氩弧熔敷陶瓷棒原位合成ZrC复合涂层的方法

摘要

本发明公开了属于金属表面热处理技术领域的一种氩弧熔敷陶瓷棒原位合成ZrC复合涂层的方法，首先制备陶瓷棒，把粉末混合均匀制备陶瓷棒，然后用非熔化极氩弧热源对陶瓷棒与金属基体进行氩弧熔敷工艺处理，在非熔化极氩弧热源的作用下，陶瓷棒与金属基体表面迅速熔化，产生熔池，调节氩弧工艺参数，使陶瓷棒在金属基体中原位反应合成ZrC复合涂层，涂层与基体冶金结合，颗粒细小且分布均匀。工艺简单，设备成本低，生产效率高；与常规激光熔敷、等离子熔敷粉末涂层相比，氩弧熔敷陶瓷棒具有操作简便、稀释率低、粉末利用率高等特点。

说明书

技术领域

本发明属于金属表面热处理技术领域。特别涉及的是氩弧熔敷陶瓷棒原位合成ZrC复合涂层的方法，

背景技术

随着现代工业的不断发展，许多工件都是在高温、高速、腐蚀或磨损环境中运行的，这对材料的性能提出了更高的要求。因此采用先进的表面强化技术，在普通钢材表面优化设计制备出所需的耐磨涂层是一种简便有效的方法。它不仅可以显著提高产品的可靠性和使用寿命，减少产品的维修和更换，而且可以节约材料和能源。通常采用激光熔覆、等离子熔覆、堆焊等方法在普通钢表面熔覆制备耐磨复合涂层，但这些方法由于操作复杂，效率低，成本高，在推广应用方面受到限制。陶瓷颗粒的加入方式主要有外加法和原位反应生成法两种，前者是在熔敷粉末中直接加入陶瓷颗粒，外加的增强体与基体材料相互浸润的效果普遍不好，制备工艺复杂，制备成本高；后者是通过在熔敷粉末中加入能生成陶瓷颗粒的元素，使这些元素能在熔敷的过程中反应生成细小稳定的陶瓷增强相。由于新生成的增强相晶体完整性好，表面无污染，与基体结合良好，有利于获得性能良好的熔敷层，因此，这种方法日益受到重视。采用氩弧熔敷陶瓷棒的原位合成ZrC复合涂层的方法，操作简单、设备成本低、生产效率高、稀释率小，并能节省原材料，因此氩弧熔敷陶瓷棒原位合成的耐磨涂层具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种氩弧熔敷陶瓷棒原位合成ZrC复合涂层的方法，其特征在于，该方法工艺步骤为：

1)制备陶瓷棒，具体为：将200目的Zr粉与200目的石墨粉C混合，Zr与C的质量比在7-8∶1；然后按照质量比10~30％的比例与镍基合金混合；将混合好的粉末用有机粘结剂混合均匀，涂敷在自制的棒状模具中，压制成棒状，，常温空气中自然干燥，然后用干燥箱200℃进行烘干；

2)所述的氩弧熔敷工艺，参数为：焊接电流：130A，焊接速度：8mm/s，氩气流量：12L/min。

熔敷的具体工艺是利用氩弧焊机的钨极引弧后用电弧热把制备的陶瓷棒熔敷于低碳钢表面，陶瓷棒与基体成45°，熔敷的具体工艺参数如上所示，在熔敷过程中，基体与陶瓷棒始终处于氩气的保护之中。

所述的金属基体为低碳钢

所述镍基合金为Ni60A

所述有机粘结剂为水玻璃

陶瓷棒直径为2~4mm，长度为20cm

本发明的优点是克服了原有制备原位合成复合涂层稀释率高、操作复杂、生产率低等不足，所制备的涂层与基体冶金结合，界面干净无缺陷，涂层具有优异的耐磨性能。具有1、预制陶瓷棒经氩弧熔敷后，陶瓷棒中的锆粉与石墨粉吸收电弧能量，在金属基体中原位反应生成ZrC颗粒。制备的涂层与基体冶金结合，ZrC颗粒细小，均匀分布在基体中。涂层的硬度高达HV_0.21000以上，其硬化机理为弥散强化、固熔强化、细晶强化；2、设备成本较低，合金粉末的损耗降低，使得成本大大降低，仪器操作简单，生产效率高；3、所制得的涂层具有较高的耐磨性。

附图说明

图1为氩弧熔敷镍基复合涂层X射线衍射图谱

图2为氩弧熔敷镍基复合涂层扫描电子(SEM)照片

图3为氩弧熔敷镍基复合涂层硬度分布曲线

图4为氩弧熔敷镍基复合涂层与低碳钢耐磨性对比

具体实施方式

首先制备陶瓷棒，把粉末混合均匀制备陶瓷棒，然后用非熔化极氩弧热源对陶瓷棒与金属基体进行氩弧熔敷工艺处理，在非熔化极氩弧热源的作用下，陶瓷棒与金属基体表面迅速熔化，产生熔池，调节氩弧工艺参数，使陶瓷棒在金属基体中原位反应合成ZrC复合涂层，涂层与基体冶金结合，颗粒细小且分布均匀。

实施例1

称量质量百分比为10％(Zr粉+C粉)与90％Ni60A，总质量为10克。Zr粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；C粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；Ni60A的平均粒度为200目，基体采用低碳钢。将Zr粉与C粉按照质量比为8∶1混合，并与Ni60A放入表面皿中进行混合，然后加入有机粘结剂(水玻璃)混合成糊状后，涂敷于棒状模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔敷前将陶瓷棒放入干燥箱中200℃进行烘干。将制成的直径为4mm、长度为20cm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔敷于低碳钢表面，焊接电流为130A，焊接速度为8mm/s，氩气流量为12L/min。检测结果表明：熔敷层厚度为750μm，涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M₂₃C₆和ZrC颗粒组成，ZrC颗粒分布均匀，主要呈块状、花瓣状形态；涂层与基体冶金结合，涂层硬度可达HV_0.2900。

实施例2

称量质量百分比为20％(Zr粉+C粉)与80％Ni60A，总质量为10克。Zr粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；C粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；Ni60A的平均粒度为200目，基体采用低碳钢。将Zr粉与C粉按照质量比为8：1与Ni60A放入表面皿中进行混合，然后加入有机粘结剂(水玻璃)混合成糊状后，涂敷于棒状模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔敷前将陶瓷棒放入干燥箱中200℃进行烘干。将制成的直径为4mm、长度为20cm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔敷于低碳钢表面，焊接电流为130A，焊接速度为8mm/s，氩气流量为12L/min。检测结果表明：熔敷层厚度为800μm，涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M₂₃C₆和ZrC颗粒组成，ZrC颗粒分布均匀，主要呈块状、花瓣状形态；涂层与基体冶金结合，涂层硬度可达HV_0.21000。

实施例3

称量质量百分比为30％(Zr粉+C粉)与70％Ni60A，总质量为10克。Zr粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；C粉的平均粒度为200目，纯度大于99％；Ni60A的平均粒度为200目，基体采用低碳钢。将Zr粉与C粉按照质量比在8：1与Ni60A放入表面皿中进行混合，然后加入有机粘结剂(水玻璃)混合成糊状后，涂敷于棒状模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔敷前将陶瓷棒放入干燥箱中200℃进行烘干。将制成的直径为4mm、长度为20cm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔敷于低碳表面，焊接电流为130A，焊接速度为8mm/s，氩气流量为12L/min。检测结果表明：熔敷层厚度为850μm，涂层的组织主要由γ-Ni枝晶，M₂₃C₆和ZrC颗粒组成，ZrC颗粒分布均匀，主要呈块状、花瓣状形态；涂层与基体冶金结合，涂层硬度可达HV_0.21100。