[發明專利]鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強鐵基熔敷層及其加工方法

有效

• 申請號: 201510601464.2
• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105297004B
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發明（設計）人: 陳希章;薛偉;袁其兵;張大偉
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 溫州金甌專利事務所(普通合伙) 33237
• 代理人: 夏曙光

本發明公開了鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強鐵基熔敷層，其包括成分：W、C，所述C質量百分比為4～10％，所述W和C的質量比范圍為1∶14～5∶28，還包括如下成分：Ni、Cr、B、Si、Cu、CeO₂。本發明還公開了鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強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制成膏體狀，并均勻涂覆在光亮的基體表面，將粉末烘干預熱后，進行加熱熔敷，采用鎢極氬弧作為加熱熱源，選擇合適的設備參數熔化預置粉末從而制備成型良好的熔敷層。本發明通過氬弧原位合成技術成功制備了碳化鎢顆粒增強相來增強鐵基復合材料，熔敷層與基體之間為原子結合，結合強度較高。

技術領域

本發明涉及氬弧制備增強鐵基熔敷層的技術領域，尤其是一種通過鎢極氬弧原位合成碳化鎢顆粒增強鐵基熔敷層及其加工方法。

背景技術

材料磨損通常指因為機械作用造成的材料表面損耗，機器在轉動的情況下，任何相互接觸的相對運動的零件之間如活塞環和汽缸套、軸和軸承等都會發生摩擦。對材料來說，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，也決定了機械的使用壽命。針對這個缺陷，技術人員可以通過對材料表面處理，增強材料的耐磨性能，提高材料表面硬度使其能夠有效延長零件的使用壽命，同時避免對材料整體使用耐磨材質的浪費，節約了成本。

碳化鎢(WC)晶體為六方型結構，具備一般晶體材料無法比擬的特性：硬度高、熔點高、彈性模量高、抗壓強度高。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。復合材料中基體包裹著碳化鎢顆粒并對碳化鎢顆粒起到支撐和保護作用，這樣的結構特點使得WC顆粒增強金屬基體耐磨性能優越。故碳化鎢(WC)顆粒，作為增強相，在增強硬質合金材料方面具有巨大的發展前景和空間。

現有技術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，或者將合金粉末預先充分混合后進行激光/氬弧熔敷。這類方法不僅成本較高、工藝較復雜，而且由于外加相與基體相的物性參數差異較大，使得兩者之間的相容性較差，結合不良。此外，碳化鎢(WC)顆粒在焊接熱源的作用下還會發生溶解，不僅降低了涂層中碳化鎢(WC)顆粒的體積分數，而且碳化鎢(WC)顆粒溶解形成的鎢(W)、碳(C)原子會使涂層形成萊氏體、Fe₃W₃C等脆性相。這些問題嚴重制約著碳化鎢(WC)顆粒增強金屬基耐磨涂層的發展。

原位自生技術是指在材料的復合過程中通過一定的物理化學反應生成預期的增強相，原位合成技術是依照材料設計的目標選擇適當氣相、液相或者粉末固相作為反應劑，利用元素和元素之間，元素和化合物之間的置換反應、氧化還原反應、相變、成核和結晶、化合和分解等反應在基體內部生成新的顆粒形成增強相，也就是說增強相不是外加的，而是在材料復合過程中形成的。相比于外加增強體制備技術，原位自生獲得的增強體熱力學性能穩定、與基體之間為冶金結合、工藝簡單、成本低。原位反應得到的增強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度和硬度因而可以強化基體，改善基體性能。采用原位合成技術制備顆粒增強型復合材料涂層，液態金屬潤濕增強相，基體和涂層界面結合牢固。盡管原位合成顆粒增強型金屬基復合材料涂層有著高硬度，高耐磨等優點，然而在實際工業生產應用中碳化鎢(WC)難于通過原位合成技術生成，還需解決如下一些關鍵問題：

(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)控制增強相(包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等)的生成、生長以及熱穩定性，通過調節材料制備工藝參數可以控制顆粒增強相的尺寸、種類以及體積分數。

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

(4)實現大規模工業生產問題以及實現一次工藝成型或者接近一次工藝成型的問題。