耐磨涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐磨涂層及其制備方法，尤其涉及一種復(fù)合耐磨碳化物涂層及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的復(fù)合耐磨碳化物涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化物材料具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)，以涂層方式覆蓋在金屬合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。其中，釩的碳化物熔點(diǎn)和硬度都較高，且其與鐵的相容性較好，是理想的耐磨涂層組分。釩的碳化物有多種，常見(jiàn)的有V8C7,V2C,VC等，現(xiàn)有的涂層或者復(fù)合材料中均以V8C7或VC為主要耐磨相組分，但是相對(duì)于V2C, V8C7或VC的硬度和熔點(diǎn)均相對(duì)較低，顯然如果能獲得V 2C碳化物相的涂層，其耐磨性應(yīng)該優(yōu)于其余銀的碳化物。
[0003]目前制備碳化物涂層的方法有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、熱噴涂方法、熱滲鍍方法等，但是這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度低等不足。
[0004]因此如何獲得V2C碳化物相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨涂層，該耐磨涂層為V2C致密陶瓷層，其化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性好，具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低表面能以及低傳熱性；并且進(jìn)一步地，提供一種用于獲得上述耐磨涂層的制備方法。
[0006]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供一種梯度復(fù)合涂層，其優(yōu)選被涂覆于金屬基體表面，以提高其表面的耐磨性，特別是碳鋼或鑄鐵表面，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0008]一種耐磨涂層，該耐磨涂層為V2C致密陶瓷層；優(yōu)選地，V2C致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0009]更優(yōu)選地，沿V2C致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為7-25 μ m，優(yōu)選為9_25 μ m，更優(yōu)選為15-25 μπι ;優(yōu)選地，其中V2C的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ;優(yōu)選地，V2C晶粒尺寸為 20-50 μ m，優(yōu)選為 30-50 μ m。
[0010]此外，本發(fā)明還提供一種梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷層、微米V8C7致密陶瓷層、V 8C7與基體的融合層。
[0011]優(yōu)選地，V2C致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0012]更優(yōu)選地，沿V2C致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為7-25 μ m，優(yōu)選為9_25 μ m，更優(yōu)選為15-25 μπι ;優(yōu)選地，其中V2C的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ;優(yōu)選地，V2C晶粒尺寸為 20-50 μ m，優(yōu)選為 30-50 μ m。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選地，沿微米V8C7致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為15-90 μπι，優(yōu)選為40-90 μ m，更優(yōu)選為70-90 μ m ;優(yōu)選地，V8C7的體積分?jǐn)?shù)大于70%，優(yōu)選大于75% ;優(yōu)選地，V8C7的晶粒尺寸為5-15 μm，優(yōu)選為6-15 μm，更優(yōu)選為8-15 μπι。
[0014]更進(jìn)一步優(yōu)選地，沿V8C7與基體的融合層縱向剖面，其厚度為120 μπι-1100 μπι，優(yōu)選300-1100 μ m ;優(yōu)選地，其中V8C7的體積分?jǐn)?shù)為20% -85%，優(yōu)選為50% -85% ;優(yōu)選地，V8C7的晶粒尺寸為5-20 μ m，優(yōu)選為10-20 μ m。
[0015]優(yōu)選地，梯度復(fù)合涂層總厚度為142-1215 μm，優(yōu)選在400-1200 μπι。
[0016]更優(yōu)選地，組織根據(jù)熱處理方式不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種；優(yōu)選地，該梯度復(fù)合涂層被施加于碳鋼表面。
[0017]本發(fā)明提供一種耐磨涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0018]I)、先準(zhǔn)備一釩板；優(yōu)選地，其中釩的純度控制在99.7-99.9% ;更優(yōu)選地，所述釩板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述I凡板先被加以表面處理；
[0019]2)、將金屬基材冶煉為金屬液；
[0020]3)、將上述金屬液澆入放置有上述釩板的砂型內(nèi)，獲得上部為金屬基體下部為釩板的復(fù)合體；
[0021]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆外部碳源；
[0022]5)、將包覆外部碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，獲得耐磨涂層；
[0023]其中，耐磨涂層為V2C致密陶瓷層。
[0024]優(yōu)選地，通過(guò)控制保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該V2C致密陶瓷層；優(yōu)選地，V2C致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0025]本發(fā)明還提供一種梯度復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0026]I)、先準(zhǔn)備一釩板；優(yōu)選地，其中釩的純度控制在99.7-99.9% ;更優(yōu)選地，所述釩板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述I凡板先被加以表面處理；
[0027]2)、將金屬基材冶煉為金屬液；
[0028]3)、將上述金屬液澆入放置有上述釩板的砂型內(nèi)，獲得上部為金屬基體下部為釩板的復(fù)合體；
[0029]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆外部碳源；
[0030]5)、將包覆外部碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，獲得梯度復(fù)合涂層。
[0031]若釩板厚度小于0.2mm，則釩板在澆注復(fù)合過(guò)程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得V2C組織，直接生成彌散分布V8C7;超過(guò)3_則導(dǎo)致擴(kuò)散距離增大，反應(yīng)動(dòng)力不足。
[0032]優(yōu)選地，在步驟5)中通過(guò)嚴(yán)格控制保溫溫度與時(shí)間的關(guān)系，獲得所述準(zhǔn)單晶相V2C致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準(zhǔn)單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯(cuò)也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0033]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟5)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準(zhǔn)單晶相V2C致密陶瓷層、微米V8C7致密陶瓷層、V8C7與基體的融合層。
[0034]更優(yōu)選地，上述步驟5)中保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式，
[0035]L = kTlogt1/2+b0
[0036]其中:
[0037]L——梯度復(fù)合涂層的總厚度(μ m)，
[0038]k 是常數(shù)，取值為0-1，k O,
[0039]T——保溫溫度⑷，
[0040]t 保溫時(shí)間(S)，
[0041]b0——初始厚度(μ m)，即金屬液澆注后與釩板之間形成的復(fù)合層的厚度。
[0042]綜上，所述梯度復(fù)合涂層，包括V2C致密陶瓷層，硬度高。所述V2C致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，原子的排列不像一般單晶那樣具有相同的晶格，但仍具有嚴(yán)格的順序，呈現(xiàn)出幾何排列；晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序。準(zhǔn)單晶相介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，準(zhǔn)單晶相的晶界明顯減少，位錯(cuò)密度低，有較多亞晶界，因此硬度有明顯提升；而較之單晶相，其對(duì)制備方式要求更低，且組織更為穩(wěn)定。
[0043]優(yōu)選地，本發(fā)明還提供一種碳鋼表面的碳化物涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0044]1)、先準(zhǔn)備一釩板；優(yōu)選地，所述釩板先被加以表面處理；優(yōu)選地，釩的純度控制在99.7-99.9% ;更優(yōu)選地，釩板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述釩板先被加以表面處理；
[0045]2)、將碳鋼基材冶煉為鋼液；優(yōu)選地，溫度控制在1500_1560°C ；
[0046]3)、將上述鋼液澆入放置有上述釩板的砂型內(nèi)，冷卻后，獲得上部為碳鋼基體下部為釩板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1500-1560°C ;更優(yōu)選地，澆注時(shí)間為5-120秒；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)澆；
[0047]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆外部碳源；
[0048]5)、將包覆外部碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，獲得所述碳鋼基體表面的碳化物涂層。
[0049]優(yōu)選地，上述步驟5)中保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式，
[0050]L = kTlogt1/2+b0
[0051]其中:
[0052]L——碳化物涂層的總厚度(μ m)，
[0053]k 是常數(shù)，取值為0-1，k ^ O,
[0054]T--保溫溫度(K)，
[0055]t 保溫時(shí)間(S)，
[0056]b0——初始厚度(μ m)，即鋼液澆注后與釩板之間形成的復(fù)合層的厚度。
[0057]優(yōu)選地，在步驟I)中，表面處理的步驟如下:
[0058]第一步酸洗，選用300ml/L的鹽酸或60ml/L的磷酸或120ml/L的雙氧水，后流水沖洗；
[0059]第二步酸洗，選用300ml/L的氫氟酸或200ml/L的硫酸或240ml/L的雙氧水，后流水沖洗；
[0060]第三步表面打磨，選用800-1200目的Al2O3砂紙，最后用酒精超聲清洗。
[0061]更優(yōu)選地，步驟4)中的外部碳源為石墨紙或石墨粉；優(yōu)選地，所述石墨紙為三級(jí)以上，純度為85-99%，厚度為0.1-0.35mm ;優(yōu)選地，所述石墨粉