CN108265289A - 一种氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于材料表面热处理技术领域的一种氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法，首先预涂粉末涂层，然后利用非熔化极氩弧热源对预制粉末与金属基体进行氩弧熔覆工艺处理，在非熔化极氩弧热源的作用下，合金粉末与金属基体表面迅速熔化，形成熔池，调整氩弧工艺参数，使合金粉末在金属基体中原位反应合成TiB、TiB2、TiN等多相颗粒复合涂层，复合涂层与基体呈冶金结合，增强相颗粒细小且分布均匀。与常规激光熔覆、等离子熔覆粉末涂层相比，氩弧熔覆具有工艺简单，可实现手工操作和机械化操作，设备成本低，粉末的损耗小，生产效率较高等特点。

Description

一种氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法
技术领域
本发明属于金属表面热处理技术领域,特别涉及一种氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法。具体说是一种氩弧熔敷原位合成TiB、TiB2、TiN复合涂层的方法。
背景技术
磨损是材料的三种主要失效形式之一，所造成的经济损失巨大，工业生产中设备的损坏约有70%是由各种形式的磨损引起，工业发达国家机械设备每年造成的损失达千亿美元以上；据中国工程院发布的摩擦学调查报告，我国每年因摩擦磨损造成高达9500亿元经济损失，因此，提高材料的耐磨性对延长零件使用寿命和提高材料性能有至关重要的作用。目前，钢铁材料由于其低廉的成本在工程构件及机械零部件材料中仍占据主导地位，但由于工作需要和外界环境因素的影响，构件和零部件表面常常受到严重的磨损，造成巨大的资源、能源的消耗和经济损失。采用先进的表面强化技术在工程构件和机械零部件表面制备出与基体呈冶金结合的耐磨层，是行之有效的解决办法之一，通常碳钢表面强化方式有渗碳/碳氮共渗、堆焊、喷涂、激光熔覆、等离子熔覆等方法，但这些方法中存在耐磨层厚度小、操作复杂，成本高，在推广应用方面受到限制。在金属基体中，增强颗粒可通过外加方式或原位合成方式加入，外加增强颗粒与金属基体间存在结合不牢固，润湿性差等问题，原位合成增强相颗粒与基体结合好，可形成多相颗粒，有利于获得耐磨性良好的复合涂层。因此，原位合成技术日益受到重视。采用氩弧熔敷原位合成多种增强相复合涂层的方法，操作简单、稀释率小，设备成本低、强化效果好，适用于复杂零部件的表面强化，且可节省原材料，因此氩弧熔敷原位合成多种增强相复合涂层具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种氩弧熔敷原位合成多种增强相复合涂层的方法，其特征在于 ，该方法工艺步骤为：
1）配制预涂涂料，具体为：将纯度大于99.0%，平均粒度为20μm的Ti粉与纯度大于99.0%，平均粒度为30μm的BN粉按照摩尔比为(1-2):(1-3)混合；然后将混合的Ti粉和BN粉按照占总质量百分比10~30%的比例与镍基合金粉混合；混合方式为球磨，得到混合粉末；
2）所述的氩弧熔覆工艺，参数为：熔覆电流：120A，熔覆速度：120mm/min，氩气流量：10L/min。
熔覆的具体工艺是首先将混合粉末利用粘结剂涂覆至金属基体表面，涂覆厚度1~1.5mm，自然晾干24h后，放置恒温干燥箱中120℃~200℃烘干2h；利用氩弧焊机的电弧热将涂覆于低碳钢的合金粉末熔化形成复合涂层，按照上述氩弧熔覆工艺参数熔覆，在熔敷过程中，基体与混合粉末始终处于纯度99.99%的氩气保护之中。
所述的金属基体为低碳钢、中碳钢或低合金高强度钢。
所述镍基合金为Ni60A或Ni60B。
所述有机粘结剂为水玻璃或金得利液体胶（PAVL液体胶）
本发明的优点是克服了原有制备原位合成复合涂层操作复杂、原材料利用率低、生产成本高等不足，所制备多相增强颗粒复合涂层与基体冶金结合，界面干净无缺陷，涂层耐磨优良。具有1、预涂覆粉末经氩弧熔覆后，粉末中的钛粉与氮化硼粉吸收电弧能量，在低碳钢基体中原位反应生成TiB、TiB2后TiN颗粒。制备的涂层与基体冶金结合，TiB、TiB2、TiN颗粒细小，弥散分布在基体内。涂层的硬度高达HV0.51300以上，其强化机理为固溶强化、细晶强化、第二相强化；2、所使用的设备操作简单，可实现手工操作和机械化操作，设备成本较低，粉末的损耗小，生产效率较高，成本大大降低；3、所制得的多种增强相复合涂层具有较高的耐磨性。
附图说明
图1为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层（SEM）照片。
图2 为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层X射线衍射图谱。
图3为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层硬度分布曲线。
图4为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层与低碳钢耐磨性对比。
具体实施方式
本发明提供一种氩弧熔敷原位合成多种增强相复合涂层的方法。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。首先将混合粉末利用粘结剂涂覆至金属基体表面，自然晾干24h后，放置恒温干燥箱中120℃~200℃烘干2h；利用非熔化极氩弧热源对预制粉末与金属基体进行氩弧熔覆工艺处理，在电弧热的作用下，合金粉末与金属基体表面迅速熔化，形成熔池，调节氩弧工艺参数，使合金粉末在金属基体中原位反应合成TiB、TiB2、TiN等多相复合涂层，涂层与基体冶金结合，颗粒细小且分布均匀。
实施例1
称量占总质量百分比10%的按照摩尔比为1：3混合的Ti粉和BN粉，与占总质量百分比90%的Ni60A粉；总质量为20克；其中，Ti粉的平均粒度为20μm，纯度大于99%；BN粉的平均粒度为30μm，纯度大于99%；Ni60A粉的平均粒度80μm，将Ti粉与BN粉，并与Ni60A粉放入行星式球磨机中进行混合4h，然后将混合后的粉末加入有机粘结剂（水玻璃）混合成糊状后，涂敷于金属基体低碳钢表面，涂覆厚度1.2mm，在空气中自然干燥24h，熔覆前将预涂后的金属基体放入恒温干燥箱中170℃烘干2h。利用氩弧焊机进行熔覆，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为10L/min。检测结果表明：熔覆层厚度为1200μm，复合涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M23C6、TiN、TiB、TiB2组成（如图2所示），TiN呈块状颗粒分布，TiB和TiB2以针棒状存在，分布均匀；复合涂层与金属基体呈冶金结合（如图1、图2所示），图3所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层硬度分布曲线，涂层硬度可达1100HV0.5；图4所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层与低碳钢耐磨性对比，是低碳钢的8倍。
实施例2
称量占总质量百分比10%的按照摩尔比为1：2混合的Ti粉和BN粉，与占总质量百分比90%的Ni60B粉；总质量为20克；其中， Ti粉的平均粒度为20μm，纯度大于99%；BN粉的平均粒度为30μm，纯度大于99%；并与平均粒度80μm的Ni60B粉放入行星式球磨机中进行混合4h，然后将混合后的粉末加入有机粘结剂（水玻璃）混合成糊状后，涂敷于金属基体中碳钢表面，涂覆厚度1.3mm，在空气中自然干燥24h，熔覆前将预涂后的金属基体放入恒温干燥箱中150℃烘干2h。利用氩弧焊机进行熔覆，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为10L/min。检测结果表明：熔覆层厚度为1200μm，复合涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M23C6、TiN、TiB、TiB2组成，TiN呈块状颗粒分布，TiB和TiB2以针棒状存在，分布均匀；复合涂层与金属基体呈冶金结合，（如图1、图2所示），图3所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层硬度分布曲线，涂层硬度可达1250HV0.5；图4所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层与低碳钢耐磨性对比，是低碳钢的15倍。
实施例3
称量占总质量百分比10%的按照摩尔比为2：3混合的Ti粉和BN粉，与占总质量百分比90%的Ni60A粉；总质量为20克；其中，Ti粉的平均粒度为20μm，纯度大于99%；BN粉的平均粒度为30μm，纯度大于99%；并与平均粒度80μm的 Ni60A粉放入行星式球磨机中进行混合4h，然后将混合后的粉末加入有机粘结剂金得利液体胶（PAVL液体胶）混合成糊状后，涂覆于金属基体低合金高强度钢表面，涂覆厚度1.4mm，在空气中自然干燥24h，熔覆前将预涂后的金属基体放入恒温干燥箱中130℃烘干2h。利用氩弧焊机进行熔覆，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为10L/min。检测结果表明：熔覆层厚度为1200μm，复合涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M23C6、TiN、TiB、TiB2组成，TiN呈块状颗粒分布，TiB和TiB2以针棒状存在，分布均匀；复合涂层与金属基体呈冶金结合，（如图1、图2所示），图3所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层硬度分布曲线，涂层硬度可达1400HV0.5；图4所示为氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层与低碳钢耐磨性对比，是低碳钢的26倍。

Claims (4)

1.一种氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法，其特征在于，该方法工艺步骤为：
1）配制预涂涂料，具体为：将纯度大于99.0%，平均粒度为20μm的Ti粉与纯度大于99.0%，平均粒度为30μm的BN粉按照摩尔比为(1-2):(1-3)混合；然后将混合的Ti粉和BN粉按照占总质量百分比10~30%的比例与镍基合金粉混合；混合方式为球磨，得到混合粉末；
2）所述的氩弧熔覆工艺，参数为：熔覆电流：120A，熔覆速度：120mm/min，氩气流量：10L/min；熔覆的具体工艺是首先将混合粉末利用粘结剂涂覆至金属基体表面，涂覆厚度1〜1.5mm，自然晾干24h后，放置恒温干燥箱中120℃〜200℃烘干2h；利用氩弧焊机的电弧热将涂覆于低碳钢的合金粉末熔化形成复合涂层，按照上述氩弧熔覆工艺参数熔覆，在熔敷过程中，基体与混合粉末始终处于纯度99.99%的氩气保护之中。
2.根据权利要求1所述氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法，其特征在于所述的金属基体为低碳钢、中碳钢或低合金高强度钢。
3.根据权利要求1所述氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法，其特征在于，所述镍基合金为Ni60A或Ni60B。
4.根据权利要求1所述氩弧熔覆原位合成多种增强相复合涂层的方法，其特征在于所述有机粘结剂为水玻璃或金得利液体胶（PAVL液体胶）。
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