鎳基合金-碳化鉻硬面複合塗層材料及方法

2023-12-10 23:41:32 1

專利名稱：鎳基合金-碳化鉻硬面複合塗層材料及方法
技術領域：
本發明涉及鋼基表面強化技術，特別適合鋼基另件表面的鎳基合金—碳化鉻硬面塗層技術。
鋼基表面塗層技術日益受到重視，鎳基自熔合金(NiCrBSi系)塗層具有良好的抗磨耐蝕性能被廣泛應用，為進一步提高其耐磨性能，人們採用不同方法向鎳基合金中添加碳化物硬質點，以在塗層中獲得較大比例的硬質點。我國86108069.6號專利採用等離子噴焊非自熔鎳基合金加碳化物粉末塗層，還有的採用等離子噴塗製備塗層，尤其是對硬面塗層，其塗層與母材基體屬機械結合，強度低，易出現裂紋和剝落不能承受較大衝擊負荷，不耐高應力磨損，塗層含有一定的氣隙(＜5％)使抗高溫氧化及耐蝕能力較差，因而在工程應用中受到限制。《鋼鐵研究》(1990、No_3)魏軍等人選用中等硬度的鎳基合金添加含有Ni的碳化鉻粉末，用真空熔燒法製得優良耐磨塗層，但未解決塗層與母材界面結合強度低的問題，至今難以在工業上推廣應用。
魏軍等人，曾選用中等硬度(HRC45)的鎳基合金(0.7％C，3.5％Si，2.5％B，26％Cr，～5％Fe，餘量Ni)添加含鎳的碳化鉻(75％Cr3C2＋25％Ni)混合粉末，用真空熔燒法在鋼的表面製成複合塗層材料，顯著提高了耐磨性。但是項目存在的主要不足之處是，由塗層與母材界面間的顯微結構特徵及沿塗層深度的硬度分布(漸近水平線)表明，塗層(硬度≥HV600)與母材(硬度＜HV160)界面間的結合基本上為層狀粘結型的結合，因此也就未能解決硬面塗層與母材界面結合強度低的技術難題，將難以適應高交變接觸應力作用的工況。
本發明的目的是提供一種高硬度的鎳基合金—碳化鉻硬面塗層材料和製備方法，使硬面塗層具有高強度和優良的抗磨耐蝕性能及強韌性的優點，並與基體結合牢固。
本發明的解決方案是選用高硬度(HRC55)的鎳基合金，其成份(％)為0.7C，3.5Si，3.0B，14Cr，～14Fe，餘量Ni，添加含鉻的碳化鉻(含81.7％Cr23C6＋18.3％Cr)混合粉末，用真空熔燒法在鋼的表面製備硬面複合塗層，具有優良的抗磨耐蝕性，塗層與母材基體結合牢固。
本發明鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料由兩種組分複合而成，①第一組分(即a組分)為高硬度自熔性鎳基合金粉末，其成分範圍(％)是C0.6～1.0，Si3.5～5.0，B3.0～4.5，Cr14～20，Cu0～3.0，Mo0～3.0Fe＜5～15餘量Ni，粉末粒度為-140～+320目。
②第二組分(即b組分)為含鉻的碳化鉻混合粉末，其中碳化鉻(主要是Cr23C6)為80～85％(重量)，鉻15～20％(重量)，總和為100％(重量)，粒度為-320目複合粉末塗層材料(a)、(b)兩種組分配比為第一組分(a)為60～80％(重量)第二組分(b)為20～40％(重量)(a)、(b)兩種組分總和為100％(重量)。(a)組分的優選成分範圍(％)C0.7～0.8，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤14％，Ni餘量，複合粉末塗層材料(a)、(b)兩組分的優選配比為第一組分(a)為75％(重量)，第二組分(b)為25％(重量)，(a)、(b)兩種組分總和為100％(重量)。
(a)組分的優選成分範圍(％)C0.6～1.0，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤5.0，Cu2.0～3.0，Mo2.0～3.0，Ni餘量，複合粉末塗層材料(a)、(b)兩種組分的優化配比為第一組分(a)為75％(重量)，第二組分(b)為25％(重量)，(a)、(b)兩種組分總和為100％(重量)。
採用真空熔燒法，即包括配製塗層粉末、熔燒，其製備方法順序為①配料將鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料的粉末第一組分(a)，二組分(b)或(a)、(b)組分為優選成分按其組分要求粒度，配比進行配料；②制膏劑在複合粉末中加入適量自製含稀土的RSC添加劑，並用松香油調混製成膏劑；③塗敷予處理將鋼件除油、清洗乾淨，把膏劑塗敷在鋼件表面，放入烘箱內烘乾，溫度控制在100℃～120℃，烘1小時；④熔燒把予處理後的塗敷鋼件置入真空爐內，抽真空至10-2Torr以上，加熱到1100℃熔燒2分鐘隨爐冷卻到200℃時出爐空冷，塗層表面呈鐵灰色。
本發明的積極效果
應用本發明的鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料及方法，試驗證明獲得的硬面複合塗層，達到了顯著的積極效果，塗層與母材基體形成牢固的冶金結合，結合強度達到了300～400N/mm2，其複合塗層具有很高的表面質量，表面平滑無氣隙，有足夠的抗高應力作用。塗層的厚度可達1.0～1.5mm以上。硬面複合塗層具有優良的抗磨耐蝕性能和抗高溫氧化性，並大幅度提高了塗層的強韌性。與45號鋼相比，幹摩擦磨損提高五倍，油潤滑條件下的溼摩擦磨損提高了十倍以上。本發明具有節約合金，降低成本，設備簡單，操作方便的優點，應用本發明可製備和修復在低於900℃，更好是低於700℃的溫度下長期工作承受高應力作用下抗磨耐蝕的有關零件，能顯著延長使用壽命。結合附圖進一步說明本發明附

圖1、a、b、c為鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層顯微結構及表面特徵；附圖2、為45號鋼複合塗層顯微硬度沿層深分布圖；附圖3、為硬面複合塗層電子探針成分線掃描成分分布圖。
塗層基體硬度HV760～800，硬質相硬度HV1320～1370。
(1)由X射線相分析，塗層形成過程中發生硬質相類型的轉變(由Cr23C6→35％Cr7BC4＋3％Cr4.5Fe18.5B6＋3％CrB)和相對量比例升高的變化(加入25％碳化鉻混合粉→40％以上的硬質相)，這給塗層性能帶來顯著影響。
(2)由圖1、2、3示塗層與母材界面特徵發生了顯著變化，界面處由於大量合金元素的擴散使母材側形成珠光體擴散層組織引起強度顯著升高，而塗層側形成單相鎳基奧氏體過渡區導致塑性、韌性顯著增加；同時硬度梯度沿塗層深度分布由大變小。這種新界面特徵帶來了界面結合強度達到360～400N/mm2，使複合塗層能夠承受高的接觸應力工況下具有極高的耐磨抗蝕性。界面處顯示的牢固冶金結合這一顯著積極效果，使本發明解決了人們一直渴望解決但始終未能獲得成功的技術難題。
實施例1採用本發明的鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料及製備方法，即採用真空熔燒法在45號鋼表面製取與母材基體牢固冶金結合的鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層。
選用本發明的複合粉末材料第一組分(a)高硬度自熔性鎳基合金粉末和第二組分(b)含鉻的碳化鉻混合粉末，其優選成分範圍(％)、重量(％)見表
①將上述粉末按要求配製混合均勻；②加入適當的自製的稀土添加劑RSC，然後用松香油調製成自熔性合金膏劑；③選用45號鋼的φ5×18mm銷試樣和φ34h10mm盤試樣，除油、清洗乾淨表面，把膏劑均勻的塗敷在試件表面，塗層厚1.2mm，後放入烘箱內烘乾，其溫度控制在100～120℃，烘1小時；④把予處理後塗敷試件置入VC2—65型真空爐內，抽真空至10-2Torr以上，隨後加熱至1100℃熔燒2分鐘，後隨爐冷卻到200℃時出爐空氣冷卻，塗層表面呈鐵灰色。測試選用45號鋼為對比樣，在MPX—200磨損試驗機上進行，用50N、300N載荷，轉速2000r/min，每隔2小時稱重一次，稱重在萬分之一感量天平上進行，潤滑溼磨損用20號機油作循環潤滑，測試磨耗(△G×10-3g)結果見表
測試結果表明，採用本發明的複合塗層材料和工藝方法製備的試樣其耐磨性與淬火45#鋼相比較，幹摩擦磨損提高五倍以上，油潤滑條件下的溼摩擦磨損提高十倍以上。
採用法向拉伸法測量複合塗層與母材界面結合強度為360～400N/mm2，塗層中的硬質相(主要含Cr、Ni元素的碳化物與硼化物)與多元Ni基固熔體有良好的結合，而且塗層與母材基體界面有較多的碳擴散，以及含金Cr、Ni和Fe元素的互擴散，使母材基體間形成牢固的冶金結合。鋼表面使用本發明塗層材料具有很高的硬度(塗層基體HV700～900，硬質相HV1370)，很高的抗磨耐蝕性能和抗高溫氧化性，並大幅度提高了塗層的強韌性，達到了節約合金，降低成本，提高性能，延長壽命之效果，且設備簡單、操作方便。實施例2選用本發明的複合粉末材料的第一組(a)高硬度自熔性鎳基合金粉末和第二組分(b)含鉻的碳化鉻混合粉末，其優選成分(％)，重量(％)見表<
>採用實例1的同樣方法，即真空熔燒法1120℃熔燒2分鐘，製備的硬面複合塗層材料，除具備實施例1的特性外，塗層的塑性增加，產生裂紋的機會減少，適合於製備抗磨耐腐蝕性好而要求塗層較厚(≤2～2.5mm)的零件。
權利要求
1.一種鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料，其特徵在於由兩種組分複合而成，(1)第一組分(即a組分)為高硬度自熔性鎳基合金粉未，其成分範圍(％)是C0.6～1.0 Si3.5～5.0 B3.0～4.5 Cr14～20 Cu0～3.0Mo0～3.0 Fe＜5～15餘量Ni，粉未粒度為-140～+320目，(2)第二組分(即b組分)為含鉻的碳化鉻混合粉末，其中碳化鉻(主要Cr23 C6)為80～85％(重量)，鉻為15～20％(重量)，總和為100％(重量)，粒度為-320目，複合粉末塗層材料(a)、(b)兩種組分配比為第一組分(a)為60～80％(重量)，第二組分(b)為20～40％(重量)，(a)、(b)兩種組分總和為100％(重量)。
2.根據權利要求1所述的鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料，其特徵在於(a)組分的優選成分範圍(％)；C0.7～0.8，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤14％，Ni餘量，複合粉末塗層材料(a)、(b)兩組分的優化配比為第一組分(a)為75％(重量)，第二組分(b)為25％(重量)，(a)，(b)兩種組分總和為100％(重量)。
3.根據權利要求1所述的鎳基合金—碳化鉻硬面複合塗層材料，其特徵在於(a)組分的優選成分範圍(％)；C0.6～1.0，Si3.5～4.5，B3.0～3.6，Cr14～18，Fe≤5.0，Cu2.0～3.0，Mo2.0～3.0，Ni餘量，複合粉末塗層材料(a)，(b)兩種組分配比為第一組分(a)為75％(重量)，第二組分(b)為25％(重量)，(a)、(b)兩種組分總和為100％(重量)。
4.實施權利要求1，2或3所述的鎳基合金—碳化鉻硬面複合層材料的製備方法，採用真空熔燒法，包括配製塗料，熔燒，其特徵是製備方法為(1)配料按權利要求1，2或3選用的合金粉末，按其組分、粒度及配比進行配製。(2)制膏劑在複合粉末中加入適量RSC添加利，並用松香油調混製成膏劑。(3)塗敷予處理將鋼件除油、清洗乾淨，把膏利塗敷在鋼件表面，放入烘箱內烘乾100～120℃，烘1小時。(4)熔燒把予處理後的塗敷鋼件置入真空爐內，抽真空至10-2Torr以上，加熱到1100℃，熔燒2分鐘後隨爐冷卻到200℃時出爐空冷。
全文摘要
本發明涉及一種鎳基合金-碳化鉻硬面複合塗層材料和方法，選高硬度的自熔性合金粉末添加碳化鉻，鉻粉末材料，用真空熔燒法在鋼基表面製備硬面塗層，具有很高抗磨耐蝕性能，比淬火45號鋼幹磨損提高五倍，溼磨損提高十倍，塗層與母材界面成牢固的冶金結合，結合強度達300～400N/mm
文檔編號C23C24/08GK1124786SQ9411424
公開日1996年6月19日 申請日期1994年12月20日 優先權日1994年12月20日
發明者林化春, 丁潤剛 申請人:青島建築工程學院