專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法。
背景技術(shù)：
磨損是零件失效的主要形式之一，造成設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低、工件更換或維護(hù)頻繁、 能源消耗增加，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，目前提高零件耐磨性的方法主要為表面改性和涂層技術(shù)，其中涂層技術(shù)可用極少量的材料起到大量、昂貴的整體材料難以起到的作用，極大降低了產(chǎn)品成本。碳化鎢具有高的硬度、耐磨性和難熔性，碳化鎢基硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用于刀具材料， 如車(chē)刀、銑刀、鉆頭等，用于切削鑄鐵、有色金屬和普通鋼材，也可用來(lái)切削耐熱鋼、不銹鋼、 工具鋼等難加工材料。除此之外，碳化鎢基硬面層在耐磨、耐腐蝕性涂層領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。^ - ! ^] (Self-propagating High-temperature Synthesis, If^ SHS) 是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制備材料的新技術(shù)，其最顯著的特點(diǎn)是充分利用元素間形成化合物的高能放熱反應(yīng)，除了引發(fā)合成反應(yīng)所必須的少量外加能量，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程主要依靠物料自身的放熱來(lái)支持。自蔓延合成碳化鎢具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，適于大
批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的技術(shù)，提高鑄件的耐磨性和耐腐蝕性。本發(fā)明提供了一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于
(1)W粉、石墨粉和金屬粉末按質(zhì)量比20-80% 1.5-25% 5-68%進(jìn)行配料，在球磨機(jī)中混合I-M小時(shí)制成混合粉末；
(2)在混合粉末中加入粘結(jié)劑，粘結(jié)劑與混合粉末的質(zhì)量比為1:10-1:100，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
(3)將粉末膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預(yù)先加工好的孔或槽內(nèi)；
(4)將制備好的鑄件模型外涂掛一層防粘砂涂料，在40-50°C溫度范圍內(nèi)烘干，烘干時(shí)間為5-18小時(shí)；
(5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉鋼水，然后進(jìn)行澆注，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)3W+2C — WC+W2C，形成碳化鎢基硬質(zhì)合金相；
(6)鑄件進(jìn)行熱處理或鑄造余熱水韌處理，冷卻到室溫后進(jìn)行表面清理、打磨，即得表面或局部自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的鑄件。
優(yōu)選的是，鑄造工藝為真空消失模鑄造。優(yōu)選的是，熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。優(yōu)選的是，金屬粉末組份質(zhì)量比為:Ni:0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B :0-8%, Co 0-60%，其余為Fe ；進(jìn)一步優(yōu)選金屬粉末組份質(zhì)量比為=Ni =0-60%, Cr :5_30%，Si :5-11%, B 3-8%, Co :0_60%，其余為 Fe。優(yōu)選的是，W粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度1_20 μ m、金屬粉末粒度l_100ym。優(yōu)選的是，粘結(jié)劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000的聚乙二醇水溶液，或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。優(yōu)選的是，鑄件表面硬質(zhì)合金涂層的厚度為0. 5-60mm ；進(jìn)一步優(yōu)選鑄件表面硬質(zhì)合金涂層的厚度為3-8mm。鑄件局部孔槽硬質(zhì)合金涂層的厚度為1-lOOmm，進(jìn)一步優(yōu)選鑄件局部孔或槽硬質(zhì)合金涂層的厚度為3-40mm。優(yōu)選的是，硬質(zhì)合金涂層包括基體組織(涂層是由鐵合金粉熔融后將碳化鎢粘結(jié)在一起形成的，基體組織就是鐵合金粉熔融后形成的粘結(jié)相)及分布其上的WC及W2C顆粒和合金滲碳體(滲碳體中一部分鐵原子被金屬元素代替，形成合金滲碳體)，其中WC及W2C顆?？傮w積百分?jǐn)?shù)為10-60%，合金滲碳體的體積百分?jǐn)?shù)為1-1596，其余為基體組織，合金涂層硬度 HRC50-85。本領(lǐng)域技術(shù)人員不難看出，上述各方案的任意組合都構(gòu)成本發(fā)明的一部分。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于鑄件的表面質(zhì)量好，涂層與鑄件結(jié)合牢固，在使用過(guò)程中具有高耐磨性和耐腐蝕性、耐磨合金層不脫落，并且工藝簡(jiǎn)單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
步驟1 稱(chēng)取平均粒度為3-4. 5 μ m的W粉4. 0kg, IOym的石墨粉0. 5kg和40 μ m的金屬粉末(Ni :60%wt, Cr 5% wt, Si 5% wt, B 3% wt，其余為Fe) 1. ^g，在球磨機(jī)中混合5個(gè)小時(shí)；
步驟2:在混合粉末中加入400g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在鑄件磨損工作表面上，涂覆厚度為3mm;
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂涂料，在50° C的環(huán)境下干燥4小時(shí)； 步驟5 組裝澆注系統(tǒng)，填干砂振實(shí)造型，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水后抽真空進(jìn)行澆注，澆注溫度為1470 °C，真空度為0.06MPa，在澆注過(guò)程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)；
步驟6 鑄件冷卻到1100° C時(shí)，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為25° C的水箱中，進(jìn)行鑄件余熱水韌化處理，冷卻到室溫后，進(jìn)行表面清理、打磨即得到表面自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的高錳鋼鑄件，硬質(zhì)合金涂層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結(jié)合，表面質(zhì)量好，合金涂層厚度為3. 5mm,硬度HRC67. 8。實(shí)施例2:
步驟1 稱(chēng)取平均粒度為3-4. 5 μ m的W粉5. Okg, 15 μ m的石墨粉0. 2kg和50 μ m的金屬粉末(Co 50% wt, Cr 10% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其余為 Fe) 2. 8kg，在球磨機(jī)中混合 12 個(gè)小時(shí)；
步驟2 在混合粉末中加入600g分子量為6000的聚乙二醇(濃度10%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型上，涂覆部位在鑄件磨損工作表面上，涂覆厚度為53mm;
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40° C的環(huán)境下干燥13小時(shí)；
步驟5 組裝澆注系統(tǒng)，填干砂振實(shí)造型，熔煉低合金65Mn鋼水后抽真空進(jìn)行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0.06MPa，在澆注過(guò)程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)；
步驟6 鑄件冷卻到500 °C時(shí)，落砂翻出鑄件，立即埋入石英砂中，進(jìn)行鑄件緩冷處理， 冷卻到室溫后，進(jìn)行表面清理、打磨即得到表面自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的低合金鋼鑄件，硬質(zhì)合金涂層與65Mn鋼基體呈冶金結(jié)合，表面質(zhì)量好，合金涂層厚度為55. 2mm, 硬度 HRC76. 2。實(shí)施例3:
步驟1 稱(chēng)取平均粒度為3-4. 5 μ m的W粉0. 4kg，IOym的石墨粉0. 05kg和40 μ m的金屬粉末(Ni :60%wt,Cr 5% wt,Si 5% wt,B 3% wt，其余為 Fe)0. 15kg，在球磨機(jī)中混合 5 個(gè)小時(shí)；
步驟2 在混合粉末中加入40g聚乙烯醇(濃度8%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型預(yù)先加工好的孔中，圓孔直徑為 Φ 10mm，填充深度為；35_;
步驟4 外掛約2mm厚的鎂砂粉防粘砂涂料，在50° C的環(huán)境下干燥4小時(shí)；
步驟5 組裝澆注系統(tǒng)，填干砂振實(shí)造型，熔煉Mnl3高錳鋼鋼水后抽真空進(jìn)行澆注，澆注溫度為1470 °C，真空度為0.06MPa，在澆注過(guò)程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)；
步驟6 鑄件冷卻到1100 0C時(shí)，落砂翻出鑄件，立即淬入水溫為25°C的水箱中，進(jìn)行鑄件余熱水韌化處理，冷卻到室溫后，進(jìn)行表面清理、打磨即得到表面自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的高錳鋼鑄件，硬質(zhì)合金涂層與Mnl3高錳鋼基體呈冶金結(jié)合，表面質(zhì)量好， 硬質(zhì)合金涂層圓棒直徑為Φ 10mm,厚度為33mm，硬度HRC61. 8。實(shí)施例4:
步驟1 稱(chēng)取平均粒度為3-4. 5 μ m的W粉25. Okg, 15 μ m的石墨粉1. Okg禾口 50 μ m的金屬粉末(Co 50% wt, Cr 10% wt, Si 5% wt, B 3% wt，其余為 Fe) 14. 0kg，在球磨機(jī)中混合15個(gè)小時(shí)；
步驟2 在混合粉末中加入3. Okg分子量為6000的聚乙二醇(濃度10%wt)水溶液，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；
步驟3 將粉末涂料膏劑填充在EPS泡沫塑料模型上預(yù)先加工好的槽內(nèi)，槽寬度為 10mm，涂覆深度為25mm ；
步驟4 外掛約2mm厚的石英粉防粘砂涂料，在40° C的環(huán)境下干燥13小時(shí)；步驟5 組裝澆注系統(tǒng)，填干砂振實(shí)造型，熔煉低合金65Mn鋼水后抽真空進(jìn)行澆注，澆注溫度為1560 °C，真空度為0.06MPa，在澆注過(guò)程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)；
步驟6 鑄件冷卻到500 °C時(shí)，落砂翻出鑄件，立即埋入石英砂中，進(jìn)行鑄件緩冷處理， 冷卻到室溫后，進(jìn)行表面清理、打磨即得到表面自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的低合金鋼鑄件，硬質(zhì)合金涂層與65Mn鋼基體呈冶金結(jié)合，表面質(zhì)量好，硬質(zhì)合金涂層槽寬度為 IOmm,厚度為 24. 5mm,硬度 HRC82. 2。
權(quán)利要求
1.一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，采用W粉、石墨粉和金屬粉末為合成原料，其特征在于采用如下步驟(1)W粉、石墨粉和金屬粉末按質(zhì)量比20-80% 1.5-25% 5-68%進(jìn)行配料，在球磨機(jī)中混合I-M小時(shí)制成混合粉末；(2)在混合粉末中加入粘結(jié)劑，粘結(jié)劑與混合粉末的質(zhì)量比為1:10-1:100，攪拌混勻制成粉末涂料膏劑；(3)將粉末膏劑涂覆在鑄件EPS泡沫塑料模型的表面上或填充到模型預(yù)先加工好的孔或槽內(nèi)；(4)將制備好的鑄件模型外涂掛一層防粘砂涂料，在40-50°C溫度范圍內(nèi)烘干，烘干時(shí)間為5-18小時(shí)；(5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉鋼水，然后進(jìn)行澆注，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)3W+2C — WC+W2C，形成碳化鎢基硬質(zhì)合金相；(6)鑄件進(jìn)行熱處理或鑄造余熱水韌處理，冷卻到室溫后進(jìn)行表面清理、打磨，即得表面或局部自蔓延合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的鑄件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于鑄造工藝為真空消失模鑄造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于熔煉鋼水為高錳鋼、普碳鋼或合金鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于金屬粉末組份質(zhì)量比為:Ni :0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B :0_8%，Co :0_60%，其余為 Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于金屬粉末組份質(zhì)量比為:Ni :0-60%, Cr :5-30%, Si :5-11%, B :3_8%，Co :0_60%，其余為Fe。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于w粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度1-20 μ m、金屬粉末粒度:1-100 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于粘結(jié)劑為濃度10%wt的橡膠汽油溶液、濃度10%wt的分子量為6000的聚乙二醇水溶液， 或濃度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于鑄件表面硬質(zhì)合金涂層的厚度為0. 5-60mm，孔或槽硬質(zhì)合金涂層的厚度為l-100mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于鑄件表面硬質(zhì)合金涂層的厚度為3-8mm，孔或槽硬質(zhì)合金涂層的厚度為3_40mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于硬質(zhì)合金涂層包括基體組織及分布其上的WC及W2C顆粒和合金滲碳體，其中WC及W2C 顆?？傮w積百分?jǐn)?shù)為10-60%，合金滲碳體的體積百分?jǐn)?shù)為1-1596，其余為基體組織，合金涂層硬度HRC50-85。
全文摘要
一種鑄件表面原位合成碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的方法，屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。采用真空消失模鑄造工藝，將W粉、石墨粉和金屬粉末混合，加入粘結(jié)劑制成粉末涂料膏劑，涂覆在EPS泡沫塑料模型表面或填充在模型的孔或槽內(nèi)，在澆注過(guò)程中，利用鋼液的高溫引發(fā)自蔓延合成反應(yīng)，發(fā)生3W+2C→WC+W2C反應(yīng)，形成碳化鎢基硬質(zhì)合金相，得到表面或局部自蔓延熔覆碳化鎢基硬質(zhì)合金涂層的鑄件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于鑄件的表面質(zhì)量好，涂層與鑄件結(jié)合牢固，在使用過(guò)程中具有高耐磨性、耐磨合金層不脫落，并且工藝簡(jiǎn)單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22C3/00GK102274923SQ201110221898
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
發(fā)明者周生永, 王剛, 王振明, 程軍, 羅驥, 郭志猛 申請(qǐng)人:廣東新勁剛超硬材料有限公司