[發(fā)明專利]鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強(qiáng)鐵基熔敷層及其加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510601464.2
• 申請(qǐng)日: 2015-09-14
• 公開（公告）號(hào): CN105297004B
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳希章;薛偉;袁其兵;張大偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C24/10
• 分類號(hào): C23C24/10
• 代理公司: 溫州金甌專利事務(wù)所(普通合伙) 33237
• 代理人: 夏曙光

本發(fā)明公開了鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強(qiáng)鐵基熔敷層，其包括成分：W、C，所述C質(zhì)量百分比為4～10％，所述W和C的質(zhì)量比范圍為1∶14～5∶28，還包括如下成分：Ni、Cr、B、Si、Cu、CeO₂。本發(fā)明還公開了鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強(qiáng)鐵基熔敷層的加工方法，包括基體處理、粉末配制，混合球磨，采用水玻璃作為粘接劑將粉末調(diào)制成膏體狀，并均勻涂覆在光亮的基體表面，將粉末烘干預(yù)熱后，進(jìn)行加熱熔敷，采用鎢極氬弧作為加熱熱源，選擇合適的設(shè)備參數(shù)熔化預(yù)置粉末從而制備成型良好的熔敷層。本發(fā)明通過氬弧原位合成技術(shù)成功制備了碳化鎢顆粒增強(qiáng)相來增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，熔敷層與基體之間為原子結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氬弧制備增強(qiáng)鐵基熔敷層的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種通過鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強(qiáng)鐵基熔敷層及其加工方法。

背景技術(shù)

材料磨損通常指因?yàn)闄C(jī)械作用造成的材料表面損耗，機(jī)器在轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，任何相互接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間如活塞環(huán)和汽缸套、軸和軸承等都會(huì)發(fā)生摩擦。對(duì)材料來說，約80％的零件失效是磨損引起的，可見磨損是零件失效一種最常見的方式，也決定了機(jī)械的使用壽命。針對(duì)這個(gè)缺陷，技術(shù)人員可以通過對(duì)材料表面處理，增強(qiáng)材料的耐磨性能，提高材料表面硬度使其能夠有效延長(zhǎng)零件的使用壽命，同時(shí)避免對(duì)材料整體使用耐磨材質(zhì)的浪費(fèi)，節(jié)約了成本。

碳化鎢(WC)晶體為六方型結(jié)構(gòu)，具備一般晶體材料無法比擬的特性：硬度高、熔點(diǎn)高、彈性模量高、抗壓強(qiáng)度高。另外，作為高溫條件下最硬的二元碳化物，WC的抗氧化、耐腐蝕能力都特別出色。復(fù)合材料中基體包裹著碳化鎢顆粒并對(duì)碳化鎢顆粒起到支撐和保護(hù)作用，這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得WC顆粒增強(qiáng)金屬基體耐磨性能優(yōu)越。故碳化鎢(WC)顆粒，作為增強(qiáng)相，在增強(qiáng)硬質(zhì)合金材料方面具有巨大的發(fā)展前景和空間。

現(xiàn)有技術(shù)中的制備金屬基碳化鎢(WC)顆粒耐磨涂層的方法通常是外加法，即將原料顆粒直接加入熔池中，或者將合金粉末預(yù)先充分混合后進(jìn)行激光/氬弧熔敷。這類方法不僅成本較高、工藝較復(fù)雜，而且由于外加相與基體相的物性參數(shù)差異較大，使得兩者之間的相容性較差，結(jié)合不良。此外，碳化鎢(WC)顆粒在焊接熱源的作用下還會(huì)發(fā)生溶解，不僅降低了涂層中碳化鎢(WC)顆粒的體積分?jǐn)?shù)，而且碳化鎢(WC)顆粒溶解形成的鎢(W)、碳(C)原子會(huì)使涂層形成萊氏體、Fe₃W₃C等脆性相。這些問題嚴(yán)重制約著碳化鎢(WC)顆粒增強(qiáng)金屬基耐磨涂層的發(fā)展。

原位自生技術(shù)是指在材料的復(fù)合過程中通過一定的物理化學(xué)反應(yīng)生成預(yù)期的增強(qiáng)相，原位合成技術(shù)是依照材料設(shè)計(jì)的目標(biāo)選擇適當(dāng)氣相、液相或者粉末固相作為反應(yīng)劑，利用元素和元素之間，元素和化合物之間的置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、相變、成核和結(jié)晶、化合和分解等反應(yīng)在基體內(nèi)部生成新的顆粒形成增強(qiáng)相，也就是說增強(qiáng)相不是外加的，而是在材料復(fù)合過程中形成的。相比于外加增強(qiáng)體制備技術(shù)，原位自生獲得的增強(qiáng)體熱力學(xué)性能穩(wěn)定、與基體之間為冶金結(jié)合、工藝簡(jiǎn)單、成本低。原位反應(yīng)得到的增強(qiáng)相顆粒的尺寸大小一般位于0.2-30μm之間，這種顆粒物一般具備很高的強(qiáng)度和硬度因而可以強(qiáng)化基體，改善基體性能。采用原位合成技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料涂層，液態(tài)金屬潤(rùn)濕增強(qiáng)相，基體和涂層界面結(jié)合牢固。盡管原位合成顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料涂層有著高硬度，高耐磨等優(yōu)點(diǎn)，然而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中碳化鎢(WC)難于通過原位合成技術(shù)生成，還需解決如下一些關(guān)鍵問題：

(1)控制材料顯微組織，在涂層制造過程中保證顆粒的均勻分布。

(2)控制增強(qiáng)相(包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等)的生成、生長(zhǎng)以及熱穩(wěn)定性，通過調(diào)節(jié)材料制備工藝參數(shù)可以控制顆粒增強(qiáng)相的尺寸、種類以及體積分?jǐn)?shù)。

(3)含有增強(qiáng)相顆粒的流體流變因素、凝固因素(結(jié)晶潛熱、冷卻速度、表面張力、合金凝固區(qū)間)是制備顆粒增強(qiáng)涂層的重要問題。

(4)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)問題以及實(shí)現(xiàn)一次工藝成型或者接近一次工藝成型的問題。