一種(Cr,Fe)₇C₃柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法

2024-02-24 05:12:15

專利名稱：一種(Cr,Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法
技術領域：
本發明涉及耐磨塗層領域，特別是一種(Cr，Fe) 7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法。
背景技術：
在航空、航天、機車、汽車、地質勘探等工業中，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，通常採用表面技術來獲得耐磨塗層。塗層材料多為複合材料，其增強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，Fe)7C3碳化物一直作為一種增強相出現在鑄造合金中，並沒有通過其他如等離子熔覆方法製備出較薄的耐磨塗層材料用於表面技術。若能把該柱狀碳化物用於耐磨零部件表面，可充分發揮其高硬度、 高耐磨性的特點，可避免如顆粒增強相磨損時容易脫落的缺點，具有十分重要的創新價值和工程應用意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種(Cr，Fe) 7C3增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其抗磨相選擇(Cr，Fe) 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，Fe)7C3與基體之間結合力大，且為柱體形狀，可有效避免摩擦磨損時增強相的脫落。本發明的技術構思本發明採用等離子熔覆法來製備柱狀碳化物增強塗層。由於Cr3C2自由能較高，在Fe基金屬熔池中會發生脫碳，向自由能較低穩定性較高的(Cr，Fe)7C3轉變，獲得(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層在理論上是可行的。本發明的技術方案為
一種(Cr，Fe) 7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其特徵在於是採用等離子熔覆法在表面預處理過的金屬基體上製備出(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物為主體的耐磨塗層，具體步驟為
(I)、對基體進行機械加工，並清洗表面的油脂；若基體為失效零部件再製造時，則需對基體表面進行噴砂或手持砂輪打磨處理，並清洗表面的油脂；將預處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺，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
採用同軸送粉工藝同時送Cr3C2粉末及Fe基合金粉末經Y形管進入等離子弧中熔覆，在零部件上製備塗層；
或異軸送粉工藝先送Fe基合金粉末進入等離子弧中熔覆，再通過另外管道把Cr3C2粉末直接送入熔池，在零部件上製備塗層；
氬氣等離子熔覆工藝的技術參數為轉弧電流為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 ;保護氬氣流量為4_9L/min ;熔覆槍縱向移動速度為50-80mm/min ;熔覆槍擺動速度為350-750mm/min，擺動幅度為5-15mm ;塗層製備後在空氣中自由冷卻。在上述製備方法中，所述基體的材料為低碳鋼、中碳鋼、不鏽鋼或鑄鐵中的一種。在上述製備方法中，在步驟(3)中採用同軸送粉工藝時，Cr3C2粉末和Fe基合金粉末經Y形管流動攪拌混合，混合粉末中Cr3C2的體積含量應不大於50%。在上述製備方法中，所述步驟(3)中若Cr3C2粉末燒損嚴重時採用異軸送粉工藝。
在上述製備方法中，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%，Fe 為餘量。本發明的優點是
(I)該方法所製備的(Cr，Fe)7C3增強Fe基塗層中增強相為柱狀碳化物，原位生成的柱狀碳化物與基體結合力較大，可解決磨損中增強相脫落的問題；
(2)生成(Cr，Fe)7C3所需的原料較便宜，製備所用的等離子熔覆設備簡單、移動靈活、不受室裡室外限制；
(3)對基體材料的形狀尺寸適應性強，可在規則、非規則平面、大於一定尺寸的內腔零部件表面等製備塗層，且塗層寬度較大。綜述，有益效果為本發明採用等離子熔覆法來製備柱狀碳化物增強塗層，該方法易於實現自動化，並以等離子弧作為高溫熱源，可將合金粉末與基體材料迅速加熱熔化，形成強度高的冶金結合界面。與噴塗法相比，塗層的孔隙率極低。另外，(Cr，Fe)7C3經原位合成，增強相與基體之間的結合力大，避免了外加增強相與基體之間容易脫落的缺點，柱狀碳化物(Cr，Fe) 7C3在塗層中分布較均勻。


圖I為本發明塗層磨損試驗結果。(Fe基合金粉末送粉量為25g/min, Cr3C2分別採用三種不同送粉量(5g/min、15g/min、25g/min)製備的塗層與牌號為TlO的碳素工具鋼對磨樣(洛氏硬度HRC=63±1)在150N壓力下滑動3000米後磨損量的對比)。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明。本發明提出一種採用等離子熔覆工藝在低碳鋼、中碳鋼、不鏽鋼或鑄鐵表面製備(Cr, Fe)7C3碳化物增強Fe基塗層的方法。該碳化物具有較高的硬度和耐磨性，且(Cr，Fe) 7C3為原位反應生成，與基體之間結合力大，柱狀(Cr，Fe) 7C3在磨損當中不容易脫落，抗磨損性能較好。採用等離子熔覆工藝，設備投資小，操作簡單，自動化程度高，可在各種形狀複雜的零部件表面製備耐磨塗層，不僅可用於提高新零部件的耐磨性，也可用於廢舊零部件的再製造。具體實施例對基體進行機械加工(做成符合工業使用標準的工具或模具)，並清洗表面的油脂；若為基體為失效零部件再製造時，則需對基體表面進行噴砂或手持砂輪打磨處理，並清洗表面的油脂；將預處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺，夾緊固定。然後通過以下三個實施例，來完成基體表面塗層。實施例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%，Fe為餘量；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)分別裝入單獨的送粉器中，Fe基合金粉末及Cr3C2粉末的送粉速度均為25g/min，在低碳鋼Q235表面進行等離子熔覆，熔覆工藝為電流95A ；電壓42V ;移動速度70mm/min ;擺動速度400mm/min ;擺動幅度10mm ;噴嘴距工件高度10mm，熔覆完畢後，工件在空氣中自由冷卻至室溫。
所得(Cr，Fe) 7C3增強Fe基耐磨塗層在M-2000磨損試驗機上與牌號為TlO的碳素工具鋼對磨樣(洛氏硬度HRC=63±1)進行對磨試驗(壓力為150N，滑動3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨塗層磨損量僅為其7.3%。如圖I所示的第一組，清楚表達了本實施例的塗層與TlO鋼的磨損量對比，TlO鋼的磨損量為O. 02347g，本實施例的塗層磨損量為O. 0077go實施例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為餘量，Fe基合金粉末粒度為8(Γ110 μ m)和Cr3C2粉末(粒度為35飛5 μ m)分別裝入單獨的送粉器中，Fe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表面進行等離子熔覆，熔覆工藝為電流95A ;電壓42V ;移動速度80mm/min ;擺動速度450mm/min ;擺動幅度12_ ;噴嘴距工件高度10_，熔覆完畢後，工件在空氣中自由冷卻至室溫。所得(Cr，Fe) 7C3增強Fe基耐磨塗層在M-2000磨損試驗機上與TlO對磨樣(洛氏硬度HRC=63± I)進行對磨試驗(壓力為150N，滑動3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨塗層磨損量僅為其9. 4%。如圖I所示的第二組，清楚表達了本實施例的塗層與TlO鋼的磨損量對比，TlO鋼的磨損量為O. 02383g，本實施例的塗層磨損量為O. 0058g。實施例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%，Fe為餘量，Fe基合金粉末粒度為75 120 μ m)和Cr3C2粉末(粒度為35 65 μ m)分別裝入單獨的送粉器中，Fe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表面進行等離子熔覆，熔覆工藝為電流100A ;電壓41V ;移動速度75mm/min ；擺動速度500mm/min ;擺動幅度12mm ;噴嘴距工件高度10mm，熔覆完畢後，工件在空氣中自由冷卻至室溫。所得柱狀(Cr，Fe) 7C3增強Fe基耐磨塗層在M-2000磨損試驗機上與TlO對磨樣(洛氏硬度HRC=63± I)進行對磨試驗(壓力為150N，滑動3000米)，與基體材料Q235相比，耐磨塗層磨損量僅為其12. 5%。如圖I所示的第三組，清楚表達了本實施例的塗層與TlO鋼的磨損量對比，TlO鋼的磨損量為O. 02412g，本實施例的塗層磨損量為O. 0045g。以上內容是結合具體的實施例對本發明的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的替換，都應當視為屬於本發明由確定的專利保護範圍。在本發明中，所述Cr3C2粉末的粒度為3(Γ120 μ m的Cr3C2粉末，小於30 μ m的Cr3C2 粉末容易被燒損不利於過渡到熔池，而大於120 μ m的Cr3C2粉末進入熔池後反應不完全。
權利要求
1.一種(Cr，Fe) 7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其特徵在於是採用等離子熔覆法在表面預處理過的金屬基體上製備出(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物為主體的耐磨塗層，具體步驟為 (I)、對基體進行機械加工，並清洗表面的油脂；若基體為失效零部件再製造時，則需對基體表面進行噴砂或手持砂輪打磨處理，並清洗表面的油脂；將預處理好的的基體放入等離子熔覆工件臺，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 採用同軸送粉工藝同時送Cr3C2粉末及Fe基合金粉末經Y形管進入等離子弧中熔覆，在零部件上製備塗層； 或異軸送粉工藝先送Fe基合金粉末進入等離子弧中熔覆，再通過另外管道把Cr3C2粉末直接送入熔池，在零部件上製備塗層； 氬氣等離子熔覆工藝的技術參數為轉弧電流為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 ;保護氬氣流量為4_9L/min ;熔覆槍縱向移動速度為50-80mm/min ;熔覆槍擺動速度為350-750mm/min，擺動幅度為5-15mm ;塗層製備後在空氣中自由冷卻。
2.據權利要求I所述的一種(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其特徵在於所述基體的材料為低碳鋼、中碳鋼、不鏽鋼或鑄鐵中的一種。
3.根據權利要求I所述的一種(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其特徵在於所述步驟(3)中Cr3C2粉末和Fe基合金粉末經Y形管流動攪拌混合，混合粉末中Cr3C2的體積含量應應不大於50%。
4.根據權利要求I所述的一種(Cr，Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法，其特徵在於當Cr3C2粉末燒損嚴重時，應採用異軸送粉工藝。
全文摘要
本發明提供了一種(Cr,Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基耐磨塗層的製備方法。其步驟為首先，將Fe基合金粉末與Cr3C2粉末分別裝入獨立送粉裝置；然後，根據設計送粉量經Y形管混粉後進入等離子弧中對零部件表面進行熔覆製備塗層，塗層的寬度和厚度通過熔覆速度和擺動寬度進行控制；最後，製備好的塗層在空氣中自由冷卻。本發明中製備的(Cr,Fe)7C3柱狀碳化物增強Fe基塗層過程簡單，增強相為原位生成，與基體結合力較大，柱狀碳化物的抗脫落性較高，塗層抗磨損性能好，且設備投資小，自動化程度高，可實現複雜曲面上耐磨塗層製備。
文檔編號C23C24/10GK102899662SQ20121035470
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月23日 優先權日2012年9月23日
發明者袁有錄, 曾大新, 趙紅利, 李懷軍, 劉建永 申請人:湖北汽車工業學院