[发明专利]一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，更加具体地说，涉及一种采用等离子弧熔敷方法使一定配方比例的硼铁(Fe-B)粉末、碳化硼(B₄C)粉末和锆粉(Zr)在普通中、低碳钢表面制备耐磨二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的方法。

背景技术

低、中碳结构钢在工程中应用最为广泛，但是硬度低、耐磨性和耐高温氧化性能差，无法满足摩擦磨损和高温工况的使用要求。提高材料的表面性能对延长机械零件使用寿命和发挥材料潜力起着重要作用。耐磨堆焊技术是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，可以使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属。采用等离子表面熔覆技术与原位反应合成技术在普通碳钢表面制备硼化物陶瓷颗粒(ZrB2)增强Fe基熔覆层，能够大幅提高普通结构钢材料的表面抗磨损性能和耐高温氧化性能，延长机械零部件和工程构件的使用寿命，节约生产耐磨、耐热钢所需的贵重金属材料。

国内外众多学者针对等离子熔覆制备金属基陶瓷熔覆层开展了多年的研究，熔覆时所使用的熔覆材料大多含有Ni、Cr、Co等贵重金属粉末，提高了熔覆层成本不利于工业推广应用。近年来将ZrB₂等陶瓷颗粒作为增强相制备金属陶瓷耐磨堆焊层有了一定的进展。金属陶瓷复合耐磨堆焊材料由软的基体金属和陶瓷颗粒组成,既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。而且可有效改善基体材料的表面性能，延长零部件的使用寿命，并能有效节约资源，减少环境污染。

但是目前ZrB₂陶瓷涂层的制备成本还是比较高，而且生成的表面熔覆层成型不良，工艺参数以及粉末的配比存在一定困难，表面熔覆层与基体难以实现良好的冶金结合，而且熔覆层中ZrB₂相的数量少、分布不均匀对表面熔覆层的硬度及其耐磨耐蚀有较大的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在普通中、低碳钢表面制备耐磨二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的方法。本发明采用等离子弧熔敷方法，通过Fe-B、Zr和B4C粉末之间的高温冶金反应，在普通碳钢表面制备了含ZrB₂的金属陶瓷层，实现了熔覆层与母材间的冶金结合，并且ZrB₂在熔敷层中呈现梯度分布的特点。耐磨性能有较大提高。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种用于中、低碳钢表面的二硼化锆耐磨复合陶瓷涂层的原位合成方法，将2-60重量份硼铁粉末(Fe-B)、20-50重量份碳化硼粉末(B₄C)和30—80重量份锆粉(Zr)配比均匀后，使用水玻璃拌合后预涂覆在碳钢基体表面烘干，再使用等离子弧熔覆堆焊方法对在碳钢表面的预敷粉末进行融敷，熔覆过程中采用氩气作为离子气和保护气体，工艺参数如下：焊接电流为80-250A，转移弧电压为10-50V，离子气流量为80-400L/h，焊枪摆频为0.5-20Hz，焊枪摆幅为10-30mm，扫描速度为10-100mm/min，喷嘴距工件距离为5-50mm。

在上述技术方案中，所述硼铁粉末为20-300目，碳化硼粉末为20-300目，锆粉为20-400目。

在上述技术方案中，所述硼铁粉末为20-250目，5-56重量份；所述碳化硼粉末为30-300目，22-45重量份；所述锆粉为40-400目，40—78重量份。

在上述技术方案中，工艺参数优选如下：焊接电流为90-250A，转移弧电压为10-45V，离子气流量为80-380L/h，焊枪摆频为0.5-18Hz，焊枪摆幅为10-28mm，扫描速度为10-90mm/min，喷嘴距工件距离为5-45mm。

使用本发明的技术方案通过Fe-B、Zr和B4C粉末之间的高温冶金反应，在普通碳钢表面制备了含ZrB₂的金属陶瓷层，实现了熔覆层与母材间的冶金结合，并且ZrB₂在熔敷层中呈现梯度分布的特点。耐磨性能有较大提高。

附图说明

图1为本发明制备的ZrB₂增强Fe基熔覆层XRD图谱。

图2为本发明制备的ZrB₂增强Fe基熔覆层显微组织。

图3为本发明制备的ZrB₂增强Fe基熔覆层横截面形貌。

图4为本发明制备的ZrB₂增强Fe基熔覆层沿深度方向显微硬度分布示意图。