CN101597734A - 一种改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及钢铁表面涂层保护技术。特别提供了一种改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法。工艺包括：钢表面处理；在炉中惰性气体保护下熔炼高铬铸铁及硬质合金；将表面处理后的低碳钢、低合金钢浸入合金熔液中，热浸镀温度为1200℃～1300℃，热浸镀时间为5～15s。热浸镀后在静置空气中自然冷却，45^#钢表面可形成厚度在0.5～10mm之间的涂层。本发明的优点在于：涂层组织均匀，晶粒细小，硬度高且韧性好，不易开裂，耐磨性优异。不需热处理也能获得断续的杆状、块状和颗粒状的碳化物。涂层与基体结合强度高。

Description

一种改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及钢铁表面涂层保护技术。特别提供了一种改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法。

背景技术

金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，会造成巨大的经济损失，据统计资料，在失效的机械零件中，有75％～80％属于磨损造成。有资料表明：美国每年由于磨损造成损失约为1120亿美元，而我国约为400亿元。我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件，每年消耗百万吨以上。开发、研制、推广新型抗磨材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。

高铬铸铁材料以其优良的抗低应力磨粒磨损性能、低廉的价格，正越来越受到业内人士的青睐。高铬铸铁中铬、碳含量，变质处理和热处理工艺等决定着高铬铸铁里共晶碳化物的分布形态。当铸铁的含铬量超过10％时，形成M₇C₃型碳化物，而不是在低铬时形成的M₃C型碳化物。高铬铸铁形成的M₇C₃型碳化物被奥氏体或是它的转变产物所包围，分布形态转变为断续的杆状、块状和颗粒状，而不是一般白口铸铁中的连续状基体或是严重影响材料韧性的网状。随着Cr/C比的增加，共晶碳化物的形貌经历了由连续网状→片状→杆状连续程度减小的过程，共晶碳化物晶体类型经历由M₃C→M₃C+M₇C₃→M₇C₃的变化过程。在高铬铸铁中加入稀土，能使As、Bi、Pb、Zn、Sn、Sb等低熔点杂质生成熔点较高的二元或多元化合物，不溶于铁液中而被除去，减少或消除这些夹杂物的有害影响；可以改变铸铁中碳化物的形状、影响铸铁基体中渗碳体的数量、细化铸铁的晶粒度，提高铸铁的强韧性。不同的热处理工艺可以产生不同的组织，进而影响合金的力学性能。

近二十年来，国内外已广泛将高铬铸铁用于矿山、机械、电力、及冶金等行业的备件上，如破碎机滚筒、衬板、锤头、磨煤机辊套、磨球、料斗、立磨磨辊及磨盘等均取得相当成效。但是整体铸造的高铬铸铁由于制造工艺上以及使用性能上的要求而受到限制。因此人们采用不同的方法(如表面堆焊、铸渗和热喷涂等)将高铬铸铁制成涂层。在运用高铬铸铁焊材进行堆焊修复及制造过程中由于只需要满足部件表面使用性能上的特殊要求：抵抗低应力磨粒磨损，可以将碳含量提高从而使硬度增加。这是高铬铸铁堆焊比高铬铸铁铸造优越的地方。但是堆焊层的开裂，仍是国内外公认的长期困扰零件堆焊质量和使用寿命的关键问题。铸渗是将含有合金粉末的涂料涂敷、贴固在铸型表面，然后注入金属液，金属液浸透涂层微孔，发生界面化学冶金反应，使其熔解或熔化，即可在铸件表面形成一层铸渗合金层。这种方法与其他表面强化方法如化学镀、表面堆焊和等离子喷涂等相比，具有不需要专用处理设备，生产周期短，成本低等优点，但对铸渗机理及工艺研究缺乏***研究，并且此法由于涂料熔解或熔化可能导致涂敷层成分的不均匀，从而影响材料的表面性能。热喷涂工艺简单但制备的涂层与基体结合强度不大。

发明内容

本发明的目的在于在高铬铸铁中加入一定质量分数的硬质合金，热浸镀后涂层晶粒细小，硬度提高同时韧性不降低，从而提高热浸镀高铬铸铁涂层的耐磨性。

一种改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征是以低碳钢、低合金钢作为基材，以高铬铸铁及硬质合金作为涂层原料，热浸镀工艺先后分四个流程：1)钢表面处理；2)熔炼铸铁合金及硬质合金；3)热浸镀；4)获得涂层。

流程2)中高铬铸铁成分(wt％)：12％Ni，16％Cr，1.5％C，4％Si，4％B，余量Fe。硬质合金成分(wt％)：50％WC，1.25％Cr，1.25％Mo，0.5％C，余量Fe。

流程2)中硬质合金的加入量为10wt％-15wt％。

流程3)中热浸镀温度范围在1200℃～1250℃，浸入时间为5～15s。

流程4)中涂层在空气中自然冷却，其厚度为0.5～10mm。涂层中晶粒与未加硬质合金的相比更加细小。

流程4)中涂层硬度大于62HRC，析出相的显微硬度为1200HV左右，且析出相分布呈不连续的短棒状和块状。

本发明和现有技术相比所具有的优点在于：涂层组织均匀，晶粒细小，硬度高且韧性好，不易开裂，耐磨性优异。不需热处理也能获得断续的杆状、块状和颗粒状的碳化物。涂层与基体结合强度高。

具体实施方式

实施例1：

将45^#钢加工成尺寸为200×150×7mm的试样以两种不同方式进行表面处理：①表面经100^#砂纸打磨→碱洗(用10％NaOH煮沸清洗10min)→水洗→酸洗(用36％HCl清洗5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。②表面喷砂(5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。

在中频炉中熔炼高铬铸铁和硬质合金。按高铬铸铁成分将高碳铬铁、硅铁、硼铁、纯镍配比，随后加入10wt％硬质合金。考虑到硬质合金熔点高的问题，将其破碎成1cm³以下的小块，放入中频炉的高温区加热，在其他合金熔化过程中，硬质合金不能熔化而是逐步溶解到熔融金属。合金全部熔化及硬质合金溶解完毕后，在1200℃保温30min左右，其目的是通过中频炉的电磁搅拌效应使熔液成分均匀化。熔液中加入少量Al脱氧，随后清除熔液表层浮渣并进行热浸镀。整个过程通入氮气或氩气保护。

将表面处理后的45^#钢浸入铸铁熔液中进行热浸镀，浸入时间为5～15s，随后空冷到室温，45^#钢表面获得厚度在0.5～10mm之间的涂层。实验结果表明，与未加硬质合金的涂层相比，涂层中晶粒更加细小。垂直涂层与基体界面方向上，涂层硬度大于62HRC，高于未加硬质合金涂层的硬度(58HRC)。析出相的显微硬度为1200HV左右，且析出相分布呈不连续的短棒状和块状。

实施例2：

将45^#钢加工成尺寸为200×150×7mm的试样以两种不同方式进行表面处理：①表面经100^#砂纸打磨→碱洗(用10％NaOH煮沸清洗10min)→水洗→酸洗(用36％HCl清洗5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。②表面喷砂(5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。

在中频炉中熔炼高铬铸铁和硬质合金。按高铬铸铁成分将高碳铬铁、硅铁、硼铁、纯镍配比，随后加入13wt％硬质合金。考虑到硬质合金熔点高的问题，将其破碎成1cm³以下的小块，放入中频炉的高温区加热，在其他合金熔化过程中，硬质合金不能熔化而是逐步溶解到熔融金属。合金全部熔化及硬质合金溶解完毕后，在1250℃保温30min左右，其目的是通过中频炉的电磁搅拌效应使熔液成分均匀化。熔液中加入少量Al脱氧，随后清除熔液表层浮渣并进行热浸镀。整个过程通入氮气或氩气保护。

将表面处理后的45^#钢浸入铸铁熔液中进行热浸镀，浸入时间为5～15s，随后空冷到室温，45^#钢表面获得厚度在0.5～10mm之间的涂层。实验结果表明，与未加硬质合金的涂层相比，涂层中晶粒更加细小。垂直涂层与基体界面方向上，涂层硬度大于62HRC，高于未加硬质合金涂层的硬度(58HRC)。析出相的显微硬度为1200HV左右，且析出相分布呈不连续的短棒状和块状。

实施例3：

将45^#钢加工成尺寸为200×150×7mm的试样以两种不同方式进行表面处理：①表面经100^#砂纸打磨→碱洗(用10％NaOH煮沸清洗10min)→水洗→酸洗(用36％HCl清洗5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。②表面喷砂(5min)→水洗→干燥→助镀剂处理→干燥。

在中频炉中熔炼高铬铸铁和硬质合金。按高铬铸铁成分将高碳铬铁、硅铁、硼铁、纯镍配比，随后加入15wt％硬质合金。考虑到硬质合金熔点高的问题，将其破碎成1cm³以下的小块，放入中频炉的高温区加热，在其他合金熔化过程中，硬质合金不能熔化而是逐步溶解到熔融金属。合金全部熔化及硬质合金溶解完毕后，在1300℃保温30min左右，其目的是通过中频炉的电磁搅拌效应使熔液成分均匀化。熔液中加入少量Al脱氧，随后清除熔液表层浮渣并进行热浸镀。整个过程通入氮气或氩气保护。

将表面处理后的45^#钢浸入铸铁熔液中进行热浸镀，浸入时间为5～15s，随后空冷到室温，45^#钢表面获得厚度在0.5～10mm之间的涂层。实验结果表明，与未加硬质合金的涂层相比，涂层中晶粒更加细小。垂直涂层与基体界面方向上，涂层硬度大于62HRC，高于未加硬质合金涂层的硬度(58HRC)。析出相的显微硬度为1200HV左右，且析出相分布呈不连续的短棒状和块状。

Claims (6)

1.改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：以低碳钢、低合金钢作为基材，以高铬铸铁及硬质合金作为涂层原料，热浸镀工艺先后分四个流程：1)钢表面处理；2)熔炼铸铁合金及硬质合金；3)热浸镀；4)获得涂层。

2.根据权利要求1所述改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：流程2)中高铬铸铁成分wt％：12％Ni，16％Cr，1.5％C，4％Si，4％B，余量Fe。硬质合金成分wt％：50％WC，1.25％Cr，1.25％Mo，0.5％C，余量Fe。

3.根据权利要求1所述改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：流程2)中硬质合金的加入量为10wt％-15wt％。

4.根据权利要求1所述改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：流程3)中热浸镀温度范围在1200℃～1250℃，浸入时间为5～15s。

5.根据权利要求1所述改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：流程4)中涂层在空气中自然冷却，其厚度为0.5～10mm；涂层中晶粒与未加硬质合金的相比更加细小。

6.根据权利要求1所述改善热浸镀高铬铸铁涂层组织及力学性能的方法，其特征在于：流程4)中涂层硬度大于62HRC，析出相的显微硬度1200HV左右，且析出相分布呈不连续的短棒状和块状。