專利名稱：金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法
技術領域：
一種金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法，屬于金屬熱處理領域。
背景技術：
材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，機械工程材料在現(xiàn)代工業(yè)中的失效形式主要是腐蝕、磨損與斷裂。我國與世界發(fā)達國家相比，材料品種與性能都有很大差距，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在冶金、礦山、農機、電力和建設5個部門，每年因磨損需要報廢或更換的零部件就達100多萬噸，相當于20多億人民幣，對金屬零部件表面進行強化防腐處理是節(jié)約材料、提高零部件壽命和可靠性、降低成本，減少環(huán)境污染的有效方法。
許多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化、耐熱性都取決于金屬材料表面的物理、化學性質、傳統(tǒng)的表面改性技術如各種噴涂層、溶層、鍍層等，由于較差的結合力或受平衡溶解度小及固態(tài)擴散性差的限制，應用效果不很理想。熔覆陶瓷涂層較之傳統(tǒng)涂層方法能更有效地改善材料和機械零部件的表面性能。金屬表面熔覆陶瓷技術是采用某一熱源在金屬材料表面熔覆一層硬度、熱穩(wěn)定性高，與基體結合牢固的陶瓷涂層，它將金屬的良好強韌性和陶瓷相的高硬度結合了起來。熔覆陶瓷涂層較之傳統(tǒng)涂層方法能更有效地改善材料的表面性能，然而由于熔覆層和基體金屬的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不相匹配，且基體與界面存在明顯界面，使用中經常發(fā)生涂層斷裂或剝落損壞現(xiàn)象，最基本的方法就是消除界面，如引入功能梯度設計思想，使熔覆涂層沿厚度方向逐漸改變涂層成分與結構要素，使涂層的性能呈連續(xù)的梯度變化，這是國際上熔覆涂層的最新研究動向。梯度涂層工藝有許多，如化學氣相沉積、自蔓延法、燒結法、激光熔覆法等，但由于存在設備昂貴、工藝復雜、成本高、反應粉末受限等缺點，因此均未獲得大面積推廣應用。國內外在激光熔覆陶瓷/金屬梯度涂層中，大多采用疊層熔覆法，通過逐層改變混合粉末中陶瓷顆粒的含量和粒度，經多層熔覆后陶瓷顆粒在涂層中的分布規(guī)律呈臺階狀態(tài)，且層與層之間仍會有界面。如何消除微觀界面，實現(xiàn)真正意義上的梯度分布是一世界難題。
目前，金屬表面熔覆陶瓷的方法主要是激光熔覆和電子束熔覆，而等離子體熔覆工藝還未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體熔覆涂層特別是梯度涂層的方法。它是在等離子體淬火、等離子體熔凝硬化、等離子體合金化的基礎上產生的強硬化效果最強的技術方法。
本發(fā)明是用非氧化性的等離子體在經過預涂涂層的金屬表面掃描實現(xiàn)的，具體步驟如下1.首先配制預涂涂料，這種涂料的組成及配比由使用性能決定，如以提高耐磨性為主，可選Fe基合金粉末或摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末如TiC、WC、Al2O3等，如以提高耐熱性為主，可選Ni基合金粉末或Co基合金粉末或以上兩種合金粉末中的任意一種摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末如SiC、ZrO2等。涂料的配制方法為先稱取上述所需粉末，各粉末的配比可按金屬零件使用性能的要求確定，選擇一種或幾種陶瓷粉末，混合均勻。
2.在金屬表面預涂混合粉末，預涂的方法采用下列幾種方法中的一種(1)預粘結法將以上混合粉末用無機或有機粘結劑混合均勻，呈糊狀，用刮板在金屬表面預涂混合涂料，厚度視具體要求而定。
(2)噴涂法將以上混合粉末用電弧噴涂、等離子噴涂、氧-乙炔噴涂法噴涂到金屬表面上。
(3)同步送粉法將以上混合粉末用管道側旁送入到等離子體，在等離子體同步掃描時，混合粉末熔化過渡到金屬表面，形成熔覆層。
3.用(1)或(2)方法得到的預涂層的金屬表面，用等離子體掃描，工藝參數(shù)為電流70-600A，單道掃描寬度1-25mm，噴嘴離工件的距離2-20mm，掃描速度0.5-400mm/s，使金屬表面得到連續(xù)或單道熔覆層。所用等離子體是由等離子矩產生的壓縮等離子體，引弧方式高頻高壓引弧，放電方式為轉移式放電，所用的放電及保護氣體為非氧化性氣體，如Ar或N2。
此技術與等離子合金化或多元共滲不同，差異在于等離子體熔覆層中熔覆涂層材料完全熔化，而基體表層部分熔化；而等離子體合金化則是在基材表面滲入合金元素，從而形成以基材為基的新的合金化層，基體不熔化。
在本發(fā)明中，當陶瓷粉末為TiC時，金屬表面形成的熔覆層為梯度涂層。其形成機制為在等離子體加熱涂層形成的熔池中，各組分在不斷進行擴散和流動，陶瓷顆粒不斷地熔解、長大和有規(guī)律地上浮運動，在等離子體加熱熔凝過程中自動實現(xiàn)陶瓷顆粒的連續(xù)梯度變化，形成自生梯度涂層。
本發(fā)明產生以下積極效果1.預涂涂層經等離子束熔覆后，在金屬表面形成含有陶瓷顆粒的非平衡組織的熔覆層，其形態(tài)表現(xiàn)為平面晶、樹枝晶、胞-枝晶，其硬化機理為陶瓷相彌散硬化、細晶強化、過飽和固溶強化、非晶強化。熔覆層表面稍有凹凸不平，非配合表面可直接安裝使用，配合表面可經磨削或拋光后安裝使用。
2.通過選擇合適的粉末種類和工藝參數(shù)，經等離子體加熱后自動生成陶瓷顆粒呈連續(xù)梯度分布的熔覆層，從基體表面到熔覆層頂部，陶瓷顆粒大小及含量依次增加。本工藝梯度涂層自動生成，徹底消除了傳統(tǒng)梯度涂層中的層界面和陶瓷顆粒呈臺階分布的狀況，實現(xiàn)了真正意義上的成分和性能梯度分布。
3.與其它熔覆涂層工藝相比，本發(fā)明生產工藝簡單，設備成本低，且無需任何前處理，生產效率高；熔覆層不產生脫落、裂紋等缺陷；與常規(guī)堆焊、氧-乙炔噴焊、電弧噴焊、等離子噴焊、噴涂工藝相比，等離子體熔覆具有基體變形小、粉末利用率高等特點。
四、具體實施方法本發(fā)明的實施例1稱取FeCrSiB粉末70g，粒度為140～320目，TiC粉末30g，粒度為4μm，用醋酸纖維素丙酮溶液混合均勻，將配制好的涂料涂敷于Q235基材上，厚度為3mm，200℃烘干。用弧光等離子體在室溫環(huán)境條件下連續(xù)掃描金屬表面，單道掃描寬度為10mm，工作電流為180A，工作電壓為25伏，用Ar作為保護及電離氣體，保護氣體流量為8m3/h，電離氣體流量為0.8m3/h，噴咀離工件距離為8mm，掃描速度250mm/min。垂直于掃描方向截取樣品作金相試樣，沿平行于金屬表面方向線切割截取0.5mm薄片，經機械減薄、離子減薄制取透射電鏡樣品。檢測結果如下熔覆層厚度為2.3mm，顯微硬度可達0.05HV1100，熔覆層由組小枝晶和TiC陶瓷相組成，熔覆層與基體呈冶金結合。
本發(fā)明的實例2稱取FeCrSiB粉末50g，WC粉末50g，混合均勻，用聚丙烯酸樹脂調成糊狀，均勻涂敷于Q235鋼表面，然后用等離子體掃描設備掃描噴涂層，得到與基體呈冶金結合的熔覆層。單道掃描寬度為8mm，工作電流200A，工作電流35伏，用氬氣作為電離和保護氣體，保護氣體流量為10m3/h，電離氣體流量為1m3/h，噴咀離工件距離10mm，掃描速度300mm/min。沿垂直于掃描方向截取試樣做硬度、金相和電子探針試驗。檢測結果如下熔覆層厚度為2.5mm，熔覆層由細小枝晶、胞枝晶和WC陶瓷顆粒組成，顯微硬度可達0.05HV1300。
本發(fā)明的實例3稱取NiCrSiB粉末50g，TiC粉末50g，用電弧噴涂法噴涂到45鋼表面形成預敷涂層，厚度3mm，用氬等離子流掃描涂有涂料的金屬表面，所用工藝參數(shù)為等離子炬噴咀長徑方向尺寸為5mm，短徑方向長度為3mm，等離子炬離工件距離為7mm，等離子炬與鋼板之間構成轉移弧，工作電流220A，工作電壓28伏，Ar作為電離和保護氣體，保護氣體流量9m3/h，電離氣體流量1.0m3/h，掃描速度為200mm/min。在經過上述處理的Q235鋼板上，沿垂直于掃描方向截取試樣，制成金相樣品，作金相組織觀察、圖像分析儀定量分析、顯微硬度測試。結果如下熔覆層靠近基體部位TiC顆粒最少，約占測試面積的15％，中部TiC顆粒次之，約占測試面積的25％，表層TiC顆粒最多，約占測試面積的30％，說明陶瓷相呈梯度分布。顯微硬度靠近基體部位為0.05HV900，中部0.05HV1300，表層0.05HV1400，反映性能的梯度分布。
權利要求
1.一種金屬表面熔覆涂層的方法，其特征是(1)根據(jù)金屬表面的使用性能要求，配制含有以下物質的混合粉末Fe基或Co基或Ni基等合金粉末或以上合金粉末中的一種摻加大于零小于99重量百分比的陶瓷粉末，陶瓷粉末指氧化物陶瓷如Al2O3、SiO2、Cr2O3、ZrO2、TiO2等、碳化物陶瓷如SiC、TiC、WC、ZrC、B4C、TaC、MoC等、氮化物陶瓷如Si3N4、TiN、BN、AlN、ZrN、NbcN等、硼化物陶瓷如TiB2、ZrB2、Mo2B、WB、ZrB等，選陶瓷粉末中的一種或幾種，混合均勻；(2)在金屬表面預涂混合粉末，預涂的方法采用下述方法中的一種①預粘結法將以上混合粉末用無機或有機粘結劑混合均勻，呈糊狀，用刮板在金屬表面預涂混合涂料，厚度視具體要求而定；②噴涂法將以上混合粉末用電弧噴涂或等離子噴涂或氧-乙炔噴涂法噴涂到金屬表面；③同步送粉法將以上混合粉末用管道側旁送入到等離子體，在等離子體同步掃描時，混合粉末熔化過渡到金屬表面，形成熔覆層；(3)用①或②方法得到的預涂層的金屬表面，用等離子體掃描，工藝參數(shù)為電流70-600A，單道掃描寬度1-25mm，噴嘴離工件的距離2-20mm，掃描速度0.5-400mm/s，使金屬表面得到連續(xù)或單道熔覆層。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，當需要生成梯度涂層時，混合粉末中的陶瓷粉末為TiC。
3.如權利要求1或2所述的方法其特征是所用等離子體是由等離子矩產生的壓縮等離子體，引弧方式為高頻高壓引弧，放電方式為轉移式放電，所用的放電及保護氣體為非氧化性氣體，如Ar或N2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法，該方法是用等離子體掃描金屬表面實現(xiàn)的，具體步驟為(1)在金屬表面預涂Fe基或Co基或Ni基或根據(jù)要求配制的合金粉末與陶瓷粉末的混合粉末。(2)用非氧化性氣體在等離子矩中電離產生的等離子體在金屬表面掃描，產生冶金結合的熔覆層或梯度涂層。其積極效果是(1)預敷涂層經等離子束熔覆后，在金屬表面形成含有陶瓷顆粒的非平衡組織。(2)選擇合適的粉末種類和工藝參數(shù)，經等離子體加熱后自動生成陶瓷顆粒呈連續(xù)梯度分布的熔覆層。(3)與其它熔覆陶瓷工藝相比，本發(fā)明生產工藝簡單，設備成本低；與堆焊、噴焊、噴涂工藝相比，具有基體變形小、粉末利用率高等特點。
文檔編號C23C24/00GK1405355SQ0111519
公開日2003年3月26日 申請日期2001年8月4日 優(yōu)先權日2001年8月4日
發(fā)明者吳玉萍 申請人:山東科技大學機械電子工程學院