[发明专利]钨极氩弧原位合成碳化钨颗粒增强铁基熔敷层及其加工方法

说明书

本发明公开了钨极氩弧原位合成碳化钨颗粒增强铁基熔敷层，其包括成分：W、C，所述C质量百分比为4～10％，所述W和C的质量比范围为1∶14～5∶28，还包括如下成分：Ni、Cr、B、Si、Cu、CeO₂。本发明还公开了钨极氩弧原位合成碳化钨颗粒增强铁基熔敷层的加工方法，包括基体处理、粉末配制，混合球磨，采用水玻璃作为粘接剂将粉末调制成膏体状，并均匀涂覆在光亮的基体表面，将粉末烘干预热后，进行加热熔敷，采用钨极氩弧作为加热热源，选择合适的设备参数熔化预置粉末从而制备成型良好的熔敷层。本发明通过氩弧原位合成技术成功制备了碳化钨颗粒增强相来增强铁基复合材料，熔敷层与基体之间为原子结合，结合强度较高。

技术领域

本发明涉及氩弧制备增强铁基熔敷层的技术领域，尤其是一种通过钨极氩弧原位合成碳化钨颗粒增强铁基熔敷层及其加工方法。

背景技术

材料磨损通常指因为机械作用造成的材料表面损耗，机器在转动的情况下，任何相互接触的相对运动的零件之间如活塞环和汽缸套、轴和轴承等都会发生摩擦。对材料来说，约80％的零件失效是磨损引起的，可见磨损是零件失效一种最常见的方式，也决定了机械的使用寿命。针对这个缺陷，技术人员可以通过对材料表面处理，增强材料的耐磨性能，提高材料表面硬度使其能够有效延长零件的使用寿命，同时避免对材料整体使用耐磨材质的浪费，节约了成本。

碳化钨(WC)晶体为六方型结构，具备一般晶体材料无法比拟的特性：硬度高、熔点高、弹性模量高、抗压强度高。另外，作为高温条件下最硬的二元碳化物，WC的抗氧化、耐腐蚀能力都特别出色。复合材料中基体包裹着碳化钨颗粒并对碳化钨颗粒起到支撑和保护作用，这样的结构特点使得WC颗粒增强金属基体耐磨性能优越。故碳化钨(WC)颗粒，作为增强相，在增强硬质合金材料方面具有巨大的发展前景和空间。

现有技术中的制备金属基碳化钨(WC)颗粒耐磨涂层的方法通常是外加法，即将原料颗粒直接加入熔池中，或者将合金粉末预先充分混合后进行激光/氩弧熔敷。这类方法不仅成本较高、工艺较复杂，而且由于外加相与基体相的物性参数差异较大，使得两者之间的相容性较差，结合不良。此外，碳化钨(WC)颗粒在焊接热源的作用下还会发生溶解，不仅降低了涂层中碳化钨(WC)颗粒的体积分数，而且碳化钨(WC)颗粒溶解形成的钨(W)、碳(C)原子会使涂层形成莱氏体、Fe₃W₃C等脆性相。这些问题严重制约着碳化钨(WC)颗粒增强金属基耐磨涂层的发展。

原位自生技术是指在材料的复合过程中通过一定的物理化学反应生成预期的增强相，原位合成技术是依照材料设计的目标选择适当气相、液相或者粉末固相作为反应剂，利用元素和元素之间，元素和化合物之间的置换反应、氧化还原反应、相变、成核和结晶、化合和分解等反应在基体内部生成新的颗粒形成增强相，也就是说增强相不是外加的，而是在材料复合过程中形成的。相比于外加增强体制备技术，原位自生获得的增强体热力学性能稳定、与基体之间为冶金结合、工艺简单、成本低。原位反应得到的增强相颗粒的尺寸大小一般位于0.2-30μm之间，这种颗粒物一般具备很高的强度和硬度因而可以强化基体，改善基体性能。采用原位合成技术制备颗粒增强型复合材料涂层，液态金属润湿增强相，基体和涂层界面结合牢固。尽管原位合成颗粒增强型金属基复合材料涂层有着高硬度，高耐磨等优点，然而在实际工业生产应用中碳化钨(WC)难于通过原位合成技术生成，还需解决如下一些关键问题：

(1)控制材料显微组织，在涂层制造过程中保证颗粒的均匀分布。

(2)控制增强相(包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等)的生成、生长以及热稳定性，通过调节材料制备工艺参数可以控制颗粒增强相的尺寸、种类以及体积分数。

(3)含有增强相颗粒的流体流变因素、凝固因素(结晶潜热、冷却速度、表面张力、合金凝固区间)是制备颗粒增强涂层的重要问题。

(4)实现大规模工业生产问题以及实现一次工艺成型或者接近一次工艺成型的问题。