本發(fā)明涉及耐磨涂層領(lǐng)域，特別是一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
鐵基碳化物m7c3(m=cr,fe)增強(qiáng)材料是一種性能優(yōu)良的耐磨材料，被廣泛用于礦山、水泥、火力發(fā)電等行業(yè)，具有“工業(yè)牙齒”的美稱。近年來，隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施以及大型水利工程、橋梁工程及高速鐵路等重大項(xiàng)目的建設(shè)，對耐磨損性能更高、節(jié)能效果更優(yōu)、磨耗更低的耐磨材料需求隨之增加。但當(dāng)增加m7c3含量來提高材料的抗磨性時，發(fā)現(xiàn)其耐磨性不升反降，二者呈反比關(guān)系。其原因是鐵基碳化物m7c3為柱狀生長特征，當(dāng)兩個m7c3柱體生長相交時會在相交處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋隨著m7c3含量的增加而增多，達(dá)到一定值時將引起宏觀裂紋的產(chǎn)生，使材料提前失效破壞，出現(xiàn)耐磨性不升反降的問題。而m7c3定向生長不僅可避免柱體間相交裂紋的產(chǎn)生，同時因m7c3柱體的橫截面硬度均高于縱截面，所以定向生長的m7c3橫截面均處于工作面，使耐磨性得到提高。
專利公告號為cn106086592a的發(fā)明專利公開了“一種碳化物定向生長耐磨鋼鐵的制備方法”，其以石墨粉、高純鐵粉及合金粉末為原料，經(jīng)球磨混料后用壓片機(jī)壓成多根柱形試樣，再疊放到一端開口一端閉口的石英管內(nèi)，在真空狀態(tài)下對石英管感應(yīng)加熱熔煉，待冷卻后打碎石英管取出耐磨材料。
上述方案中，制備的耐磨材料為整體塊狀，且材料塊體大小受石英管的管徑尺寸限制，所以不適用于尺寸較大的工件，更不能在任意形狀工件表面制備出定向生長的m7c3涂層。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備方法，在零件表面制備抗磨涂層不僅耐磨性得到提高，而且表面涂層與整體塊狀相比所用原料較少，從而可節(jié)約大量昂貴合金粉末。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思：本發(fā)明采用等離子原位合成法制備定向生長m7c3涂層。由于cr為中等強(qiáng)度碳化物形成元素，所以通過冶金反應(yīng)ncr+(7-n)fe+3c=m7c3(m=cr,fe)較容易生成m7c3。另外，m7c3的本征生長特征為長柱狀，表1為m7c3晶體各晶面的自由能esurf和生長速度rhkl，其中m7c3晶體界面能越高的晶面其生長速率越大，反之界面能越小晶面生長速率越小，如：{640}{620}的界面能esurf分別為-9.2955和-9.13474kcal/mol/?，生長速率rhkl分別為1.01843和0.96411/?；{011}{002}界面能esurf分別為-2.67987和-2.65248kcal/mol/?，生長速率rhkl分別為0.11519和0.13107/?，這遵循晶體生長的熱力學(xué)與動力學(xué)定律。由晶體生長gibbs-wulff定理及bfdh模型可知：m7c3晶體中晶面{640}{620}{260}等生長較快，從而決定碳化物m7c3生長形態(tài)時的形態(tài)重要性較小，最終消失，而晶面{011}{002}{101}{111}生長速率較小，其決定m7c3生長形態(tài)的重要性最大，最終顯露出來。長大后m7c3晶體由{011}{002}{101}晶面組成，由于晶面{011}與晶面{002}的面數(shù)和為6，從而組成一個近似六面結(jié)構(gòu)。因晶面{101}界面能遠(yuǎn)高于{011}與{002}，生長速率較快，最終顯露面積最小，所以m7c3晶體本征生長形態(tài)為長六棱柱狀?？梢娫诶碚撋喜粌H較容易合成m7c3，且其本身具有單向生長的物理特性。因晶體長大方式和進(jìn)程主要是由熱流控制，所以若想實(shí)現(xiàn)m7c3定向生長，需維持一維方向熱傳導(dǎo)，這樣不僅抑制了m7c3晶體其他方向生長，而且能使所有m7c3晶體沿逆熱流方向推進(jìn)長大，獲得定向生長的m7c3。
表1m7c3晶體各晶面的自由能esurf和生長速度rhkl
本發(fā)明技術(shù)方案為：
一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備裝置，所述裝置包括工件支架，所述支架上設(shè)有基板，所述基板上方涂層反應(yīng)熔池，所述涂層反應(yīng)熔池兩側(cè)設(shè)有陶瓷保溫板，所述陶瓷保溫板上方設(shè)有等離子弧槍；
所述基板底部設(shè)有冷卻水槽，所述冷卻水槽與進(jìn)水管連接，所述進(jìn)水管與水泵連接，所述水泵與制冷機(jī)連接，所述制冷機(jī)與出水管連接。
優(yōu)選地，所述陶瓷保溫板、涂層反應(yīng)熔池上方設(shè)有保溫陶瓷纖維。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述冷卻水槽、進(jìn)水管、水泵、制冷機(jī)、出水管之間設(shè)有閥門，所述陶瓷保溫板材質(zhì)為剛玉。
一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備方法，所述方法包括如下步驟：
1)清理基板表層污物，若在零件表面制備涂層時，則需對其表面進(jìn)行噴砂處理，然后將預(yù)處理好的基板或零件放入工件支架，夾緊固定；
2)配置并混合用于原位反應(yīng)的合金粉末；
3)根據(jù)涂層寬度把混合好的合金粉末預(yù)敷在基板表面，對其搗實(shí)壓平，再沿預(yù)敷層兩側(cè)鋪設(shè)耐高溫陶瓷保溫板；
4)打開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對基板底部實(shí)施冷卻處理；
5)開啟等離子弧設(shè)備，對預(yù)敷層粉末進(jìn)行加熱，邊加熱邊用硅酸鋁陶瓷纖維覆蓋熔池表面保溫，待熔化、反應(yīng)、冷卻后得到m7c3涂層。
優(yōu)選地，所述步驟2）合金粉末包括以下按質(zhì)量百分比計(jì)組分：cr粉20%-60%、c（石墨）粉5%-8%，余量為fe-ni粉。
所述fe-ni粉中ni質(zhì)量百分比為30%；re質(zhì)量百分比為1%；fe質(zhì)量百分比為69%。
所述cr粉粒度為75-150μm，所述fe-ni粉粒度為60-180μm。
優(yōu)選地，所述步驟3）涂層的合金粉末采用預(yù)敷粉末工藝，預(yù)敷層厚度搗實(shí)壓平后厚度為3-5mm。
優(yōu)選地，所述步驟3）陶瓷保溫板材質(zhì)為剛玉，其氧化鋁含量為99.5%，耐熱溫度大于1600℃。
優(yōu)選地，所述步驟4)冷卻水水溫為2-3℃，流速為1-1.5m/s。
優(yōu)選地，所述步驟5)等離子弧通過cnc控制按一定速度移動，等離子弧參數(shù)為：電流：75-85a；電壓：35-45v；離子氣流量：5-6l/min；保護(hù)氣流量為：7-8l/min；cnc移動速度：40-60mm/min。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述陶瓷纖維的厚度為30-50mm，耐熱溫度為1200-1300℃。涂層應(yīng)邊加熱邊用硅酸鋁陶瓷纖維覆蓋熔池表面，防止熱量從上部散失。
本發(fā)明有益效果：
1)該方法為原位自生定向生長m7c3增強(qiáng)相，生成的m7c3不僅與基體界面結(jié)合力大，且定向生長的m7c3橫截面具有很高的抗磨性能。
2)該方法采用循環(huán)冷卻水從涂層底部強(qiáng)制制冷，上部采取保溫措施，從而在熔池冷卻過程中形成由上而下的溫度梯度，所用的冷卻系統(tǒng)與等離子設(shè)備簡單、穩(wěn)定、易操控。
3)該方法制備定向生長m7c3涂層時原料消耗小，與塊狀材料相比，可節(jié)省大量昂貴合金材料。
4)該方法為預(yù)敷粉末工藝，對基板的結(jié)構(gòu)形狀適應(yīng)性強(qiáng)，可在規(guī)則、非規(guī)則零部件表面制備定向生長m7c3涂層。
綜述，本發(fā)明有益效果為：利用原位合成法制備定向生長的m7c3涂層，與已有定向生長方法相比，該工藝所用設(shè)備簡單、穩(wěn)定、易操控；與塊狀材料相比，表面制備涂層可節(jié)省大量昂貴合金，對基板的幾何結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)；定向生長的m7c3在基體內(nèi)原位自生，因此表面干凈無污染與母相界面結(jié)合強(qiáng)度高。
附圖說明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
圖1為本發(fā)明原位合成定向生長m7c3涂層工藝圖。其中1-基體，2-支架，3-進(jìn)水管，4-水泵，5-制冷機(jī)，6-冷卻水槽，7-出水管，8-閥門，9-陶瓷保溫板，10-涂層反應(yīng)熔池，11-等離子弧槍，12-保溫陶瓷纖維。
圖2為本發(fā)明原位合成定向生長m7c3涂層金相顯微組織圖（包括基體材料）。
圖3為本發(fā)明原位合成定向生長m7c3三維柱狀結(jié)構(gòu)的sem圖（已去除基體材料）。
圖4為傳統(tǒng)工藝制備的雜亂生長m7c3三維柱狀結(jié)構(gòu)的sem圖（已去除基體材料）。
圖5為定向生長m7c3涂層的磨損率與斷裂韌性強(qiáng)度因子。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。
本發(fā)明提出一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備方法，圖1為原位合成定向生長m7c涂層工藝圖；圖2為定向生長m7c3涂層金相顯微組織圖（包括基體材料）；圖3為定向生長m7c三維柱狀結(jié)構(gòu)的sem圖；圖4為采用傳統(tǒng)工藝生成雜亂生長的m7c3三維柱狀結(jié)構(gòu)sem圖；圖5為定向生長m7c3涂層的磨損率與斷裂韌性強(qiáng)度因子?？梢钥吹奖景l(fā)明原位合成的m7c3并排沿柱體縱向定向生長（熱流方向），其耐磨性和斷裂韌性均較高。
以下將通過四個實(shí)施例，來完成工件表面定向生長m7c3涂層的制備：
實(shí)施例1
一種原位合成定向生長m7c3涂層的制備裝置，所述裝置包括工件支架2，所述支架2上設(shè)有基板1，所述基板1上方涂層反應(yīng)熔池10，所述涂層反應(yīng)熔池10兩側(cè)設(shè)有陶瓷保溫板9，所述陶瓷保溫板9上方設(shè)有等離子弧槍11；
所述基板1底部設(shè)有冷卻水槽6，所述冷卻水槽6與進(jìn)水管3連接，所述進(jìn)水管3與水泵4連接，所述水泵4與制冷機(jī)5連接，所述制冷機(jī)5與出水管7連接。
優(yōu)選地，所述陶瓷保溫板9、涂層反應(yīng)熔池10上方設(shè)有保溫陶瓷纖維12。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述冷卻水槽6、進(jìn)水管3、水泵4、制冷機(jī)5、出水管7之間設(shè)有閥門，所述陶瓷保溫板材質(zhì)為剛玉。
實(shí)施例2
采用實(shí)施例1裝置進(jìn)行制備，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；將預(yù)處理好的基板1放入冷卻水槽6的工件支架2上，然后按順序依次開啟閥門8、水泵4、制冷機(jī)5對工件進(jìn)行冷卻處理，根據(jù)涂層寬度及長度在基板上粘結(jié)保溫陶瓷板9。
將30%的cr粉（粒度75-150μm）、5.4%的c粉、余量為fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度為60-180μm）烘干混合均勻后，預(yù)敷在保溫陶瓷板9之間的工件表面搗實(shí)壓平；開啟等離子弧槍11，工藝參數(shù)為：電流：85a；電壓：45v；離子氣流量：6l/min；保護(hù)氣流量為：8l/min；cnc移動速度：60mm/min；邊制備涂層邊用高溫陶瓷纖維12覆蓋在反應(yīng)熔池10表面保溫。待熔池冷卻后獲得涂層，測得涂層中原位合成的定向生長m7c3體積分?jǐn)?shù)為27.6vol%。
所得定向生長m7c3涂層在m-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）對磨試驗(yàn)（壓力300n，滑動1000米），測得磨損率為34.2(mm3/nm)×10-7；在cmt5015電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測得涂層準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性強(qiáng)度因子kic=26mpa.m1/2（圖5）。
實(shí)施例3
采用實(shí)施例1裝置進(jìn)行制備，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；將預(yù)處理好的基板1放入冷卻水槽6的工件支架2上，然后按順序依次開啟閥門8、水泵4、制冷機(jī)5對工件進(jìn)行冷卻處理，根據(jù)涂層寬度及長度在基板上粘結(jié)保溫陶瓷板9。
將40%的cr粉（粒度75-150μm）、5.8%的c粉、余量為fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度為60-180μm）烘干混合均勻后，預(yù)敷在保溫陶瓷板9之間的工件表面搗實(shí)壓平；開啟等離子弧槍11，工藝參數(shù)為：電流：75a；電壓：35-45v；離子氣流量：5l/min；保護(hù)氣流量為：7l/min；cnc移動速度：40mm/min；邊制備涂層邊用高溫陶瓷纖維12覆蓋在反應(yīng)熔池10表面保溫。待熔池冷卻后獲得涂層，測得涂層中原位合成的定向生長m7c3體積分?jǐn)?shù)為34.7vol%。
所得定向生長m7c3涂層在m-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）對磨試驗(yàn)（壓力300n，滑動1000米），測得磨損率為26.4(mm3/nm)×10-7；在cmt5015電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測得涂層準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性強(qiáng)度因子kic=24mpa.m1/2（圖5）。
實(shí)施例4
采用實(shí)施例1裝置進(jìn)行制備，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；將預(yù)處理好的基板1放入冷卻水槽6的工件支架2上，然后按順序依次開啟閥門8、水泵4、制冷機(jī)5對工件進(jìn)行冷卻處理，根據(jù)涂層寬度及長度在基板上粘結(jié)保溫陶瓷板9。
將50%的cr粉（粒度75-150μm）、6.2%的c粉、余量為fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度為60-180μm）烘干混合均勻后，預(yù)敷在保溫陶瓷板9之間的工件表面搗實(shí)壓平；開啟等離子弧槍11，工藝參數(shù)為：電流：78a；電壓：42v；離子氣流量：5.5l/min；保護(hù)氣流量為：7.8l/min；cnc移動速度：50mm/min；邊制備涂層邊用高溫陶瓷纖維12覆蓋在反應(yīng)熔池10表面保溫。待熔池冷卻后獲得涂層，測得涂層中原位合成的定向生長m7c3體積分?jǐn)?shù)為42.3vol%。
所得定向生長m7c3涂層在m-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上與t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）對磨試驗(yàn)（壓力300n，滑動1000米），測得磨損率為24.8(mm3/nm)×10-7；在cmt5015電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測得涂層準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性強(qiáng)度因子kic=21mpa.m1/2（圖5）。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的替換，如：更換其他制冷劑、保溫材料、粉末配比比例、加熱熱源或其他基板材料等，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。