本發明涉及耐磨涂層領域，特別是一種原位自生WC-M₇C₃復合增強鐵基耐磨涂層的制備方法。

背景技術：

WC（碳化鎢）硬度為2100~2400HV與金剛石相近，是硬質合金的主要原料，被廣泛用于制作超硬刀具、鑿巖工具、鉆探工具、金屬模具等。M₇C₃（復合碳化物，M=Fe,Cr）硬度為1200~1800HV，是高鉻鐵基耐磨材料的主要強化相，被廣泛用于礦山、水泥、火力發電等極端磨損工況行業。近年來，隨著我國大型水利工程、高速鐵路、大規模保障性安居工程等重大項目建設，帶動了礦山、建材、水泥、電力、鋼鐵行業的大力發展，高鉻鐵基耐磨材料的消耗成倍增長。但我國鉻資源相對貧乏，主要通過進口。國際鉻價逐年攀升，高鉻材料價格亦持續增長。為節約資源降低成本，如何降低耐磨材料中的鉻含量成為產企業亟需解決的問題。我國鎢資源豐富，是全球用鎢的主要供應國。所以在高鉻耐磨材料中人們早已嘗試外加WC顆粒來提高其抗磨性能，進而降低材料中的鉻含量。然而，由于WC密度為Fe的兩倍多，所以很容易在鐵基熔液中沉淀失去對材料表層的增強；外加WC顆粒容易在鐵基不飽和熔液中溶解，造成外加WC顆粒沉淀和溶解析出脆性大的M₆C組織（如Fe₂W₄C、Fe₃W₃C、Fe₄W₂C）等問題。而原位自生WC是在均勻過飽和鐵基熔液中生核長大，從而避免了沉淀及溶解問題的發生，因此原位自生WC-M₇C₃具有重要的理論意義和工程應用價值。

技術實現要素：

本發明提供一種原位自生WC-M₇C₃復合增強鐵基耐磨涂層的制備方法，利用高硬度WC不僅可提高涂層的耐磨性，而且可降低材料中鉻含量節約鉻資源；同時鐵基熔液中原位自生的WC可均勻生核長大，避免了外加WC顆粒沉淀和溶解析出脆性組織問題。

本發明的技術構思：通過設計合金元素的成分和比例，經加熱獲得成分過飽和的均勻合金熔體；因W為弱碳化物形成元素，原位合成反應W+C=WC的動力學反應時間較長，利用預熱和保溫工藝延長熔體液相時間，保障合成產物WC的生核與長大；由于WC是在均勻熔體中同時生核長大，所以自生的WC為均勻分布，避免發生沉淀現象；且WC顆粒周圍是過飽和熔體，從而抑制了WC溶解；另外，因Cr比W更容易與C發生反應，為避免熔液中C被Cr提前消耗影響WC的合成，不能利用冶金反應xCr+(7-x)Fe+3C=M₇C₃(M=Fe,Cr)來合成M₇C₃，而選擇利用Cr₃C₂來獲得M₇C₃，這是因為Cr₃C₂的自由能較高，加熱時會先發生脫碳反應，并自發轉變為自由能較低的M₇C₃，從而W+C=WC反應時具有穩定的碳源，獲得WC與M₇C₃復合碳化物。

本發明技術方案為：

一種原位自生WC-M₇C₃復合增強鐵基耐磨涂層的制備方法，其特征在于：是采用原位合成法在表面預處理過的金屬基板上制備出WC-M₇C₃復合增強耐磨涂層，具體步驟為：

(1) 對基板按形狀尺寸要求進行機械加工進行預處理，將預處理好的基板放入工件臺，夾緊固定；

(2) 合金粉末選用W粉、Cr₃C₂粉、C粉、Fe-Ni自熔性合金粉的組合物，按比例配制后用混粉器混合，并把混合均勻的粉末裝入載流氣體為氬氣的送粉器中；

(3) 利用氧乙炔焰對基板待制備涂層區域進行預熱處理，得到預處理后的基板；

(4) 步驟2）送粉器將合金粉送入在步驟3）預處理后的基板上，同時利用氬氣等離子對合金混合粉末進行加熱熔化，經原位反應獲得耐磨涂層。

優選地，所述基板材料為低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼或鑄鐵中的一種。

優選地，所述步驟1）基板預處理方法為用丙酮清洗表面的油脂；若基板為失效零部件再制造時，則需對其表面進行噴砂或手持砂輪打磨處理，并用丙酮清洗表面油脂。

優選地，所述步驟2）W粉、Cr₃C₂粉、C粉、Fe-Ni粉的質量百分比為，W粉為35%~50%、Cr₃C₂粉為15%~20%、C粉為2%~4%、余量為Fe-Ni粉。

優選地，：所述W粉粒度為100~150μm、Cr₃C₂粉粒度為150~250μm、C粉粒度為180~250μm、Fe-Ni粉粒度為100~200μm。

進一步優選地，W粉中W純度≥99.8%；Cr₃C₂粉中Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%； C（石墨）粉中C≥98%，Fe-Ni粉中Ni=30%，Re=1%，Fe=69%。

優選地，所述步驟3）基板的預熱溫度為200~250℃。

優選地，所述步驟4) 氬氣等離子熔覆工藝為：轉弧電流為：80~95A；電壓為：40~46V；混合粉末送粉速度為：15~20g/min；離子氣流量為：5~8L/min；送粉氣流量為：3~5L/min；保護氣流量為：6~8L/min；熔覆速度為：55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

進一步優選地，所述高溫陶瓷纖維毯材質為高溫硅酸鋁陶瓷纖維，其厚度為30~50mm，耐熱溫度為1200~1300℃。

本發明的有益效果：

(1) 該方法解決了WC-M₇C₃復合增強時，密度較大的WC顆粒在基體熔液底部發生沉積問題。

(2) 原位自生的WC顆粒周圍為過飽和熔體，避免了外加WC顆粒在鐵基熔體中的溶解問題。

(3) WC顆粒是在合金成分相對較均勻的熔體中結晶，原位自生的WC晶核在熔體中能均勻分布。

(4) 該方法獲得的WC是在金屬基體內原位形核并逐漸長大，因此WC顆粒表面干凈無污染，與母相基體的相溶性好，兩者界面結合力大，磨損不易脫落。

(5) 用來反應生成復合碳化物WC-M₇C₃的合金粉末便宜，制備涂層的氬氣等離子熔覆設備簡單方便，不受使用場地限制。

(6) 該方法對制備涂層的基板形狀適應性強，可用于規則、非規則平面，或大于一定尺寸的內腔零部件表面等。

（7）該方法合成的WC為原位自生超粗晶WC，不僅WC與基體界面結合力大，且超粗晶WC顆粒深植于基體部分的比表面積大不容易拔出，可解決增強相磨損脫落問題。

（8）C粉粒徑選擇了合適的粒徑180~250μm，過大會因無法溶解而不能發生反應，過小則容易被吸附在管壁致送粉不暢，從而影響WC的生核長大。

（9）發明工藝中采用的是邊送粉邊加熱的工藝，不僅提高了WC晶體的合成效率，同時原位合成的WC晶體品質更加穩定。

（10）在氬氣等離子熔覆工藝中選擇了合適熔覆速度，使熔池金屬獲得較長時間的熱平衡，延長了液相區停留時間，使弱碳化物形成元素W與C具有足夠的時間進行原位反應生成WC超粗晶顆粒。

（11）本發明結合預熱和后熱保溫工藝，使涂層熔池在液相下停留一定時間，保障原位冶金化學反應W+C=WC充分進行，使WC生長為超粗晶顆粒。

（12）本發明工藝中選用了合適合金元素比例范圍，從而避免了生成不穩定產物。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：

圖1為本發明原位自生WC-M₇C₃復合增強鐵基耐磨涂層工藝圖。

圖2 為本發明原位自生WC-M₇C₃組織金相實驗圖。

圖3 為本發明涂層在300N壓力下滑動500米后的磨損試驗結果。其中，WM-0為存鐵基合金涂層，WM-1、WM-2、WM-3為三種WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層，四種涂層中原位合成碳化物的總量相近。可見三種不同尺度碳化物復合增強的耐磨性較各碳化物獨立增強時高。

具體實施方式

下面結合實例對本發明的技術方案做進一步說明。

本發明提出一種原位自生WC-M₇C₃復合增強鐵基耐磨涂層的制備方法，圖2為原位自生WC-M₇C₃復合增強組織結構圖，可以看到復合碳化物中WC顆粒不僅分布均勻，而且生長為尖角狀，沒有發生溶解現象。

制備涂層時首先把基板加工成符合使用要求的工具或模具，用丙酮清洗其表面的油脂；若基板為失效零部件再制造時，則需對其表面進行噴砂處理，并用丙酮清洗表面的油脂；再將處理好的基板放入工件臺并固定。

以下通過三個實施例，在基板表面完成原位自生WC-M₇C₃復合增強涂層的制備：

實施例1

將35%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、15%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高11.7倍。

實施例2

將40%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、17%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高14.3倍。

實施例3

將45%的W粉（W≥99.8%，粒度100~150μm）、19%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150~250μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度180~250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為200~250℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流80~95A；電壓40~46V；混合粉末送粉速度15~20g/min；離子氣流量5~8L/min；送粉氣流量3~5L/min；保護氣流量6~8L/min；熔覆速度55~65mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高16.1倍。

實施例4

將42%的W粉（W≥99.8%，粒度100μm）、18%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度150μm）、3.5%的C粉（C≥98%，粒度180μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為200℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流80A；電壓40V；混合粉末送粉速度15g/min；離子氣流量5L/min；送粉氣流量3L/min；保護氣流量6L/min；熔覆速度55mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高19.5倍。

實施例5

將48%的W粉（W≥99.8%，粒度150μm）、17%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度250μm）、3%的C粉（C≥98%，粒度250μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為100~200μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為220℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流85A；電壓43V；混合粉末送粉速度18g/min；離子氣流量7L/min；送粉氣流量4L/min；保護氣流量7L/min；熔覆速度58mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高17倍。

實施例6

將45%的W粉（W≥99.8%，粒度120μm）、19%的Cr₃C₂粉（Cr≥83.5%；C≥12.5%；Si≤1.8%，粒度180μm）、2.5%的C粉（C≥98%，粒度200μm）、余量為Fe-Ni自熔性合金粉（Ni=30%；Re=1%；Fe=69%，粒度為180μm）烘干混合均勻后裝入送粉器；對基板進行預熱處理，預熱溫度為220℃；采用等離子熔覆工藝制備涂層，工藝參數為：轉弧電流85A；電壓43V；混合粉末送粉速度18 g/min；離子氣流量7L/min；送粉氣流量4L/min；保護氣流量7L/min；熔覆速度58mm/min，涂層邊制備邊用高溫陶瓷纖維毯對反應熔池進行保溫。

所得WC-M₇C₃復合增強鐵基涂層在M-2000磨損試驗機上與T10對磨樣（洛氏硬度HRC=63±1）進行對磨試驗（壓力為300N，滑動500米），與沒有增強相的Fe-Ni合金涂層相比，耐磨性提高18倍。

以上內容是結合具體的實施例對本發明的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限于此，對于本發明所屬技術領域的專業技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的替換，如： W、Cr₃C₂、C粉末混合比例的改變及基體金屬材料種類的改變，都應當視為屬于本發明的專利保護范圍。