[发明专利]前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层及制备

说明书

 

技术领域    

本发明涉及在碳钢表面前驱体碳化等离子熔覆反应合成WC增强金属基合金涂层及制备，属于材料表面强化领域。该技术主要用于制备金属零部件表面耐磨、耐蚀涂层，可应用于矿山机械、工程机械等领域。

背景技术

磨损是材料的三大主要失效形式之一，且随着机械设备向高速方向发展，对材料表面的耐磨性要求也越来越高。在目前应用较为广泛的表面强化耐磨防护技术中，等离子熔覆技术能以较低的成本，获得与基体呈冶金结合的高质量致密涂层。因WC陶瓷具有较高的硬度，耐磨损、耐腐蚀性能都很好，所以在金属零部件表面等离子熔覆制备WC增强金属基合金涂层能大幅延长零部件的使用寿命。

近年来，国内外学者在利用WC增强合金涂层综合性能方面已取得了一定成果，但研究发现，如果向自熔合金粉末中直接添加WC，会因为WC颗粒与基体润湿不良，易存在界面污染、界面反应、脆性相等问题，同时因WC比重大，熔覆过程中易沉积在涂层底部，从而导致熔覆层开裂、脱落。如果向自熔合金粉末中添加陶瓷相形成元素，采用反应合成技术，生成的WC没有暴露于大气中的机会，表面未受到污染，且与基体结合较好。但因W不是强碳化物形成元素，混合粉末中其他元素在熔覆过程中与C的反应会减少WC的生成量，涂层性能增强不显著。这些都限制了WC增强金属基合金涂层的应用与发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层及制备方法，通过结合前驱体碳化、等离子熔覆和反应合成技术，制备出了与钢基体呈冶金结合的WC增强金属基合金涂层，涂层厚度2～5mm，孔隙率低，主要以铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C等相为主，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层，其特征在于，合成该涂层的混合粉末中各元素组成按质量百分比计：W为10～30%，C为0.5～2%，Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，其余为Fe；本涂层厚度2～5mm，单道熔覆层宽度3～12mm；本涂层包括铁基固溶体、WC、(Fe,Cr,W)₇C₃、(Fe,Cr,W)₂₃C₆和Fe₃W₃C-Fe₄W₂C，涂层截面硬度900～1650HV_0.1，表面硬度60～70HRC。

所述的前驱体碳化等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层的制备方法，其制备步骤如下：

(1) 按蔗糖质量百分数为18～30%，其余为W粉的比例配制混合粉末，其中蔗糖的粒径为60～120μm，W粉的粒径为3～6μm；

(2) 将装有上述混合粉末的容器置于碳化炉中，在Ar气氛下加热至200～350℃，保温0.5～1h后继续加热至500～650℃，碳化处理1.5～2.5h，最后随炉冷却；

(3) 将碳化所得的粉块研磨破碎后进行筛分，获得粒径为5～25μm的W-C复合粉末；

(4) 按W-C复合粉末质量百分数为10.5%～32%，其余为Fe基合金的比例混合粉末，其中Cr为9～12%，B为1～1.5%，Si为0.8～1.1%， Mo为0.5～0.8%，Fe为余量；Fe基合金粉末粒径为15～45μm；

    (5) 采用砂轮打磨钢基体表面，以去除油污及杂物；

(6) 在碳钢表面等离子熔覆步骤（4）混合粉末，采用预涂覆法或同步送粉法，以惰性气体或氮气为电离及保护气体，总气流量3L/min，熔覆电流100～150A，熔覆速率100～150mm/min，喷嘴距工件表面5～10mm，获得厚度为2～5mm，单道熔覆层宽度为3～12mm的等离子熔覆反应合成的WC增强金属基合金涂层。