優(yōu)選地，所述步驟3）基板的預(yù)熱溫度為200~250℃。

優(yōu)選地，所述步驟4) 氬氣等離子熔覆工藝為：轉(zhuǎn)弧電流為：80~95A；電壓為：40~46V；混合粉末送粉速度為：15~20g/min；離子氣流量為：5~8L/min；送粉氣流量為：3~5L/min；保護(hù)氣流量為：6~8L/min；熔覆速度為：55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述高溫陶瓷纖維毯材質(zhì)為高溫硅酸鋁陶瓷纖維，其厚度為30~50mm，耐熱溫度為1200~1300℃。

本發(fā)明的有益效果：

(1) 該方法解決了WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)時(shí)，密度較大的WC顆粒在基體熔液底部發(fā)生沉積問題。

(2) 原位自生的WC顆粒周圍為過飽和熔體，避免了外加WC顆粒在鐵基熔體中的溶解問題。

(3) WC顆粒是在合金成分相對(duì)較均勻的熔體中結(jié)晶，原位自生的WC晶核在熔體中能均勻分布。

(4) 該方法獲得的WC是在金屬基體內(nèi)原位形核并逐漸長(zhǎng)大，因此WC顆粒表面干凈無污染，與母相基體的相溶性好，兩者界面結(jié)合力大，磨損不易脫落。

(5) 用來反應(yīng)生成復(fù)合碳化物WC-M₇C₃的合金粉末便宜，制備涂層的氬氣等離子熔覆設(shè)備簡(jiǎn)單方便，不受使用場(chǎng)地限制。

(6) 該方法對(duì)制備涂層的基板形狀適應(yīng)性強(qiáng)，可用于規(guī)則、非規(guī)則平面，或大于一定尺寸的內(nèi)腔零部件表面等。

（7）該方法合成的WC為原位自生超粗晶WC，不僅WC與基體界面結(jié)合力大，且超粗晶WC顆粒深植于基體部分的比表面積大不容易拔出，可解決增強(qiáng)相磨損脫落問題。

（8）C粉粒徑選擇了合適的粒徑180~250μm，過大會(huì)因無法溶解而不能發(fā)生反應(yīng)，過小則容易被吸附在管壁致送粉不暢，從而影響WC的生核長(zhǎng)大。

（9）發(fā)明工藝中采用的是邊送粉邊加熱的工藝，不僅提高了WC晶體的合成效率，同時(shí)原位合成的WC晶體品質(zhì)更加穩(wěn)定。

（10）在氬氣等離子熔覆工藝中選擇了合適熔覆速度，使熔池金屬獲得較長(zhǎng)時(shí)間的熱平衡，延長(zhǎng)了液相區(qū)停留時(shí)間，使弱碳化物形成元素W與C具有足夠的時(shí)間進(jìn)行原位反應(yīng)生成WC超粗晶顆粒。

（11）本發(fā)明結(jié)合預(yù)熱和后熱保溫工藝，使涂層熔池在液相下停留一定時(shí)間，保障原位冶金化學(xué)反應(yīng)W+C=WC充分進(jìn)行，使WC生長(zhǎng)為超粗晶顆粒。

（12）本發(fā)明工藝中選用了合適合金元素比例范圍，從而避免了生成不穩(wěn)定產(chǎn)物。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層工藝圖。

圖2 為本發(fā)明原位自生WC-M₇C₃組織金相實(shí)驗(yàn)圖。

圖3 為本發(fā)明涂層在300N壓力下滑動(dòng)500米后的磨損試驗(yàn)結(jié)果。其中，WM-0為存鐵基合金涂層，WM-1、WM-2、WM-3為三種WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層，四種涂層中原位合成碳化物的總量相近。可見三種不同尺度碳化物復(fù)合增強(qiáng)的耐磨性較各碳化物獨(dú)立增強(qiáng)時(shí)高。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提出一種原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基耐磨涂層的制備方法，圖2為原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)組織結(jié)構(gòu)圖，可以看到復(fù)合碳化物中WC顆粒不僅分布均勻，而且生長(zhǎng)為尖角狀，沒有發(fā)生溶解現(xiàn)象。

制備涂層時(shí)首先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；若基板為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)其表面進(jìn)行噴砂處理，并用丙酮清洗表面的油脂；再將處理好的基板放入工件臺(tái)并固定。

以下通過三個(gè)實(shí)施例，在基板表面完成原位自生WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)涂層的制備：

實(shí)施例1

將35%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、15%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護(hù)氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高11.7倍。

實(shí)施例2

將40%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、17%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護(hù)氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高14.3倍。

實(shí)施例3

將45%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、19%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護(hù)氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高16.1倍。

實(shí)施例4

將42%的W粉（W≥99.8%，粒度100μm）、18%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150μm）、3.5%的C粉（C≥98%，粒度180μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為200℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流80A；電壓40V；混合粉末送粉速度15g/min；離子氣流量5L/min；送粉氣流量3L/min；保護(hù)氣流量6L/min；熔覆速度55mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高19.5倍。

實(shí)施例5

將48%的W粉（W≥99.8%，粒度150μm）、17%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度250μm）、3%的C粉（C≥98%，粒度250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為220℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流85A；電壓43V；混合粉末送粉速度18g/min；離子氣流量7L/min；送粉氣流量4L/min；保護(hù)氣流量7L/min；熔覆速度58mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高17倍。

實(shí)施例6

將45%的W粉（W≥99.8%，粒度120μm）、19%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度180μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度200μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為180μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為220℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)弧電流85A；電壓43V；混合粉末送粉速度18 g/min；離子氣流量7L/min；送粉氣流量4L/min；保護(hù)氣流量7L/min；熔覆速度58mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對(duì)反應(yīng)熔池進(jìn)行保溫。

所得WC-M₇C₃復(fù)合增強(qiáng)鐵基涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與T10對(duì)磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)（壓力為300N，滑動(dòng)500米），與沒有增強(qiáng)相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高18倍。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的替換，如： W、Cr₃C₂、C粉末混合比例的改變及基體金屬材料種類的改變，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。