專利名稱：金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法，屬于金屬熱處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，機(jī)械工程材料在現(xiàn)代工業(yè)中的失效形式主要是腐蝕、磨損與斷裂。我國與世界發(fā)達(dá)國家相比，材料品種與性能都有很大差距，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在冶金、礦山、農(nóng)機(jī)、電力和建設(shè)5個(gè)部門，每年因磨損需要報(bào)廢或更換的零部件就達(dá)100多萬噸，相當(dāng)于20多億人民幣，對(duì)金屬零部件表面進(jìn)行強(qiáng)化防腐處理是節(jié)約材料、提高零部件壽命和可靠性、降低成本，減少環(huán)境污染的有效方法。
許多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化、耐熱性都取決于金屬材料表面的物理、化學(xué)性質(zhì)、傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)如各種噴涂層、溶層、鍍層等，由于較差的結(jié)合力或受平衡溶解度小及固態(tài)擴(kuò)散性差的限制，應(yīng)用效果不很理想。熔覆陶瓷涂層較之傳統(tǒng)涂層方法能更有效地改善材料和機(jī)械零部件的表面性能。金屬表面熔覆陶瓷技術(shù)是采用某一熱源在金屬材料表面熔覆一層硬度、熱穩(wěn)定性高，與基體結(jié)合牢固的陶瓷涂層，它將金屬的良好強(qiáng)韌性和陶瓷相的高硬度結(jié)合了起來。熔覆陶瓷涂層較之傳統(tǒng)涂層方法能更有效地改善材料的表面性能，然而由于熔覆層和基體金屬的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不相匹配，且基體與界面存在明顯界面，使用中經(jīng)常發(fā)生涂層斷裂或剝落損壞現(xiàn)象，最基本的方法就是消除界面，如引入功能梯度設(shè)計(jì)思想，使熔覆涂層沿厚度方向逐漸改變涂層成分與結(jié)構(gòu)要素，使涂層的性能呈連續(xù)的梯度變化，這是國際上熔覆涂層的最新研究動(dòng)向。梯度涂層工藝有許多，如化學(xué)氣相沉積、自蔓延法、燒結(jié)法、激光熔覆法等，但由于存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、成本高、反應(yīng)粉末受限等缺點(diǎn)，因此均未獲得大面積推廣應(yīng)用。國內(nèi)外在激光熔覆陶瓷/金屬梯度涂層中，大多采用疊層熔覆法，通過逐層改變混合粉末中陶瓷顆粒的含量和粒度，經(jīng)多層熔覆后陶瓷顆粒在涂層中的分布規(guī)律呈臺(tái)階狀態(tài)，且層與層之間仍會(huì)有界面。如何消除微觀界面，實(shí)現(xiàn)真正意義上的梯度分布是一世界難題。
目前，金屬表面熔覆陶瓷的方法主要是激光熔覆和電子束熔覆，而等離子體熔覆工藝還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體熔覆涂層特別是梯度涂層的方法。它是在等離子體淬火、等離子體熔凝硬化、等離子體合金化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的強(qiáng)硬化效果最強(qiáng)的技術(shù)方法。
本發(fā)明是用非氧化性的等離子體在經(jīng)過預(yù)涂涂層的金屬表面掃描實(shí)現(xiàn)的，具體步驟如下1.首先配制預(yù)涂涂料，這種涂料的組成及配比由使用性能決定，如以提高耐磨性為主，可選Fe基合金粉末或摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末如TiC、WC、Al2O3等，如以提高耐熱性為主，可選Ni基合金粉末或Co基合金粉末或以上兩種合金粉末中的任意一種摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末如SiC、ZrO2等。涂料的配制方法為先稱取上述所需粉末，各粉末的配比可按金屬零件使用性能的要求確定，選擇一種或幾種陶瓷粉末，混合均勻。
2.在金屬表面預(yù)涂混合粉末，預(yù)涂的方法采用下列幾種方法中的一種(1)預(yù)粘結(jié)法將以上混合粉末用無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻，呈糊狀，用刮板在金屬表面預(yù)涂混合涂料，厚度視具體要求而定。
(2)噴涂法將以上混合粉末用電弧噴涂、等離子噴涂、氧-乙炔噴涂法噴涂到金屬表面上。
(3)同步送粉法將以上混合粉末用管道側(cè)旁送入到等離子體，在等離子體同步掃描時(shí)，混合粉末熔化過渡到金屬表面，形成熔覆層。
3.用(1)或(2)方法得到的預(yù)涂層的金屬表面，用等離子體掃描，工藝參數(shù)為電流70-600A，單道掃描寬度1-25mm，噴嘴離工件的距離2-20mm，掃描速度0.5-400mm/s，使金屬表面得到連續(xù)或單道熔覆層。所用等離子體是由等離子矩產(chǎn)生的壓縮等離子體，引弧方式高頻高壓引弧，放電方式為轉(zhuǎn)移式放電，所用的放電及保護(hù)氣體為非氧化性氣體，如Ar或N2。
此技術(shù)與等離子合金化或多元共滲不同，差異在于等離子體熔覆層中熔覆涂層材料完全熔化，而基體表層部分熔化；而等離子體合金化則是在基材表面滲入合金元素，從而形成以基材為基的新的合金化層，基體不熔化。
在本發(fā)明中，當(dāng)陶瓷粉末為TiC時(shí)，金屬表面形成的熔覆層為梯度涂層。其形成機(jī)制為在等離子體加熱涂層形成的熔池中，各組分在不斷進(jìn)行擴(kuò)散和流動(dòng)，陶瓷顆粒不斷地熔解、長大和有規(guī)律地上浮運(yùn)動(dòng)，在等離子體加熱熔凝過程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)陶瓷顆粒的連續(xù)梯度變化，形成自生梯度涂層。
本發(fā)明產(chǎn)生以下積極效果1.預(yù)涂涂層經(jīng)等離子束熔覆后，在金屬表面形成含有陶瓷顆粒的非平衡組織的熔覆層，其形態(tài)表現(xiàn)為平面晶、樹枝晶、胞-枝晶，其硬化機(jī)理為陶瓷相彌散硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、過飽和固溶強(qiáng)化、非晶強(qiáng)化。熔覆層表面稍有凹凸不平，非配合表面可直接安裝使用，配合表面可經(jīng)磨削或拋光后安裝使用。
2.通過選擇合適的粉末種類和工藝參數(shù)，經(jīng)等離子體加熱后自動(dòng)生成陶瓷顆粒呈連續(xù)梯度分布的熔覆層，從基體表面到熔覆層頂部，陶瓷顆粒大小及含量依次增加。本工藝梯度涂層自動(dòng)生成，徹底消除了傳統(tǒng)梯度涂層中的層界面和陶瓷顆粒呈臺(tái)階分布的狀況，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的成分和性能梯度分布。
3.與其它熔覆涂層工藝相比，本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備成本低，且無需任何前處理，生產(chǎn)效率高；熔覆層不產(chǎn)生脫落、裂紋等缺陷；與常規(guī)堆焊、氧-乙炔噴焊、電弧噴焊、等離子噴焊、噴涂工藝相比，等離子體熔覆具有基體變形小、粉末利用率高等特點(diǎn)。
四、具體實(shí)施方法本發(fā)明的實(shí)施例1稱取FeCrSiB粉末70g，粒度為140～320目，TiC粉末30g，粒度為4μm，用醋酸纖維素丙酮溶液混合均勻，將配制好的涂料涂敷于Q235基材上，厚度為3mm，200℃烘干。用弧光等離子體在室溫環(huán)境條件下連續(xù)掃描金屬表面，單道掃描寬度為10mm，工作電流為180A，工作電壓為25伏，用Ar作為保護(hù)及電離氣體，保護(hù)氣體流量為8m3/h，電離氣體流量為0.8m3/h，噴咀離工件距離為8mm，掃描速度250mm/min。垂直于掃描方向截取樣品作金相試樣，沿平行于金屬表面方向線切割截取0.5mm薄片，經(jīng)機(jī)械減薄、離子減薄制取透射電鏡樣品。檢測結(jié)果如下熔覆層厚度為2.3mm，顯微硬度可達(dá)0.05HV1100，熔覆層由組小枝晶和TiC陶瓷相組成，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合。
本發(fā)明的實(shí)例2稱取FeCrSiB粉末50g，WC粉末50g，混合均勻，用聚丙烯酸樹脂調(diào)成糊狀，均勻涂敷于Q235鋼表面，然后用等離子體掃描設(shè)備掃描噴涂層，得到與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層。單道掃描寬度為8mm，工作電流200A，工作電流35伏，用氬氣作為電離和保護(hù)氣體，保護(hù)氣體流量為10m3/h，電離氣體流量為1m3/h，噴咀離工件距離10mm，掃描速度300mm/min。沿垂直于掃描方向截取試樣做硬度、金相和電子探針試驗(yàn)。檢測結(jié)果如下熔覆層厚度為2.5mm，熔覆層由細(xì)小枝晶、胞枝晶和WC陶瓷顆粒組成，顯微硬度可達(dá)0.05HV1300。
本發(fā)明的實(shí)例3稱取NiCrSiB粉末50g，TiC粉末50g，用電弧噴涂法噴涂到45鋼表面形成預(yù)敷涂層，厚度3mm，用氬等離子流掃描涂有涂料的金屬表面，所用工藝參數(shù)為等離子炬噴咀長徑方向尺寸為5mm，短徑方向長度為3mm，等離子炬離工件距離為7mm，等離子炬與鋼板之間構(gòu)成轉(zhuǎn)移弧，工作電流220A，工作電壓28伏，Ar作為電離和保護(hù)氣體，保護(hù)氣體流量9m3/h，電離氣體流量1.0m3/h，掃描速度為200mm/min。在經(jīng)過上述處理的Q235鋼板上，沿垂直于掃描方向截取試樣，制成金相樣品，作金相組織觀察、圖像分析儀定量分析、顯微硬度測試。結(jié)果如下熔覆層靠近基體部位TiC顆粒最少，約占測試面積的15％，中部TiC顆粒次之，約占測試面積的25％，表層TiC顆粒最多，約占測試面積的30％，說明陶瓷相呈梯度分布。顯微硬度靠近基體部位為0.05HV900，中部0.05HV1300，表層0.05HV1400，反映性能的梯度分布。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面熔覆涂層的方法，其特征是(1)根據(jù)金屬表面的使用性能要求，配制含有以下物質(zhì)的混合粉末Fe基或Co基或Ni基等合金粉末或以上合金粉末中的一種摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末，陶瓷粉末指氧化物陶瓷如Al2O3、SiO2、Cr2O3、ZrO2、TiO2等、碳化物陶瓷如SiC、TiC、WC、ZrC、B4C、TaC、MoC等、氮化物陶瓷如Si3N4、TiN、BN、AlN、ZrN、NbcN等、硼化物陶瓷如TiB2、ZrB2、Mo2B、WB、ZrB等，選陶瓷粉末中的一種或幾種，混合均勻；(2)在金屬表面預(yù)涂混合粉末，預(yù)涂的方法采用下述方法中的一種①預(yù)粘結(jié)法將以上混合粉末用無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻，呈糊狀，用刮板在金屬表面預(yù)涂混合涂料，厚度視具體要求而定；②噴涂法將以上混合粉末用電弧噴涂或等離子噴涂或氧-乙炔噴涂法噴涂到金屬表面；③同步送粉法將以上混合粉末用管道側(cè)旁送入到等離子體，在等離子體同步掃描時(shí)，混合粉末熔化過渡到金屬表面，形成熔覆層；(3)用①或②方法得到的預(yù)涂層的金屬表面，用等離子體掃描，工藝參數(shù)為電流70-600A，單道掃描寬度1-25mm，噴嘴離工件的距離2-20mm，掃描速度0.5-400mm/s，使金屬表面得到連續(xù)或單道熔覆層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，當(dāng)需要生成梯度涂層時(shí)，混合粉末中的陶瓷粉末為TiC。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法其特征是所用等離子體是由等離子矩產(chǎn)生的壓縮等離子體，引弧方式為高頻高壓引弧，放電方式為轉(zhuǎn)移式放電，所用的放電及保護(hù)氣體為非氧化性氣體，如Ar或N2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法，該方法是用等離子體掃描金屬表面實(shí)現(xiàn)的，具體步驟為(1)在金屬表面預(yù)涂Fe基或Co基或Ni基或根據(jù)要求配制的合金粉末與陶瓷粉末的混合粉末。(2)用非氧化性氣體在等離子矩中電離產(chǎn)生的等離子體在金屬表面掃描，產(chǎn)生冶金結(jié)合的熔覆層或梯度涂層。其積極效果是(1)預(yù)敷涂層經(jīng)等離子束熔覆后，在金屬表面形成含有陶瓷顆粒的非平衡組織。(2)選擇合適的粉末種類和工藝參數(shù)，經(jīng)等離子體加熱后自動(dòng)生成陶瓷顆粒呈連續(xù)梯度分布的熔覆層。(3)與其它熔覆陶瓷工藝相比，本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備成本低；與堆焊、噴焊、噴涂工藝相比，具有基體變形小、粉末利用率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C24/00GK1405355SQ0111519
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2001年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月4日
發(fā)明者吳玉萍 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院