[发明专利]一种表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层

说明书

采用铸造反应合成技术在灰铸铁表面原位合成TiC/Al3Ti复合涂层材料可以提高铸铁的表面硬度和耐磨性。Al‑Ti‑C体系经过完全反应后可制备出纯净的TiC/Al3Ti表面复合涂层材料，该表面复合材料组织致密，并随着涂层中TiC含量的增加，材料的硬度有明显的提升，表面复合涂层的硬度明显高于铁基体的硬度，磨损性能也要优于铁基体，明显改善了铸铁的表面硬度和摩擦性能。

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层。

背景技术

在钢铁中引入陶瓷颗粒增强体后，可以使其某些性能（特别是耐磨性和高温性能）得到巨大改善。TiC具有密度小、强度高、抗氧化、耐磨耐腐蚀等优异的物理化学性能，最先受到人们关注，目前不论在工艺上，还是理论上研究都比较广泛；其主要原因是TiC具有很高的热稳定性和高硬度的面心结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常接近，这便于更好地与铁基体结合，并且TiC的标准自由生成能△G⁰值较低，其合成反应易于进行，因而被广泛用作铁基复合材料的增强相。

自蔓延反应合成技术，在铸铁表面制备出一层TiC陶瓷颗粒增强Al3Ti金属间化合物基复合涂层材料，使陶瓷颗粒增强相和金属间化合物集中分布在铸铁表面易磨损部位，大幅提升其硬度及耐磨性，复合工艺简单，成本低廉，具有一定的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了改善铁基粉末冶金的耐磨性，设计了一种表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层的制备原料包括：钛粉(质量分数不小于99.0%，325目)、铝粉(质量分数不小于99.0%，325目)和石墨粉(质量分数不小于99.85%，粒度不大于30μm)。

表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层的制备步骤为：称量好的原料粉末在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3：1(磨球为玛瑙球)。将混合均匀后的粉末压制成厚度为3mm、直径为16mm的圆柱状预制块，致密度约为50%，在150℃下真空干燥6h并自然冷却到室温。采用PVA(聚乙烯醇)-水泥砂造铸型，基体材料采用灰铸铁(10kg)，并用4％(质量分数)的PVA水溶液将干燥后的预制块粘固在铸型表面，自然风干后，在300℃下预热铸型2.5h，将要浇注的铁液加热至1400℃时，插铝脱氧，随后将铁液浇入铸型中进行热爆反应，冷却后得到表面复合材料。

表面原位合成TiC-Al3Ti复合涂层的检测步骤为：通过线切割方法将该材料加工成10mm×10mm×10mm的试样。采用Rigaku D/Max-2500/pc型X-ray衍射仪(XRD)分析热爆产物及涂层的相组成；采用JSM-7001F型扫描电镜(附带Inca Energy-350型X射线能谱仪)观察热爆产物及涂层微观组织和界面形貌，并定性分析其成分。采用HVS-1000显微硬度计测试材料的显微硬度(加载质量15g，加载时间10s)。采用MG-2000型高温磨损试验机对试样进行耐磨性测试。试验温度分别为25℃、200℃、400℃，载荷为150N，滑动速度为1m/s，滑动距离为1.2×10³m，对磨盘为D2钢(70mm×8mm)，磨损试样尺寸为夺6mm×12mm。用电子分析天平E180(精度为10mg)称量试样在磨损前后的质量差值，取3个试样的平均值。

本发明的有益效果是：

在熔融铁液作用下，Al-Ti-C体系反应完全，制备出纯净的TiC/Al3Ti表面复合涂层材料。表面复合涂层中，TiC颗粒镶嵌在Al3Ti基体上，涂层致密。当TiC含量较少时，颗粒呈条状；随着TiC含量的提高，颗粒尺寸逐渐减小，由长条状向粒状及细粒状转化。涂层与铁基体界面为良好的冶金结合。随着涂层中TiC含量的增加，材料的硬度有所提高，表面复合涂层的硬度明显高于铁基体的硬度。TiC/Al3Ti表面复合涂层的磨损性能要优于铁基体的磨损性能，且随着温度的升高更为显著。