CN109112534A - 一种高密度碳化钛复合耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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CN109112534A CN201811151570.5A CN201811151570A CN109112534A CN 109112534 A CN109112534 A CN 109112534A CN 201811151570 A CN201811151570 A CN 201811151570A CN 109112534 A CN109112534 A CN 109112534A
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Abstract

本发明公开了一种碳化钛梯度复合涂层及其制备方法，将金属基体表面处理，配制增碳剂，在表面涂覆增碳剂和保温涂层，表层增碳，向金属基体表面送钛铁粉，预干燥激光扫描，多道搭接熔覆，保温，随炉冷却，得金属基体表面的复合耐磨碳化钛涂层。涂层由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色铁基体组成；增强相颗粒TiC分布均匀，形态规则呈四方或球形，不存在明显的尖角和棱角。本发明通过铸造得到的金属基体与钛复合体，外引入外碳源，并加热、保温，在金属基体表面形成碳化物涂层，涂层与基体之间为冶金结合，结合力很强，大幅度提高了金属基体表面的耐磨性能。

Description

一种高密度碳化钛复合耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨涂层及其制备方法，尤其涉及一种复合耐磨碳化钛涂层及其制备方法，具体涉及一种应用于低碳钢或低碳合金钢表面的复合耐磨碳化物涂层及其制备方法。
背景技术
碳化物具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。钛为强碳化物形成元素，金属钛与碳发生原位反应可以生成不同种类的碳化钛，TiC是一种具有很高的热稳定性和高硬度的面心结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常接近，这便于更好地与基体结合，并且TiC的标准自由生成能ΔG0值较低，其合成反应易于进行。此外，高弹性模量和具备良好耐腐蚀性能的TiC颗粒，还有成本低廉等特点，因此多数工作者都集中在TiC增强铁基复合材料的研究上。
目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但是这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。因此如何获得碳化物涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
激光熔覆技术是利用高能密度激光束所产生的局部高温将两种或两种以上金属界面瞬间熔化，熔覆材料与基体表面试样冶金结合，形成性能与基体相比更加优良的涂层，从而达到节省贵金属同时提高材料表面性能的目的。激光熔覆后，合金粉末和基材表面之间形成冶金结合涂层，其综合性能优越。但在熔覆过程中，还存在以下问题亟需解决：(1)由于熔覆涂层与基体之间的温度梯度较大，且合金粉末与基体材料之间的性能差异较大，熔覆涂层容易产生裂纹、气孔等缺陷，所以熔覆合金粉末中各种合金元素的种类和含量需严格控制；(2)反应层厚度较薄，不能很好地满足使用要求；(3)由于整个反应瞬间完成，反应层厚度无法控制。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术所存在的缺陷，提供一种应用于低碳钢或低碳合金钢表面的梯度复合耐磨碳化物涂层，并且提供一种反应层厚度可控的，用于获得上述复合耐磨碳化物涂层的制备方法。该涂层厚度可控，密度较高，化学稳定性及耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种梯度复合涂层，梯度复合涂层为碳化钛涂层，梯度复合涂层包括大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色铁基体；增强相颗粒TiC分布均匀，形态规则，呈四方或球形，粒径在1-5μm，无明显的尖角和棱角。
优选的，所述梯度复合涂层的显微硬度达1120-1530HV0.1，所述涂层的耐磨性是基体的5.3-7.5倍。
本发明相应地给出了一种制备梯度复合涂层的方法，包括如下步骤：
1)将基体表面除锈后，依次酸洗、打磨和酒精或丙酮超声清洗，所述基体为低碳钢或低碳合金钢；
2)将除锈清洗后的集体表面涂覆一层增碳剂，所述增碳剂用酒精或丙酮调至糊状后涂敷在所述基体表面；
3)再在其上涂覆一层厚度为1.5-2.5mm保温涂层；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的金属基体放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在900-950℃之间，增碳时间为36-72h；
5)将钛铁粉均匀覆盖在步骤4)中进行增碳处理后的所述基体上；
6)将步骤5)中的所述基体放入烘箱中于30-50℃预干燥10-30min；
7)将步骤6)中预干燥后的所述基体置于工作台上，用二氧化碳激光器进行激光熔覆，激光功率选用2500-3000W，扫描速度为3-6mm/s；光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为15％-35％，熔覆层厚度控制在1-2mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的所述基体放入具有气氛保护的保温炉内进行热处理，最后随炉冷却至室温，获得所述金属基体表面的复合耐磨碳化钛涂层。
优选的，所述增碳剂为HYCPC-01、HYCPC-02或HYCPC-03中的任意一种。
优选的，增碳剂厚度为0.5-1.5mm。
优选的，所述保温涂层包括下述质量比的原料：
九水合硅酸钠10％，去离子水30～40％，纳米SiO22～4％，空心陶瓷微珠8～25％，硅酸铝纤维3～9％，SiO2气凝胶浆料8～28％，六钛酸钾晶须0～2％，金红石型TiO20～2％，钛溶胶0～8％。
优选的，所述钛铁粉的粒度为500-900目，纯度为50％-65％。
优选的，步骤8)中热处理的工艺如下：
激光熔覆后的所述基体放入具有气氛保护的保温炉中从室温升温至1000-1150℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为8-15h。
优选的，所述热处理过程中的保护气为氩气，气体流量为5-8ml/min。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明通过激光熔覆和热处理相结合的方法，通过控制保温温度、保温时间和涂层厚度的关系，可在金属表面形成碳化物涂层，涂层与金属基体之间为冶金结合，结合力很强，克服了现有硬质颗粒与金属基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了涂层的力学性能。并且该方法所选合金粉的成分简单，反应层厚度易于控制，且适用于生产具有复杂形状的耐磨部件。另一方面，本发明复合碳化物涂层的显微硬度高达1120-1620HV0.1，所述涂层的耐磨性是基体的5.3-7.5倍。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为钛铁粉熔覆的工艺流程图；
图2为热处理后熔覆层的XRD图谱。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明碳化钛梯度复合涂层的制备方法包括如下步骤：
1)将金属基体表面酸洗后，选用900目的Al2O3砂纸打磨，砂纸除锈，然后用酒精或丙酮超声清洗；金属基体为低碳钢15或20或低碳合金钢15Cr、20Cr、20Mn2、20MnV、20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20MnVB、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4或12Cr2Ni4；金属基体组织根据热处理方式的不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。
2)在除锈清洗后的金属基体表面涂覆一层厚度为0.5-1.5mm的增碳剂，增碳剂选用HYCPC-01、HYCPC-02或HYCPC-03中的任意一种，用酒精或丙酮将增碳剂调至细糊状。
3)再在其上涂覆一层厚度为1.5-2.5mm的保温涂层；其保温涂层为质量比的：九水合硅酸钠10％，去离子水30～40％，纳米SiO22～4％，空心陶瓷微珠8～25％，硅酸铝纤维3～9％，SiO2气凝胶浆料8～28％，六钛酸钾晶须0～2％，金红石型TiO20～2％，钛溶胶0～8％。其中，纳米SiO2其平均粒径为30nm，含量为99.9％。
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的金属基体放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在1150-1350℃之间，增碳时间为36-72h。
5)将钛铁粉加入送粉机内，按照送粉率为2-4r/min向步骤4)中的金属基体表面动送粉；其中，钛铁粉的粒度为500-900目，纯度为50％-65％。
6)将步骤4)中的进行增碳处理的金属基体连同步骤5)中的钛铁粉一同放入烘箱中预干燥；预干燥温度为35-70℃，时间为20-30min。
7)将步骤6)中预干燥后进行增碳处理的金属基体置于工作台上，用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率选用2500-3000W，扫描速度为3-6mm/s；扫描光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为15％-35％，熔覆层厚度控制在1-2mm。
8)将步骤7)中激光熔覆后的试样放入为氩气气氛保护的保温炉内保温，气体流量为5-8ml/min；升温至1000-1150℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为5-18h，优选8-15h。最后随炉冷却至室温，获得所述金属基体表面的复合耐磨碳化钛涂层。
所得复合耐磨碳化钛涂层，由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色铁基体组成。增强相颗粒TiC分布比较均匀，形态较规则，大部分呈四方或球形，粒径大约在1-5μm左右，不存在明显的尖角和棱角。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1：
1)先对要进行表面强化的20钢进行表面除锈(酸洗)，第一步酸洗，选用120ml/L的双氧水，后流水冲洗；第二步酸洗，选用240ml/L的双氧水，后流水冲洗；第三步表面打磨，选用900目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗；
2)在除锈清洗后的20钢表面涂覆一层厚度为0.5mm的增碳剂HYCPC-01，并用酒精调至稀糊状；
3)再在其上涂覆一层厚度为1.5mm的保温涂层；所述其保温涂层成分为九水合硅酸钠10％，去离子水36％，纳米SiO24％，空心陶瓷微珠25％，硅酸铝纤维3％，SiO2气凝胶浆料21％，金红石型TiO20.5％，钛溶胶0.5％；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的20钢放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在1150℃之间，增碳时间为72h；
5)将钛铁粉加入送粉机内，按照送粉率为2r/min向步骤4)中的20钢表面动送粉；其中，钛铁粉的粒度为500目，纯度为65％；
6)将步骤4)中的进行增碳处理的20钢连同步骤5)中的钛铁粉一同放入烘箱中预干燥；预干燥温度为30℃，时间为30min；
7)将步骤6)中预干燥后进行增碳处理的20钢置于工作台上，用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率选用2500W，扫描速度为6mm/s；扫描光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为15％，熔覆层厚度控制在2mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的20钢放入为氩气气氛保护的保温炉内保温，气体流量为5ml/min；升温至1000℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为15h。最后随炉冷却至室温，获得所述20钢表面的复合耐磨碳化钛涂层。
所得碳化物涂层由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色基体组成。增强相颗粒TiC分布比较均匀，形态较规则，大部分呈四方或球形，粒径大约在1-5μm左右，不存在明显的尖角和棱角。
此时，所述20钢基体组织为珠光体。TiC/Fe致密陶瓷层的显微硬度为1120HV0.2，其相对耐磨性是基体的5.3倍。
实施例2：
1)先对要进行表面强化的20CrMnTi进行表面除锈(酸洗)，第一步酸洗，选用120ml/L的双氧水，后流水冲洗；第二步酸洗，选用240ml/L的双氧水，后流水冲洗；第三步表面打磨，选用900目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗；
2)然后在除锈清洗后的20CrMnTi表面涂覆一层厚度为0.9mm的增碳剂HYCPC-02，并用酒精调至稀糊状；
3)再在其上涂覆一层厚度为2mm的保温涂层；其保温涂层成分为九水合硅酸钠10％，去离子水30％，纳米SiO22.5％，空心陶瓷微珠24％，硅酸铝纤维9％，SiO2气凝胶浆料16.5％，六钛酸钾晶须2％，金红石型TiO22％，钛溶胶4％；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的20CrMnTi放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在920℃之间，增碳时间为64h；
5)将钛铁粉加入送粉机内，按照送粉率为3r/min向步骤4)中的20CrMnTi表面自动送粉；其中，钛铁粉的粒度为650目，纯度为55％；
6)将步骤4)中的进行增碳处理的20CrMnTi连同步骤5)中的钛铁粉一同放入烘箱中预干燥；预干燥温度为40℃，时间为30min；
7)将步骤6)中预干燥后进行增碳处理的20CrMnTi置于工作台上，用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率选用2700W，扫描速度为4mm/s；扫描光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为20％，熔覆层厚度控制在1.6mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的20CrMnTi放入为氩气气氛保护的保温炉内保温，气体流量为6ml/min；升温至1050℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为8h。最后随炉冷却至室温，获得所述20CrMnTi表面的复合耐磨碳化钛涂层。
所得碳化物涂层由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色铁基体组成。增强相颗粒TiC分布比较均匀，形态较规则，大部分呈四方或球形，粒径大约在1-5μm左右，不存在明显的尖角和棱角。
此时，所述20CrMnTi基体组织为索氏体。TiC/Fe致密陶瓷层的显微硬度为1389HV0.2，其相对耐磨性是基体的6.5倍。
实施例3：
1)先对要进行表面强化的20Cr进行表面除锈(酸洗)，第一步酸洗，选用120ml/L的双氧水，后流水冲洗；第二步酸洗，选用240ml/L的双氧水，后流水冲洗；第三步表面打磨，选用900目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗；
2)然后在除锈清洗后的20Cr表面涂覆一层厚度为1.1mm的增碳剂HYCPC-02，并用酒精调至稀糊状；
3)再在其上涂覆一层厚度为2mm的保温涂层；其保温涂层成分为九水合硅酸钠10％，去离子水40％，纳米SiO22％，空心陶瓷微珠8％，硅酸铝纤维8.5％，SiO2气凝胶浆料28％，六钛酸钾晶须2％，金红石型TiO21.5％；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的20Cr放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在940℃之间，增碳时间为48h；
5)将钛铁粉加入送粉机内，按照送粉率为3r/min向步骤4)中的20Cr表面自动送粉；其中，钛铁粉的粒度为800目，纯度为52％；
6)将步骤4)中的进行增碳处理的20Cr连同步骤5)中的钛铁粉一同放入烘箱中预干燥；预干燥温度为35℃，时间为20min；
7)将步骤6)中预干燥后进行增碳处理的20Cr置于工作台上，用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率选用2900W，扫描速度为5mm/s；扫描光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为30％，熔覆层厚度控制在1.2mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的20Cr放入为氩气气氛保护的保温炉内保温，气体流量为7ml/min；升温至1120℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为5h。最后随炉冷却至室温，获得所述20Cr表面的复合耐磨碳化钛涂层。
所得碳化物涂层由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色基体组成。增强相颗粒TiC分布比较均匀，形态较规则，大部分呈四方或球形，粒径大约在1-5μm左右，不存在明显的尖角和棱角。
此时，所述20Cr基体组织为马氏体。TiC/Fe致密陶瓷层的显微硬度为1530HV0.2，其相对耐磨性是基体的7.2倍。
实施例4：
1)先对要进行表面强化的18Cr2Ni4WA进行表面除锈(酸洗)，第一步酸洗，选用120ml/L的双氧水，后流水冲洗；第二步酸洗，选用240ml/L的双氧水，后流水冲洗；第三步表面打磨，选用900目Al2O3砂纸，最后用酒精超声清洗；
2)然后在除锈清洗后的18Cr2Ni4WA表面涂覆一层厚度为1.5mm的增碳剂HYCPC-01，并用酒精调至稀糊状；
3)再在其上涂覆一层厚度为2.5mm的保温涂层；其保温涂层成分为九水合硅酸钠10％，去离子水40％，纳米SiO24％，空心陶瓷微珠25％，硅酸铝纤维9％，SiO2气凝胶浆料8％，六钛酸钾晶须2％，钛溶胶6％；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的18Cr2Ni4WA放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在950℃之间，增碳时间为36h；
5)将钛铁粉加入送粉机内，按照送粉率为4r/min向步骤4)中的18Cr2Ni4WA表面自动送粉；其中，钛铁粉的粒度为900目，纯度为50％；
6)将步骤4)中的进行增碳处理的18Cr2Ni4WA连同步骤5)中的钛铁粉一同放入烘箱中预干燥；预干燥温度为35℃，时间为25min；
7)将步骤6)中预干燥后进行增碳处理的18Cr2Ni4WA置于工作台上，用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率选用3000W，扫描速度为3mm/s；扫描光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为35％，熔覆层厚度控制在1mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的18Cr2Ni4WA放入为氩气气氛保护的保温炉内保温，气体流量为8ml/min；升温至1150℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为8h。最后随炉冷却至室温，获得所述18Cr2Ni4WA表面的复合耐磨碳化钛涂层。
所得碳化物涂层由大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色基体组成。增强相颗粒TiC分布比较均匀，形态较规则，大部分呈四方或球形，粒径大约在1-5μm左右，不存在明显的尖角和棱角。
此时，所述18Cr2Ni4WA基体组织为马氏体。TiC/Fe致密陶瓷层的显微硬度为1620HV0.2，其相对耐磨性是基体的7.5倍。
图2示出了本发明实施例1对应的热处理后熔覆层的XRD图谱。可以看出经热处理后熔覆层的最终产物为α-Fe和TiC。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度复合涂层，其特征在于，梯度复合涂层为碳化钛涂层，梯度复合涂层包括大量灰色增强相颗粒TiC和少量灰白色铁基体；增强相颗粒TiC分布均匀，形态规则，呈四方或球形，粒径在1-5μm，无明显的尖角和棱角。
2.如权利要求1所述的梯度复合涂层，其特征在于，所述梯度复合涂层的显微硬度达1120-1530HV0.1，所述涂层的耐磨性是基体的5.3-7.5倍。
3.一种制备如权利要求1-2任一项所述梯度复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将基体表面除锈后，依次酸洗、打磨和酒精或丙酮超声清洗，所述基体为低碳钢或低碳合金钢；
2)将除锈清洗后的集体表面涂覆一层增碳剂，所述增碳剂用酒精或丙酮调至糊状后涂敷在所述基体表面；
3)再在其上涂覆一层厚度为1.5-2.5mm保温涂层；
4)将步骤3)中涂覆有保温涂层的金属基体放入高频感应器中进行表层增碳处理，表层增碳的温度控制在900-950℃之间，增碳时间为36-72h；
5)将钛铁粉均匀覆盖在步骤4)中进行增碳处理后的所述基体上；
6)将步骤5)中的所述基体放入烘箱中于30-50℃预干燥10-30min；
7)将步骤6)中预干燥后的所述基体置于工作台上，用二氧化碳激光器进行激光熔覆，激光功率选用2500-3000W，扫描速度为3-6mm/s；光斑尺寸为10mm×2mm，多道搭接率为15％-35％，熔覆层厚度控制在1-2mm；
8)将步骤7)中激光熔覆后的所述基体放入具有气氛保护的保温炉内进行热处理，最后随炉冷却至室温，获得所述金属基体表面的复合耐磨碳化钛涂层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增碳剂为HYCPC-01、HYCPC-02或HYCPC-03中的任意一种。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，增碳剂厚度为0.5-1.5mm。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保温涂层包括下述质量比的原料：
九水合硅酸钠10％，去离子水30～40％，纳米SiO22～4％，空心陶瓷微珠8～25％，硅酸铝纤维3～9％，SiO2气凝胶浆料8～28％，六钛酸钾晶须0～2％，金红石型TiO20～2％，钛溶胶0～8％。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钛铁粉的粒度为500-900目，纯度为50％-65％。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤8)中热处理的工艺如下：
激光熔覆后的所述基体放入具有气氛保护的保温炉中从室温升温至1000-1150℃，升温速度控制在6℃/min，保温时间为8-15h。
9.如权利要求或8所述的方法，其特征在于，所述热处理过程中的保护气为氩气，气体流量为5-8ml/min。
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