一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法
2023-07-13 01:35:01
專利名稱：一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法
技術領域：
本發明屬於金屬基複合材料製備技術領域，提供了一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法。
背景技術：
磨損是零件失效的主要形式之一，造成設備運轉效率降低、工件更換或維護頻繁、 能源消耗增加，造成巨大經濟損失，目前提高零件耐磨性的方法主要為表面改性和塗層技術，其中塗層技術可用極少量的材料起到大量、昂貴的整體材料難以起到的作用，極大降低了產品成本。TiC莫氏硬度9. 5，是所有已知碳化物中硬度最高的，在機械、化工和微電子等高技術領域有著廣泛的應用。TiC基硬質合金塗層由於其具有的高硬度、高耐磨性，在耐磨塗層領域已顯現出優異的應用潛力。gliMi^iim'n (Self-propagating High-temperature Synthesis, If^ SHS) 是利用化學反應自身放熱製備材料的新技術，其最顯著的特點是充分利用元素間形成化合物的高能放熱反應，除了引發合成反應所必須的少量外加能量，整個反應過程主要依靠物料自身的放熱來支持。自蔓延合成TiC具有工藝簡單、生產效率高等優點。
發明內容
本發明的目的在於提供一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，提高鑄件的耐磨性。本發明提供了一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於
(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末按質量比13-70% 3-25% 0-30% 2. 5-80%進行配料，在球磨機中混合1-24小時製成混合粉末；
(2)在混合粉末中加入粘結劑，粘結劑與混合粉末的質量比為1:10-1:100，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；
(3)將粉末膏劑塗覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預先加工好的孔或槽內。(4)將製備好的鑄件模型外塗掛一層防粘砂塗料，在40-50° C溫度範圍內烘乾，烘乾時間為5-18小時；
(5)在中頻感應電爐中熔煉鋼水，然後進行澆注，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反 應Ti+C — TiC,形成TiC基硬質合金相；
(6)鑄件進行熱處理或鑄造餘熱水韌處理，冷卻到室溫後進行表面清理、打磨，即得表面原位合成TiC基硬質合金塗層的鑄件。優選的是，鑄造工藝為真空消失模鑄造。優選的是，熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。
優選的是，金屬粉末組份質量比為:Ni:0-60%，Cr :0_30%，Si :0_11%，B :0_8%，Co 0-60%，其餘為Fe ；進一步優選，金屬粉末組份質量比為=Ni :0-60%，Cr :5_30%，Si :5_11%， B :3-8%，Co :0-60%，其餘為 Fe。優選的是，Ti粉粒度1-20μπι、石墨粉粒度=HOynuWC粉粒度1-8μπι、金屬粉末粒度1-180 μ m。優選的是，粘結劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000 的聚乙二醇水溶液，或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。優選的是，合金塗層厚度為0. 5-60mm，進一步優選合金塗層厚度為5_7mm。鑄件局部孔或槽硬質合金塗層厚度為1-lOOmm，進一步優選鑄件局部孔或槽硬質合金塗層厚度為 3-40mmo優選的是，合金塗層包括基體組織(塗層是由鐵合金粉熔融後將碳化鈦粘結在一起形成的，基體組織就是鐵合金粉熔融後形成的粘結相)及分布其上的TiC顆粒、WC顆粒和合金碳化物組成，其中TiC顆粒體積百分數為10-80%，WC顆粒體積百分數為0-20%，合金碳化物體積百分數為1_15%，其餘為基體組織，合金塗層硬度HRC50-75。本領域技術人員不難看出，上述各方案的任意組合都構成本發明的一部分。 本發明的優點在於鑄件的表面質量好，塗層與鑄件結合牢固，在使用過程中具有高耐磨性、耐磨合金層不脫落，並且工藝簡單，適於工業化生產。
具體實施例方式實施例1:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉3. 5kg，IOym的石墨粉0. 8kg，3-4. 5 μ m的WC粉 0.5 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末(Ni :60%wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其餘為 Fe) 1. 2kg， 在球磨機中混合4個小時；
步驟2:在混合粉末中加入300g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；
步驟3 將粉末塗料膏劑塗覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，塗覆部位在鑄件磨損工作表面上，塗覆厚度為5mm;
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂塗料，在45° C乾燥8小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水後抽真空進行澆注，澆注溫度為1470 0C, 真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到1100 0C時，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為20°C的水箱中，進行鑄件餘熱水韌化處理，冷卻到室溫後，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的高錳鋼鑄件，硬質合金塗層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結合，表面質量好，合金塗層厚度為5. 3mm,硬度HRC63。實施例2:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉5. 0kg, 10 μ m的石墨粉1. 2kg，3-4. 5 μ m的WC 粉 0. 6 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末 1. 2kg (Ni 60% wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其餘為 Fe)，在球磨機中混合8個小時；
步驟2 在混合粉末中加入600g橡膠汽油(濃度10%wt)溶液，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；
步驟3 將粉末塗料 膏劑塗覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，塗覆部位在鑄件磨損工作表面上，塗覆厚度為56mm;
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂塗料，在40° C乾燥12小時； 步驟5:組裝澆注裝置，熔煉45#鋼鋼水後抽真空進行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到500 0C時，落砂翻出鑄件，埋在石英砂中進行緩冷熱處理，冷卻到室溫後，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的45#鋼鑄件，硬質合金塗層與45#鋼基體呈冶金結合，表面質量好，合金塗層厚度為57. 5mm,硬度HRC65。實施例3:
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉0. 35kg，IOym的石墨粉0. 08kg, 3-4. 5 μ m的 WC 粉 0. 05 kg 禾口 20 μ m 的金屬粉末(Ni :60%wt, Cr 5% wt, Si 5% wt, B 3% wt,其餘為 Fe)0. 12kg，在球磨機中混合4個小時；
步驟2 在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；
步驟3 將粉末塗料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型預先加工好的孔中，圓孔直徑為 Φ 10mm，填充深度為35_ ；
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂塗料，在45° C乾燥8小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水後抽真空進行澆注，澆注溫度為1470 0C, 真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到1100 0C時，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為20°C的水箱中，進行鑄件餘熱水韌化處理，冷卻到室溫後，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的高錳鋼鑄件，硬質合金塗層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結合，表面質量好，硬質合金塗層圓棒直徑為Φ 10mm，厚度為33mm，硬度HRC61. 2。實施例4
步驟1 稱取平均粒度為15 μ m的Ti粉25. 0kg, IOym的石墨粉6. Okg, 3-4. 5 μ m的WC 粉 3.0 kg 和 20 μ m 的金屬粉末 6. Okg (Ni 60% wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其餘為 Fe)，在球磨機中混合15個小時；
步驟2 在混合粉末中加入3. Okg橡膠汽油(濃度10%wt)溶液，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；
步驟3 將粉末塗料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型上預先加工好的槽內，槽寬度為 10mm，塗覆深度為25mm ；
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂塗料，在40° C乾燥12小時； 步驟5 組裝澆注裝置，熔煉45#鋼鋼水後抽真空進行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0. 06MPa，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應；
步驟6 鑄件冷卻到500 0C時，落砂翻出鑄件，埋在石英砂中進行緩冷熱處理，冷卻到室溫後，進行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的45#鋼鑄件，硬質合金塗層與45#鋼基體呈冶金結合，表面質量好，硬質合金塗層槽寬度為10mm，厚度為 24. 5mm,硬度 HRC71. 3。
權利要求
1.一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，採用Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末作為合成材料，其特徵在於採用如下步驟(1)Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末按質量比13-70% 3-25% 0-30% 2. 5-80%進行配料，在球磨機中混合1-24小時製成混合粉末；(2)在混合粉末中加入粘結劑，粘結劑與混合粉末的質量比為1:10-1:100，攪拌混勻製成粉末塗料膏劑；(3)將粉末膏劑塗覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預先加工好的孔或槽內；(4)將製備好的鑄件模型外塗掛一層防粘砂塗料，在40-50 C溫度範圍內烘乾，烘乾時間為5-18小時；(5)在中頻感應電爐中熔煉鋼水，然後進行澆注，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應Ti+C — TiC,形成TiC基硬質合金相；(6)鑄件進行熱處理或鑄造餘熱水韌處理，冷卻到室溫後進行表面清理、打磨，即得表面或局部原位合成TiC基硬質合金塗層的鑄件。
2.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於鑄造工藝為真空消失模鑄造。
3.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。
4.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於金屬粉末組份質量比為:Ni :0-60%，Cr :0-30%，Si :0_11%，B :0_8%，Co :0_60%，其餘為 Fe。
5.根據權利要求4所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於金屬粉末組份質量比為:Ni :0-60%，Cr :5-30%，Si :5_11%，B :3_8%，Co :0_60%，其餘為Fe。
6.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於Ti粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度1-20μπκ WC粉粒度1_8 μ m、金屬粉末粒度 1-180 μ m。
7.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於粘結劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000的聚乙二醇水溶液， 或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於鑄件表面的合金塗層厚度為0. 5-60mm,局部孔或槽的合金塗層的厚度為l-100mm。
9.根據權利要求8所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於鑄件表面的合金塗層厚度為5-7mm，局部孔或槽的合金塗層的厚度為3_40mm。
10.根據權利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，其特徵在於合金塗層包括基體組織及分布其上的TiC顆粒、WC顆粒和合金碳化物組成，其中TiC 顆粒體積百分數為10-80%，WC顆粒體積百分數為0-20%，合金碳化物體積百分數為1-15%， 其餘為基體組織，合金塗層硬度HRC50-75。
全文摘要
一種鑄件表面原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的方法，屬於金屬基複合材料製備技術領域。採用真空消失模鑄造工藝，將Ti粉、石墨粉、WC粉和金屬粉末混合，加入粘結劑製成粉末塗料膏劑，塗覆在EPS泡沫塑料模型表面或填充在模型的孔或槽內，在澆注過程中，利用鋼液的高溫引發自蔓延合成反應，發生Ti+C→TiC反應，形成TiC基硬質合金相，得到表面或局部原位合成碳化鈦基硬質合金塗層的鑄件。本發明的優點在於鑄件的表面質量好，硬面塗層與鑄件結合牢固，在使用過程中具有高耐磨性、耐磨合金層不脫落，並且工藝簡單，適於工業化生產。
文檔編號B22D19/16GK102274951SQ201110222010
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月4日 優先權日2011年8月4日
發明者周生永, 王剛, 王振明, 程軍, 羅驥, 郭志猛 申請人:廣東新勁剛超硬材料有限公司