[发明专利]一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层的制备方法

说明书

技术领域

     本发明涉及一种金属陶瓷复合材料的制备方法，具体的说是一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层的制备方法。

背景技术

 金属材料具有良好的韧性，但硬度、耐磨性、耐高温性能不如陶瓷材料，而陶瓷材料的脆性较大限制了它的应用。

发明内容

    本发明的目的在于针对上述不足之处提供一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层的制备方法，通过在廉价的低合金结构钢表面生成具有高硬度和耐磨损的陶瓷颗粒，形成陶瓷颗粒增强钢基复合层，既可保持钢基体较好的韧性和塑性，又可使表面具有陶瓷的高硬度、耐高温、耐冲刷和优异的抗酸碱腐蚀性能，提高钢在承受高温、介质腐蚀及固态颗粒冲刷等恶劣环境的运行能力。该方法制备的复合陶瓷颗粒增强层具有陶瓷颗粒细小、分布均匀，增强层硬度高、耐磨损、耐高温且与低合金结构钢基体结合性好的优点。

   一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层的制备方法是采取以下技术方案实现的：一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层的制备方法包括如下步骤：

1）对低合金结构钢板表面进行打磨至露出银白色金属光泽，除去钢表面的氧化膜，并用丙酮擦拭清洗钢板表面；

2）将金属锆粉、硼铁粉和SiC陶瓷粉，按质量比1:0.88～1.48:0.22～0.88的比例在拌合机中进行充分混合均匀，制成金属陶瓷混合粉末；

3）将粘结剂、去离水以及步骤2）中得到的金属陶瓷混合粉末，按质量比为0.05:0.35:1的比例，在研钵中进行充分搅拌，制成金属陶瓷混合粉末糊；

4）将步骤3）中制得的金属陶瓷混合粉末糊，用刷子均匀的涂在步骤1）中打磨、擦拭干净的钢板的表面上，涂敷厚度为1.0～1.2 mm，并在室温放置4～6小时，进行干燥，然后放入150℃烘干箱烘干10～12小时，得到预置金属陶瓷混合粉末的钢板；

5）将步骤4）制得的预置金属陶瓷混合粉末的钢板，利用钨极氩弧熔敷的方法进行熔覆，熔覆电流为130A～145A，熔覆速度为8m/h，电弧电压为18～20V；在电弧热的作用下，预置金属陶瓷混合粉末的钢板表面的金属陶瓷粉末发生冶金反应，在预置金属陶瓷混合粉末的钢板表面生成以ZrB₂-SiC为主的复合陶瓷颗粒增强层。

步骤2）中所述的金属锆粉粒度为74μm，所述的SiC陶瓷粉的粒度为61μm。

    所述的低合金结构钢采用16Mn钢；所述的粘结剂采用水玻璃；所述的硼铁粉采用FeB20C0.5。

所述的预置金属陶瓷混合粉末的钢板表面发生反应的主要反应式为：Zr+2B+SiC=ZrB₂+SiC；

Zr+C=ZrC；

2Fe+B=Fe₂B。

步骤5）中所述的复合陶瓷颗粒包含ZrB₂、SiC及少量ZrC陶瓷颗粒，经XRD物相分析证明，在低合金结构钢板表面生成的增强相主要为ZrB₂、SiC及少量ZrC、Fe₂B，即得到ZrB₂-SiC为主的复合陶瓷颗粒增强层。

金属锆的硼化物（ZrB₂）具有高熔点、高硬度、耐磨损和良好高温稳定性等多种优良性能，近年来已成为制作火箭喷嘴、燃烧室内衬等耐高温、耐磨损构件的热门选择，而SiC的添加不仅可以有效地提高ZrB₂陶瓷的机械性能，而且能在高温氧化时形成玻璃状SiO₂从而进一步提高其高温抗氧化性。因此将性能优异的ZrB₂-SiC复合陶瓷用于低合金结构钢表面，在低合金结构钢表面形成以ZrB₂-SiC为主的复合陶瓷颗粒增强层，将低合金结构钢优良的强韧性和工艺性与ZrB₂-SiC复合陶瓷优异的耐高温和耐磨损性能有机结合起来，用于在高温、高压、腐蚀环境工作的厚壁压力容器及在井下潮湿、多变的环境中工作的采煤机械等耐磨损构件的制造与关键零部件的表面修复等领域，具有广阔的应用前景。

本发明一种低合金结构钢表面复合陶瓷颗粒增强层制备方法，利用金属Zr粉、SiC粉与硼铁粉的冶金反应，在钢板表面生成以ZrB₂-SiC为主的复合陶瓷颗粒增强相，生成的复合陶瓷颗粒细小、均匀，在界面处与基体形成了良好的冶金结合，而且增强层硬度高、耐磨损、耐高温性能好。

具体实施方式

    以下将结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一：