一种复合铁基耐磨层的制备方法与流程

1.本发明属于陶瓷相增强铁基复合材料领域，具体涉及一种复合铁基耐磨层的制备方法。


背景技术：

2.在轨道交通、油气钻采、基础建设等诸多领域中，机械部件一直面临严重的磨损，造成巨大的损失。为减少磨损，人们采用堆焊耐磨层、镶嵌硬质合金等方式提高机械部件的耐磨性，其中陶瓷相增强耐磨层因其高性价比应用越来越广泛。等离子设备成本较低，且工艺较简单，在熔覆层制备领域应用广泛。因此，研究等离子工艺制备高性能陶瓷相增强耐磨层，具有广阔的应用前景。
3.陶瓷相增强耐磨层的性能取决于耐磨层基材的性能、陶瓷相的尺度及含量。耐磨层基材硬度过高时，其韧性较差，易在磨损过程中形成剥离磨损；耐磨层基材硬度过低时，在磨粒的作用下磨损过快，导致对陶瓷相的支撑作用不足，陶瓷相脱落后耐磨性降低。陶瓷相的尺度和含量同样影响耐磨层的使用性能，其尺度过大或含量较低时，陶瓷相之间的间隙增加，在细小磨粒作用时无法保护陶瓷相间的耐磨层基材；陶瓷相尺度过小时，无法抵抗大尺寸磨粒的冲击，易从耐磨层基材表面剥离，进而导致耐磨性变差。
4.公布号为cn107267909a的中国发明专利申请公开了一种等离子喷焊ni基wc/tic/laalo3耐磨涂层，其等离子喷涂工艺，制备了由ni60、wc粉末、纳米tic粉末及纳米laalo3粉末制备而成的硬度高、耐磨性好的耐磨层，该方法中通过添加nicral过渡层，提高了涂层结合性，但整体厚度仍仅为0.4mm，wc、tic陶瓷相总含量不超过30％，制约涂层使用性能的进一步提高，且ni基涂层制造成本较高。在不同工况下承受不同尺寸磨粒的磨损时，耐磨性能表现较差，在磨粒尺寸变化时耐磨性波动大。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种复合铁基耐磨层的制备方法，以解决熔覆过程中wc陶瓷相易沉底导致耐磨性下降、磨粒尺寸变化时耐磨性波动大的问题。
6.为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种复合铁基耐磨层的制备方法，采用熔覆方法制备tic、wc陶瓷相复合增强铁基耐磨层；所述熔覆方法包括沿熔覆方向先后进行主粉末、副粉末的送粉，熔覆时，所述主粉末在待熔覆基体表面形成熔池，副粉末落于熔池后部；所述主粉末由铁基粉和tic陶瓷相粉末组成，所述副粉末为wc陶瓷相粉末；所述tic陶瓷相粉末的粒径小于wc陶瓷相粉末的粒径。
8.本发明的复合铁基耐磨层的制备方法，tic陶瓷相密度小，熔覆过程中其分布于熔池中上部，后送粉的wc陶瓷相密度大，进入熔池后其在送粉气和重力共同作用下会下沉，将其送粉位置控制于熔池后部，此处熔池凝固速度快，可避免wc陶瓷相下沉至熔池底部，从而实现耐磨层中wc陶瓷相和tic陶瓷相交错均匀分布，实现复合强化，可有效解决熔覆过程中
wc陶瓷相易沉底导致耐磨性下降的问题。
9.该种耐磨层在不同工况下承受不同尺寸磨粒的磨损时，都具有良好的耐磨性能，避免单一硬质相耐磨层在磨粒尺寸变化时耐磨性波动大。
10.优选地，所述tic陶瓷相粉末的粒径为5～180μm，所述wc陶瓷相粉末的粒径为50～400μm。采用小尺寸tic陶瓷相、大尺寸wc陶瓷相的设计，大尺寸的wc陶瓷起主要抵挡磨粒冲击的作用，避免磨粒直接冲击小尺寸的tic陶瓷相，同时wc陶瓷相利用“阴影效应”提高耐磨层的耐磨性；小尺寸的tic陶瓷相分布于大尺寸的wc陶瓷相中间，保护wc陶瓷相间的基体，避免基体磨损过快导致wc陶瓷相与基体的结合性不足脱落后耐磨性下降，两种陶瓷相颗粒相辅相成，复合强化，从而保证该种耐磨层在不同工况下承受不同尺寸磨粒的磨损时，都具有良好的耐磨性能，避免单一硬质相耐磨层在磨粒尺寸变化时耐磨性波动大。
11.为进一步优化对不同工况下的耐磨性，进一步优选地，所述tic陶瓷相粉末的粒径为5～50μm，所述wc陶瓷相粉末的粒径为100～400μm。
12.优选地，tic陶瓷相粉末的质量为铁基粉质量的20～50％，tic陶瓷相、wc陶瓷相的质量比为(1～2):1。tic陶瓷相、wc陶瓷相控制在上述比例，可优化不同种类的陶瓷相复合强化、协同作用，提高耐磨层的耐磨性。
13.优选地，所述铁基粉由以下质量百分比的组分组成：c含量为0.4～0.7％、mn含量为0.3～0.7％、si含量为0.8～2.4％、b含量为1.0～4.0％、cr含量为15～18％、ni含量为1.5～2.5％、余量为fe。采用铁基粉制备基材，基材强韧均衡，对陶瓷相有良好的支撑作用。
14.优选地，所述副粉末送粉落点位于焊枪移动方向后方，距离焊枪中心轴线2～9mm。采用上述不同步送粉方案，可进一步优化不同尺度陶瓷相的交错分布，提高耐磨性能表现。
15.采用等离子熔覆或激光熔覆均可实现本发明的熔覆目的。进一步优选地，所述熔覆为等离子熔覆；所述等离子熔覆时，主粉末的送粉气流量为3～6l/min，副粉末的送粉气流量为2～4l/min。采用上述送粉气参数，工艺稳定性好，对耐磨性改善显著。
16.优选地，所述等离子熔覆时，电流为120～180a、距待熔覆基体表面10～15mm、离子气流量为2～5l/min、保护气流量为5～15l/min。采用上述等离子熔覆工艺参数，可进一步化等离子熔覆效果。
17.优选地，所述复合增强铁基耐磨层的厚度为3～5mm。采用上述大厚度设计，可较大程度发挥本发明的不同步送粉优势，所得耐磨层能够承受苛刻、复杂的耐磨工况，实际应用效果良好。
18.优选地，熔覆后在不低于200℃下保温4～6小时，随炉冷却。在熔覆后进行上述保温处理，可减少应力，进一步提高耐磨层的使用寿命。
附图说明
19.图1为本发明实施例1的复合铁基耐磨层的金相组织图；
20.图2为本发明实施例1的复合铁基耐磨层的金相组织中不同陶瓷相能谱检测点。
具体实施方式
21.本发明提供一种tic、wc陶瓷相复合铁基耐磨层及其制备方法，解决等离子熔覆过程中wc陶瓷相易沉底导致耐磨性下降及结合性不足的问题。进一步地，采用多尺度tic、wc
陶瓷相设计，解决不同磨损工况中磨粒尺寸变化造成耐磨层耐磨性能波动大的问题。
22.本发明的技术构思为：采用具有双送粉器的等离子焊接设备，其中第一送粉器添加fe基粉材+小尺寸tic陶瓷相的粉材，第二送粉器添加大尺寸的wc陶瓷相粉材。在等离子敷焊过程中，主送粉器首先送粉，在待熔覆基体表面形成熔池，随后副送粉器开始送粉，敷焊过程中保证wc陶瓷相粉材落于熔池后部。通过上述敷焊方法，fe基粉材+小尺寸tic陶瓷相形成熔池，作为熔覆层主体，tic陶瓷相密度小，熔覆过程中其分布于熔池中上部；后送粉的wc陶瓷相密度大，进入熔池后其在送粉气和重力共同作用下会下沉，因此将其送粉位置控制于熔池后部，此处熔池凝固速度快，可避免wc陶瓷相下沉至熔池底部。通过上述焊接方法，实现不同尺度tic、wc陶瓷相复合耐磨层的制备。
23.同时，选择强韧均衡的铁基粉材，保证其对陶瓷相的支撑作用，大尺寸的wc陶瓷相和小尺寸的tic陶瓷相交错均匀分布，实现复合强化。
24.为优化熔覆层与待熔覆基体的结合性，优选地，将待熔覆基体在200～250℃进行预热。待熔覆基体在熔覆前经过打磨锈迹及毛刺、清洗油污等常规准备工作。
25.铁基粉、tic陶瓷相粉末、wc陶瓷相粉末在烘干后使用。优选地，烘干温度为120℃～150℃，烘干时间不少于4小时。
26.第一送粉器首先送粉后，1-3s后第二送粉器开始送粉。
27.熔覆后工件在不低于200℃，保温4～6小时以减小应力，更优选地，保温温度控制为200～290℃。
28.另外，可根据需求针对性制备tic及wc陶瓷相的复合耐磨层，实现对tic及wc陶瓷相尺寸和含量的控制，确保其耐磨性，且复合耐磨层与基体结合良好。通过分步送粉方式向熔池后部添加wc陶瓷相，可简单有效解决wc陶瓷相因密度大易在熔池中沉底的技术难题，保证其在耐磨层组织中均匀分布。
29.下面结合具体实施例对本发明的实施过程进行详细说明。
30.一、本发明的复合铁基耐磨层的制备方法的具体实施例
31.实施例1
32.本实施例的复合铁基耐磨层的制备方法，包括以下步骤：
33.(1)将待敷焊工件表面锈迹及毛刺打磨干净、清洗油污，随后在260℃进行预热2h时间。待敷焊工件为35crmo。
34.(2)耐磨层基体粉材采用粒度为50～150μm铁基粉，其元素成分质量百分比为(wt％)：c含量为0.5％、mn含量为0.4％、si含量为1.5％、b含量为3.0％、cr含量为17％、ni含量为2.0％、余量为fe。
35.向铁基粉中添加质量占比为25％的5～50μm的tic陶瓷相，混合均匀并烘干后装入第一送粉器；将200～400μm的wc陶瓷相粉末烘干装入第二送粉器。控制tic陶瓷相、wc陶瓷相的用量比为25:15，tic陶瓷相、wc陶瓷相的总添加量为铁基粉质量的40％。
36.粉材烘干温度为120℃～150℃，烘干时间不少于4小时。本实例中，在150℃烘干4小时。
37.(3)采用等离子熔覆工艺在预热后的工件表面制备耐磨层。熔覆时，第一送粉器首先送粉，3秒后第二送粉器开始送粉，第二送粉器送粉落点位于焊枪移动方向后方，距离焊枪中心轴线7mm，制备的耐磨层厚度为3～5mm。等离子熔覆工艺参数控制为：电流为170a、距
工件基体表面12mm、离子气流量为2.7l/min、保护气流量为12l/min、第一送粉器送粉气流量为5l/min、第二送粉器送粉气流量为3.5l/min，离子气、送粉气及保护气均为氩气。在实际操作中，通过调节第二送粉器的送粉落点来控制wc陶瓷相在耐磨层中的分布位置，并调控送粉速度等参数控制wc陶瓷相的含量。
38.(4)熔覆完成后将工件放置于加热炉中进行保温以减小应力，保温温度为220℃，保温4小时后随炉冷却，完成耐磨层的熔覆。
39.实施例2～4
40.参考实施例1，将实施例2～4的主要工艺参数列于以下表1中，其中未述及之处与实施例1一致。
41.表1实施例2～4的复合铁基耐磨层的制备工艺参数
[0042][0043]
实施例5
[0044]
本实施例的复合铁基耐磨层的制备方法，包括以下步骤：
[0045]
(1)铁基粉的质量组成为：c 0.6％、mn 0.4％、si 1.2％、b 2.0％、cr 16％、ni 2.0％，余量为fe。向铁基份中添加30％的50～100μm的tic陶瓷颗粒，烘干后用混粉器混合均匀，其中烘干温度为120℃，烘干4小时，混合时间不小于2小时。将烘干后的粉末加入第一送粉器；随后将烘干的200～250μm的wc陶瓷相颗粒送入第二送粉器。
[0046]
(2)以34crnimo6作为熔覆基材，将其表面油污清洗干净，打磨平整，随后对熔覆基材进行预热，预热温度为220℃。
[0047]
(3)采用激光熔覆工艺在预热后的工件表面进行耐磨层制备。激光熔覆工艺参数如下：激光熔覆功率为4000w，激光束直径为3.5mm，激光扫描速度为3mm/s，氩气保护流量为20l/min。第一送粉器送粉速度为30g/min，第二送粉器送粉速度为10g/min，通过调节第二送粉器的管路，确保其落点位于熔池后部。
[0048]
(4)熔覆完成后，将工件放于250℃的加热炉中进行保温，保温4小时后停止加热，让工件随炉冷却，到室温后出炉，完成熔覆层的制备。
[0049]
二、实验例
[0050]
实验例1
[0051]
对实施例1的所得复合铁基耐磨层的金相组织(厚度截面图)进行分析，结果如图1所示。
[0052]
由图1可以看出，熔覆层中大尺寸的wc陶瓷相与小尺寸的tic陶瓷相在熔覆层中均匀交错分布，从而能够共同发挥大尺寸wc陶瓷相、小尺寸tic陶瓷相的增强作用。
[0053]
对金相组织中不同检测点进行能谱分析，检测点如图2所示，结果如下表2所示。
[0054]
表2不同陶瓷相能谱检测结果
[0055][0056]
结合以上能谱分析结果，进一步证明了金相组织中大尺寸wc陶瓷相、小尺寸tic陶瓷相的存在与分布情况。
[0057]
实验例2
[0058]
本实验例对比wc熔覆层、tic熔覆层以及实施例1的wc+tic复合陶瓷相熔覆层的抗磨粒磨损实验，采用干式磨粒磨损试验机进行干式磨粒磨损检测试验(测试条件：加载力100n，转速200r/min，总转数6000s，石英砂粒径为50～70目)，测试结果如下表3所示。
[0059]
其中，wc熔覆层是按照实施例1的方法，第一送粉器送入铁基粉，第二送粉器送入200～400μm wc陶瓷相粉末，控制wc陶瓷相粉末占铁基粉比例为40wt.％，得到单一wc熔覆层。
[0060]
tic熔覆层是按照实施例1的方法，向铁基粉中添加40wt.％5～50μmtic陶瓷相，仅使用第一送粉器送粉，得到单一tic熔覆层。
[0061]
表3不同熔覆层的磨粒磨损实验表现
[0062][0063]
从表3的实验结果可以看出，wc熔覆层在10～20目、50～60目、100～200目三个级别的耐磨项目上，表现均较差，其中在100～200目项目上的质量损失达到0.697g。
[0064]
tic熔覆层在10～20目、50～60目、100～200目三个级别的耐磨项目上表现中等，其中在承受50～60目磨粒磨损时的表现最差，其可能与tic陶瓷相的粒度较小，无法承受较大磨粒的冲击有关。
[0065]
在总陶瓷相用量相同的条件下，实施例1的wc+tic复合熔覆层在10～20目、50～60目、100～200目三个级别的耐磨项目上均有最佳的表现，其中在承受50～60目磨粒磨损时的表现更是远优于tic熔覆层，显示了对不同粒度磨粒磨损的适应性。由于不同地区的地下环境不同，磨粒的粒度往往有较大的变化，使用本发明的方式制备的耐磨层可提高对以上粒度变化情形的适应性，提高耐磨性，从而提高掘进机械耐磨部件的使用寿命。

技术特征：
1.一种复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，采用熔覆方法制备tic、wc陶瓷相复合增强铁基耐磨层；所述熔覆方法包括沿熔覆方向先后进行主粉末、副粉末的送粉，熔覆时，所述主粉末在待熔覆基体表面形成熔池，副粉末落于熔池后部；所述主粉末由铁基粉和tic陶瓷相粉末组成，所述副粉末为wc陶瓷相粉末；所述tic陶瓷相粉末的粒径小于wc陶瓷相粉末的粒径。2.如权利要求1所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述tic陶瓷相粉末的粒径为5～180μm，所述wc陶瓷相粉末的粒径为50～400μm。3.如权利要求2所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述tic陶瓷相粉末的粒径为5～50μm，所述wc陶瓷相粉末的粒径为100～400μm。4.如权利要求1所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，tic陶瓷相粉末的质量为铁基粉质量的20～50％，tic陶瓷相、wc陶瓷相的质量比为(1～2):1。5.如权利要求1～4所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述铁基粉由以下质量百分比的组分组成：c含量为0.4～0.7％、mn含量为0.3～0.7％、si含量为0.8～2.4％、b含量为1.0～4.0％、cr含量为15～18％、ni含量为1.5～2.5％、余量为fe。6.如权利要求1所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述副粉末送粉落点位于焊枪移动方向后方，距离焊枪中心轴线2～9mm。7.如权利要求6所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述熔覆为等离子熔覆；所述等离子熔覆时，主粉末的送粉气流量为3～6l/min，副粉末的送粉气流量为2～4l/min。8.如权利要求7所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述等离子熔覆时，电流为120～180a、距待熔覆基体表面10～15mm、离子气流量为2～5l/min、保护气流量为5～15l/min。9.如权利要求1所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，所述复合增强铁基耐磨层的厚度为3～5mm。10.如权利要求1或9所述的复合铁基耐磨层的制备方法，其特征在于，熔覆后在不低于200℃下保温4～6小时，随炉冷却。

技术总结
本发明属于陶瓷相增强铁基复合材料领域，具体涉及一种复合铁基耐磨层的制备方法。本发明采用熔覆方法制备TiC、WC陶瓷相复合增强铁基耐磨层；所述熔覆方法包括沿熔覆方向先后进行主粉末、副粉末的送粉，熔覆时，所述主粉末在待熔覆基体表面形成熔池，副粉末落于熔池后部；所述主粉末由铁基粉和TiC陶瓷相粉末组成，所述副粉末为WC陶瓷相粉末。本发明的复合铁基耐磨层的制备方法，后送粉的WC陶瓷相密度大，将其送粉位置控制于熔池后部，此处熔池凝固速度快，可避免WC陶瓷相下沉至熔池底部，从而实现耐磨层中WC陶瓷相和TiC陶瓷相交错均匀分布，有效解决熔覆过程中WC陶瓷相易沉底导致耐磨性下降的问题。磨性下降的问题。磨性下降的问题。


技术研发人员：芦海俊 尚勇 姜海峰 魏金 李英发 胡岸青 曾婧 李焕旭 陈彦涛 张耀鑫 王锴 廖永发
受保护的技术使用者：中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/4