專利名稱：一種(Cr,Fe)₇C₃柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨涂層領(lǐng)域，特別是一種(Cr，F(xiàn)e) 7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
在航空、航天、機(jī)車、汽車、地質(zhì)勘探等工業(yè)中，大量零部件處在摩擦磨損條件下。因此，要求這些存在摩擦副的零部件之間具有較好的耐磨性能。為了提高金屬的耐磨性，通常采用表面技術(shù)來獲得耐磨涂層。涂層材料多為復(fù)合材料，其增強(qiáng)相常選用硬度和耐磨性較高的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物的顆粒狀或纖維狀材料。(Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物一直作為一種增強(qiáng)相出現(xiàn)在鑄造合金中，并沒有通過其他如等離子熔覆方法制備出較薄的耐磨涂層材料用于表面技術(shù)。若能把該柱狀碳化物用于耐磨零部件表面，可充分發(fā)揮其高硬度、 高耐磨性的特點(diǎn)，可避免如顆粒增強(qiáng)相磨損時(shí)容易脫落的缺點(diǎn)，具有十分重要的創(chuàng)新價(jià)值和工程應(yīng)用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種(Cr，F(xiàn)e) 7C3增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其抗磨相選擇(Cr，F(xiàn)e) 7C3柱狀碳化物，該碳化物具有較高的硬度(顯微硬度HVa2=1250 1840)和較高的韌性，通過原位生成的(Cr，F(xiàn)e)7C3與基體之間結(jié)合力大，且為柱體形狀，可有效避免摩擦磨損時(shí)增強(qiáng)相的脫落。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思本發(fā)明采用等離子熔覆法來制備柱狀碳化物增強(qiáng)涂層。由于Cr3C2自由能較高，在Fe基金屬熔池中會(huì)發(fā)生脫碳，向自由能較低穩(wěn)定性較高的(Cr，F(xiàn)e)7C3轉(zhuǎn)變，獲得(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層在理論上是可行的。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種(Cr，F(xiàn)e) 7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其特征在于是采用等離子熔覆法在表面預(yù)處理過的金屬基體上制備出(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物為主體的耐磨涂層，具體步驟為
(I)、對(duì)基體進(jìn)行機(jī)械加工，并清洗表面的油脂；若基體為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并清洗表面的油脂；將預(yù)處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺(tái)，夾緊固定；
(2)、熔覆材料選擇粒度為30 120 μ m的Cr3C2粉末與粒度為80 200 μ m的Fe基合金粉
末；
(3)、等離子熔覆
采用同軸送粉工藝同時(shí)送Cr3C2粉末及Fe基合金粉末經(jīng)Y形管進(jìn)入等離子弧中熔覆，在零部件上制備涂層；
或異軸送粉工藝先送Fe基合金粉末進(jìn)入等離子弧中熔覆，再通過另外管道把Cr3C2粉末直接送入熔池，在零部件上制備涂層；
氬氣等離子熔覆工藝的技術(shù)參數(shù)為轉(zhuǎn)弧電流為80-120A;電壓為40-55V ；Fe基合金粉末送粉速度為10-25g/min ；Cr3C2送粉速度為2_10g/min ;離子氬氣流量為3_6L/min ;送粉氬氣流量為1. 5-3L/min ;保護(hù)氬氣流量為4_9L/min ;熔覆槍縱向移動(dòng)速度為50-80mm/min ;熔覆槍擺動(dòng)速度為350-750mm/min，擺動(dòng)幅度為5-15mm ;涂層制備后在空氣中自由冷卻。在上述制備方法中，所述基體的材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。在上述制備方法中，在步驟(3)中采用同軸送粉工藝時(shí)，Cr3C2粉末和Fe基合金粉末經(jīng)Y形管流動(dòng)攪拌混合，混合粉末中Cr3C2的體積含量應(yīng)不大于50%。在上述制備方法中，所述步驟(3)中若Cr3C2粉末燒損嚴(yán)重時(shí)采用異軸送粉工藝。
在上述制備方法中，所述步驟(2)中Fe基合金粉末的組份按重量百分比為C為Γ4% ；Cr 為 5. 0 50%，Si 為 2. 0 5· 0%, B 為 I. 0 4· 0% ；Ni 為 10 35%，F(xiàn)e 為余量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(I)該方法所制備的(Cr，F(xiàn)e)7C3增強(qiáng)Fe基涂層中增強(qiáng)相為柱狀碳化物，原位生成的柱狀碳化物與基體結(jié)合力較大，可解決磨損中增強(qiáng)相脫落的問題；
(2)生成(Cr，F(xiàn)e)7C3所需的原料較便宜，制備所用的等離子熔覆設(shè)備簡(jiǎn)單、移動(dòng)靈活、不受室里室外限制；
(3)對(duì)基體材料的形狀尺寸適應(yīng)性強(qiáng)，可在規(guī)則、非規(guī)則平面、大于一定尺寸的內(nèi)腔零部件表面等制備涂層，且涂層寬度較大。綜述，有益效果為本發(fā)明采用等離子熔覆法來制備柱狀碳化物增強(qiáng)涂層，該方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并以等離子弧作為高溫?zé)嵩矗蓪⒑辖鸱勰┡c基體材料迅速加熱熔化，形成強(qiáng)度高的冶金結(jié)合界面。與噴涂法相比，涂層的孔隙率極低。另外，(Cr，F(xiàn)e)7C3經(jīng)原位合成，增強(qiáng)相與基體之間的結(jié)合力大，避免了外加增強(qiáng)相與基體之間容易脫落的缺點(diǎn)，柱狀碳化物(Cr，F(xiàn)e) 7C3在涂層中分布較均勻。


圖I為本發(fā)明涂層磨損試驗(yàn)結(jié)果。(Fe基合金粉末送粉量為25g/min, Cr3C2分別采用三種不同送粉量(5g/min、15g/min、25g/min)制備的涂層與牌號(hào)為TlO的碳素工具鋼對(duì)磨樣(洛氏硬度HRC=63±1)在150N壓力下滑動(dòng)3000米后磨損量的對(duì)比)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出一種采用等離子熔覆工藝在低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵表面制備(Cr, Fe)7C3碳化物增強(qiáng)Fe基涂層的方法。該碳化物具有較高的硬度和耐磨性，且(Cr，F(xiàn)e) 7C3為原位反應(yīng)生成，與基體之間結(jié)合力大，柱狀(Cr，F(xiàn)e) 7C3在磨損當(dāng)中不容易脫落，抗磨損性能較好。采用等離子熔覆工藝，設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，可在各種形狀復(fù)雜的零部件表面制備耐磨涂層，不僅可用于提高新零部件的耐磨性，也可用于廢舊零部件的再制造。具體實(shí)施例對(duì)基體進(jìn)行機(jī)械加工(做成符合工業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)的工具或模具)，并清洗表面的油脂；若為基體為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并清洗表面的油脂；將預(yù)處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺(tái)，夾緊固定。然后通過以下三個(gè)實(shí)施例，來完成基體表面涂層。實(shí)施例I :
將Fe基合金粉末(組分按重量百分比為C為O. 5%，Cr為5. 0%，Si為3. 1%，B為2. 6%，Ni為22%，F(xiàn)e為余量；Fe基合金粉末的粒度為85 120 μ m)和Cr3C2粉末(粒度為35 65 μ m)分別裝入單獨(dú)的送粉器中，F(xiàn)e基合金粉末及Cr3C2粉末的送粉速度均為25g/min，在低碳鋼Q235表面進(jìn)行等離子熔覆，熔覆工藝為電流95A ；電壓42V ;移動(dòng)速度70mm/min ;擺動(dòng)速度400mm/min ;擺動(dòng)幅度10mm ;噴嘴距工件高度10mm，熔覆完畢后，工件在空氣中自由冷卻至室溫。
所得(Cr，F(xiàn)e) 7C3增強(qiáng)Fe基耐磨涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與牌號(hào)為TlO的碳素工具鋼對(duì)磨樣(洛氏硬度HRC=63±1)進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為150N，滑動(dòng)3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨涂層磨損量?jī)H為其7.3%。如圖I所示的第一組，清楚表達(dá)了本實(shí)施例的涂層與TlO鋼的磨損量對(duì)比，TlO鋼的磨損量為O. 02347g，本實(shí)施例的涂層磨損量為O. 0077go實(shí)施例2:
將Fe基合金粉末(C為I. 5%, Cr為15%, Si為4. 2%，B為3. 0%, Ni為15%, Fe為余量，F(xiàn)e基合金粉末粒度為8(Γ110 μ m)和Cr3C2粉末(粒度為35飛5 μ m)分別裝入單獨(dú)的送粉器中，F(xiàn)e基合金粉末及Cr3C2粉末的送粉速度分別為25g/min和15g/min，在低碳鋼Q235表面進(jìn)行等離子熔覆，熔覆工藝為電流95A ;電壓42V ;移動(dòng)速度80mm/min ;擺動(dòng)速度450mm/min ;擺動(dòng)幅度12_ ;噴嘴距工件高度10_，熔覆完畢后，工件在空氣中自由冷卻至室溫。所得(Cr，F(xiàn)e) 7C3增強(qiáng)Fe基耐磨涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與TlO對(duì)磨樣(洛氏硬度HRC=63± I)進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為150N，滑動(dòng)3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨涂層磨損量?jī)H為其9. 4%。如圖I所示的第二組，清楚表達(dá)了本實(shí)施例的涂層與TlO鋼的磨損量對(duì)比，TlO鋼的磨損量為O. 02383g，本實(shí)施例的涂層磨損量為O. 0058g。實(shí)施例3:
將Fe基合金粉(組分按重量百分比為C為2. 5%，Cr為30%，Si為4. 0%，B為3. 1%，Ni為18%，F(xiàn)e為余量，F(xiàn)e基合金粉末粒度為75 120 μ m)和Cr3C2粉末(粒度為35 65 μ m)分別裝入單獨(dú)的送粉器中，F(xiàn)e基合金粉末及Cr3C2粉末的送粉速度分別為25g/min和5g/min，在低碳鋼Q235表面進(jìn)行等離子熔覆，熔覆工藝為電流100A ;電壓41V ;移動(dòng)速度75mm/min ；擺動(dòng)速度500mm/min ;擺動(dòng)幅度12mm ;噴嘴距工件高度10mm，熔覆完畢后，工件在空氣中自由冷卻至室溫。所得柱狀(Cr，F(xiàn)e) 7C3增強(qiáng)Fe基耐磨涂層在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與TlO對(duì)磨樣(洛氏硬度HRC=63± I)進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)(壓力為150N，滑動(dòng)3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨涂層磨損量?jī)H為其12. 5%。如圖I所示的第三組，清楚表達(dá)了本實(shí)施例的涂層與TlO鋼的磨損量對(duì)比，TlO鋼的磨損量為O. 02412g，本實(shí)施例的涂層磨損量為O. 0045g。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)域的普通技術(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，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由確定的專利保護(hù)范圍。在本發(fā)明中，所述Cr3C2粉末的粒度為3(Γ120 μ m的Cr3C2粉末，小于30 μ m的Cr3C2 粉末容易被燒損不利于過渡到熔池，而大于120 μ m的Cr3C2粉末進(jìn)入熔池后反應(yīng)不完全。
權(quán)利要求
1.一種(Cr，F(xiàn)e) 7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其特征在于是采用等離子熔覆法在表面預(yù)處理過的金屬基體上制備出(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物為主體的耐磨涂層，具體步驟為 (I)、對(duì)基體進(jìn)行機(jī)械加工，并清洗表面的油脂；若基體為失效零部件再制造時(shí)，則需對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂或手持砂輪打磨處理，并清洗表面的油脂；將預(yù)處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺(tái)，夾緊固定；(2)、熔覆材料選擇粒度為30 120μ m的Cr3C2粉末與粒度為80 200 μ m的Fe基合金粉末； (3)、等離子熔覆 采用同軸送粉工藝同時(shí)送Cr3C2粉末及Fe基合金粉末經(jīng)Y形管進(jìn)入等離子弧中熔覆，在零部件上制備涂層； 或異軸送粉工藝先送Fe基合金粉末進(jìn)入等離子弧中熔覆，再通過另外管道把Cr3C2粉末直接送入熔池，在零部件上制備涂層； 氬氣等離子熔覆工藝的技術(shù)參數(shù)為轉(zhuǎn)弧電流為80-120A;電壓為40-55V ；Fe基合金粉末送粉速度為10-25g/min ；Cr3C2送粉速度為2_10g/min ;離子氬氣流量為3_6L/min ;送粉氬氣流量為1. 5-3L/min ;保護(hù)氬氣流量為4_9L/min ;熔覆槍縱向移動(dòng)速度為50-80mm/min ;熔覆槍擺動(dòng)速度為350-750mm/min，擺動(dòng)幅度為5-15mm ;涂層制備后在空氣中自由冷卻。
2.據(jù)權(quán)利要求I所述的一種(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其特征在于所述基體的材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中Cr3C2粉末和Fe基合金粉末經(jīng)Y形管流動(dòng)攪拌混合，混合粉末中Cr3C2的體積含量應(yīng)應(yīng)不大于50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種(Cr，F(xiàn)e)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法，其特征在于當(dāng)Cr3C2粉末燒損嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)采用異軸送粉工藝。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種(Cr,Fe)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基耐磨涂層的制備方法。其步驟為首先，將Fe基合金粉末與Cr3C2粉末分別裝入獨(dú)立送粉裝置；然后，根據(jù)設(shè)計(jì)送粉量經(jīng)Y形管混粉后進(jìn)入等離子弧中對(duì)零部件表面進(jìn)行熔覆制備涂層，涂層的寬度和厚度通過熔覆速度和擺動(dòng)寬度進(jìn)行控制；最后，制備好的涂層在空氣中自由冷卻。本發(fā)明中制備的(Cr,Fe)7C3柱狀碳化物增強(qiáng)Fe基涂層過程簡(jiǎn)單，增強(qiáng)相為原位生成，與基體結(jié)合力較大，柱狀碳化物的抗脫落性較高，涂層抗磨損性能好，且設(shè)備投資小，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面上耐磨涂層制備。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102899662SQ20121035470
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月23日
發(fā)明者袁有錄, 曾大新, 趙紅利, 李懷軍, 劉建永 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院