[发明专利]采用手工电弧焊原位合成含TiB2硬质相的铁基复合涂层的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，更加具体地说，涉及一种材料表面制备高硬度复合涂层的方法。 

背景技术

随着科学技术的发展，各个行业对材料的使用性能要求也越来越高。表面的强化处理技术因其不仅能够提高材料整体的综合性能，还能提高材料的使用性能，使得这种技术成为当今研究的热点。在表面工程领域，含有硬质相的涂层通过各种工艺覆盖在基体材料表面，被应用来提高部件整体的耐磨、耐蚀和耐高温性能。常用的硬质相主要有氧化物（例如Al₂O₃、ZrO₂）、氮化物（例如TiN、Si₃N₄）和碳化物（例如TiC、Cr₃C₂、VC、B₄C）。然而，TiB₂因其具有高硬度、高熔点以及优良的摩擦性能成为硬质相的研究热点。TiB₂的制备方法有：烧结法、自蔓延快速加压技术、自蔓延冲击压实技术、机械合金化技术和原位反应法。其中原位合成的方法形成高熔点的TiB₂的堆焊层与基体可以达到冶金结合，结合强度比其他方法获得的涂层高的多。另外，原位合成的大厚度涂层也是其他方法无法比拟的。传统原位合成方法制备含TiB₂硬质相复合涂层通常采用高能热源，例如激光、等离子弧等。然而，上面提到的方法只能合成较薄或极薄的涂层，不适合应用为长期耐磨涂层。另外，高的仪器费用也限制了激光或等离子弧原位合成方法的应用。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足,以较低的成本制备大厚度、高硬度的金属 基复合涂层。 

本发明的目的通过下述技术方案予以实现： 

采用手工电弧焊工艺，在低碳钢基体上堆焊出含高硬度的含TiB₂硬质相的复合涂层，按照下述步骤进行： 

第一步，在焊芯材料上形成由Fe-Ti粉和B₄C粉末组成的涂层 

其中所述焊芯材料选择Ф3.2mm的H08A焊芯材料，所述Fe-Ti粉为大连金州公司生产，其化学成分（wt％）为3.80%C、10.65%O、2.50%Al、3.10%Si、1.84%Ca、7.90%Mn、29.78%Ti和40.43%Fe；所述B₄C粉末为牡丹江磨料二厂生产，化学成分（wt％）为96%B、3.81%C和0.19%O；所述两种粉末充分混合，其中Fe-Ti粉的质量分数为70-80%、B₄C粉末的质量分数为20-30%，待充分混合后采用粘结剂增加其黏度，以保证混合体系能够涂敷在焊芯材料上，加入量为两种粉末总质量的5％－20％，优选5％－10％，所述粘结剂采用常州市五环粘合剂厂生产的钠水玻璃，浓度为45~50波美度，混合药粉采用水玻璃搓制在焊芯上，具体要求与普通焊条生产技术要求相同。为确保焊条的干燥性，焊条使用前需放入烘干箱中烘干1.5－3h，烘干温度为300－350℃，优选在350℃下烘干1.5h。 

第二步，在工件表面进行手工电弧焊原位合成含TiB₂硬质相的铁基复合涂层 

其中所述工件为尺寸为200×50×10mm的Q235，先采用240#、400#砂纸依次打磨表面光滑平整，再采用丙酮溶液进行除油处理；焊接工艺参数为：焊接电流170~200A，焊接电压为24~32V，焊接速度为4~5mm/s和电源接法为直流反接。 

本发明中采用手工电弧焊工艺，在低碳钢基体上制备了外观光滑的堆焊涂层（如图1所示）。涂层中TiB₂硬质相均匀的分布在复合涂层中（如图2所示，涂层中细小白色棒状TiB₂硬质相均匀的分布在复合涂层中）。如图4所示，由堆焊涂层上表面的XRD衍射分析图，堆焊涂层由TiB₂、Fe₂B、α-Fe以及少量马氏体相组成。本发明可以获得4-5mm左右的高硬度复合涂层，并且涂层的硬度沿熔深的方向呈梯度分布（如图3所示，测量堆焊涂层从熔合线到涂层表面沿熔深方向的硬度分布，采用美国沃伯特432SVDLEVEL3显微维氏硬度计测量涂层硬度分布，载荷大小为98N，单位为强度HV_98N），本发明中涂层的制造成本低且易于制备。 

附图说明

图1利用本发明的技术方案在低碳钢表面制备堆焊涂层的照片