專利名稱：一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，具體地說，涉及一種采用液相燒結(jié)工藝在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的方法。
背景技術(shù)：
高新技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)備零部件的材料性能的要求越來越高，如承受前所未有的高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)等工作條件。零部件的破壞往往自表面開始，表面的局部破壞又導(dǎo)致整個(gè)零件失效。鋼材表層的物理化學(xué)性能對(duì)它的許多重要使用性能，如硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗氧化性等都有決定性的作用。在鋼基體表面制備硬質(zhì)合金涂層，能改變鋼基體外表面的形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，并賦予基體新的性能，使材料既有鋼的強(qiáng)度和韌性，又有陶瓷的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。
硬質(zhì)涂層材料的制備方法有很多種。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種涂層制備技術(shù)的發(fā)展水平都得到了很大的提高，涂層種類不斷增多，涂層質(zhì)量越來越好，用途日益廣泛。但是，各種涂層制備技術(shù)各自也都具有很大缺陷。
三元硼化物基硬質(zhì)合金覆層材料是利用各種國(guó)產(chǎn)的金屬、合金粉末原料，采用液相燒結(jié)工藝，在金屬基體表面制備的硬質(zhì)覆層材料。在液相燒結(jié)過程中，利用覆層材料中原料粉末之間的原位化學(xué)反應(yīng)形成三元硼化物陶瓷硬質(zhì)相，從而大幅度提高覆層材料的耐磨性；通過調(diào)整覆層材料中鋼基粘結(jié)相的組成，使之不銹鋼化，可以使材料在保持高耐磨性的同時(shí)，大幅度提高耐腐蝕性；覆層中高溫下所形成的共晶液相，一方面與金屬基體潤(rùn)濕，并在冷卻后使覆層與金屬基體之間產(chǎn)生牢固的冶金結(jié)合，另一方面通過毛細(xì)管力作用使得覆層材料充分致密化，冷卻后形成致密、堅(jiān)硬、耐磨損、耐腐蝕的表面硬質(zhì)覆層。這種覆層材料制備的工藝過程簡(jiǎn)單，對(duì)基底材料結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)，可用的原料品種多、來源廣，覆層厚度易于控制。
但是三元硼化物基硬質(zhì)合金覆層材料主要存在兩個(gè)方面的缺陷。一是材料成本高。由于覆層材料中只有通過原位化學(xué)反應(yīng)形成的三元硼化物這一種陶瓷硬質(zhì)相，要保證覆層材料中陶瓷硬質(zhì)相的含量，就必須在原料中加入大量的金屬鉬粉，而金屬鉬粉的價(jià)格日趨高昂，使得覆層材料的成本較高。二是覆層材料的燒結(jié)溫度范圍狹窄。在覆層材料中只有三元硼化物這一種陶瓷硬質(zhì)相的情況下，陶瓷硬質(zhì)相與高溫下產(chǎn)生的共晶液相的比例受燒結(jié)溫度的影響比較顯著，較小的溫度變化就會(huì)使得陶瓷硬質(zhì)相與共晶液相的比例發(fā)生較大的變化，容易發(fā)生覆層材料的欠燒或過燒流失，因此，覆層材料的燒成溫度范圍較小，只能在±3℃的狹窄的溫度范圍內(nèi)燒成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題就在于提供一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，它采用液相燒結(jié)方法，在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料。本發(fā)明利用覆層材料中通過原位化學(xué)反應(yīng)形成的三元硼化物陶瓷和另外加入的碳化物陶瓷形成復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相，從而降低了覆層材料的成本，擴(kuò)大了覆層材料的燒成溫度范圍，并進(jìn)一步提高了覆層材料的耐磨性。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，它是在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料，所述方法包括覆層坯體成形步驟和覆層材料液相燒結(jié)步驟；所述覆層坯體成形步驟包括料漿制備和坯體成形步驟；所述料漿制備步驟為
1)、覆層材料的準(zhǔn)備按下列重量份配比混合覆層材料的原料Mo粉35～55份，F(xiàn)e-B合金10～30份，石墨粉0～1.5份，Cr粉0～15份，Ni鎳粉0～10份，Cr3C2粉0～20份，WC粉0～20份，TiC粉0～10份，F(xiàn)e粉0～61份；2)、覆層材料料漿的制備將覆層材料與料漿添加劑按重量比為1∶0.9～1.2的比例配合后加入球磨罐中，用硬質(zhì)合金球混合球磨24～100小時(shí)，將料漿過400目篩，再真空除氣，即為可成形用的料漿；所述料漿添加劑的組成為(重量百分比)溶劑75～95份；粘結(jié)劑2～7份；增塑劑0～3份；其中，所述溶劑為乙醇、丁酮、甲酮、乙酮、甲醇、丁醇或環(huán)己酮中的一種或多種混合物；所述粘結(jié)劑為可溶于有機(jī)非極性溶劑的聚合物中的一種或多種混合物；如所述粘結(jié)劑可以為聚乙烯醇縮丁醛(PVB)所述增塑劑為鄰苯二甲酸二正辛酯(DOP)、甘油或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)中的一種或多種混合物。
所述坯體成形步驟為1)、對(duì)鋼基體進(jìn)行除銹、清洗等表面凈化處理；2)、將料漿噴涂在凈化的鋼基體上，制備成厚度為0.1～2.0毫米的均勻薄層坯體；所述覆層材料液相燒結(jié)步驟為將噴涂有成形坯體的鋼基體工件，置入真空爐進(jìn)行液相燒結(jié)；燒結(jié)溫度為1060～1280℃；燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0-1Pa～1.0×10-3Pa。
本發(fā)明所述料漿噴涂方法可以為空氣噴涂、高壓無氣噴涂、靜電噴涂、淋涂、浸涂、粉末涂裝、轉(zhuǎn)動(dòng)涂裝或刷涂。
本發(fā)明采用的噴涂成形方法，可適用于任意形狀鋼基體表面的覆層制備，其中空氣噴涂利用壓縮空氣將料漿霧化后噴涂；高壓無氣噴涂將料漿高壓霧化后噴涂；
靜電噴涂料漿經(jīng)靜電及空氣輔助霧化或高速離心霧化后噴涂；淋涂將料漿淋到鋼基體表面上；浸涂將被涂鋼基體浸入料漿進(jìn)行粘附；粉末涂裝靠靜電或流化法在鋼基體上涂布料漿；轉(zhuǎn)動(dòng)涂裝將鋼基體裝入盛有料漿的容器中轉(zhuǎn)動(dòng)或滾動(dòng)，進(jìn)行涂布成形；刷涂使用板刷、滾刷等各種刷子蘸料漿后在鋼基體上涂裝。
利用噴涂方法進(jìn)行覆層材料坯體成形時(shí)，一遍噴涂操作所形成的坯體膜層厚度不宜過大，以料漿能夠平整、光滑、均勻、穩(wěn)定地粘附在基體表面為宜。對(duì)于水平方向的基體平表面，每一遍噴涂操作所形成的坯體層厚度以100-500微米為宜；對(duì)于非水平基體表面，特別是基體表面傾斜角度較大時(shí)，每一遍噴涂操作所形成的坯體層厚度應(yīng)適當(dāng)減小，如對(duì)于豎直的基體表面的涂裝，應(yīng)以30-150微米為宜，一遍噴涂所形成的坯體層厚度過大時(shí)，容易形成料漿滴流。噴涂成形操作中應(yīng)對(duì)所用料漿不間歇地進(jìn)行攪拌，以防止料漿發(fā)生偏析沉降。當(dāng)需要成形較厚的覆層坯體層時(shí)，可在上遍噴涂膜層干燥后，重復(fù)進(jìn)行噴涂成形操作，直至覆層坯體層達(dá)到所要求的厚度。
本發(fā)明所述覆層材料液相燒結(jié)中燒結(jié)溫度的升溫制度設(shè)置可以為室溫～400℃，升溫速度10℃/分鐘；400℃，保溫30分鐘；400～1050℃，升溫速度10℃/分鐘；1050℃，保溫30分鐘；1050℃～燒結(jié)溫度，升溫速度5℃/分鐘；燒結(jié)溫度，保溫30分鐘；燒結(jié)溫度～室溫，隨爐冷卻。
本發(fā)明采用復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金材料和料漿噴涂工藝以及液相燒結(jié)工藝在鋼基體表面制備硬質(zhì)覆層材料，覆層中由原位化學(xué)反應(yīng)形成的陶瓷相與外加的陶瓷構(gòu)成復(fù)合硬質(zhì)相。碳化物陶瓷硬質(zhì)相的復(fù)合加入，提高了陶瓷硬質(zhì)相在覆層材料中的比例，降低了覆層材料的成本，擴(kuò)大了覆層材料的燒成溫度范圍，并進(jìn)一步提高了覆層材料的耐磨性。本發(fā)明所用原材料廉價(jià)易得，材料成本低，工藝方法簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)鋼基體材料的適應(yīng)性強(qiáng)，所制備覆層材料的價(jià)格性能比合理，其構(gòu)思新穎獨(dú)特。
本發(fā)明利用各種金屬、合金粉末和碳化物陶瓷原料，采用液相燒結(jié)方法在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料。在液相燒結(jié)過程中，利用原料粉末之間的原位化學(xué)反應(yīng)形成三元硼化物陶瓷并與外加的碳化物陶瓷共存構(gòu)成復(fù)合硬質(zhì)相；覆層中所形成的共晶液相，一方面與鋼基體潤(rùn)濕，并在冷卻后使覆層與鋼基體之間產(chǎn)生牢固的冶金結(jié)合，另一方面通過毛細(xì)管力作用使得覆層材料充分致密化，冷卻后形成致密、堅(jiān)硬、耐磨損、耐腐蝕的表面硬質(zhì)覆層。碳化物陶瓷硬質(zhì)相的復(fù)合加入，可以提高陶瓷硬質(zhì)相在覆層材料中的比例，降低覆層材料的成本，擴(kuò)大覆層材料的燒成溫度范圍，并進(jìn)一步提高覆層材料的耐磨性。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1表1覆層的原料組成

表2料漿添加劑的原料組成

按表1配比稱取覆層原料，按表2的配比準(zhǔn)備料漿添加劑。
將覆層原料與料漿添加劑按重量比為1∶1的比例配合后加入球磨罐中，用硬質(zhì)合金球混合球磨48小時(shí)，將料漿過400目篩，再真空除氣，即為可成形用的料漿。
采用空氣噴涂法在鋼(Q235)基體上制備成厚度為500微米的薄層坯體，每遍成形的坯體層厚度為100微米，共進(jìn)行5遍噴涂成形操作；在真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0×10-2Pa燒結(jié)溫度的升溫制度設(shè)置為室溫～400℃，升溫速度10℃/分鐘；400℃，保溫30分鐘；400～1050℃，升溫速度10℃/分鐘；1050℃，保溫30分鐘；1050℃～1240℃，升溫速度5℃/分鐘；1210℃，保溫30分鐘；1210℃～室溫，材料隨爐冷卻至室溫。
所制備覆層材料的主要性能見表3。
表3實(shí)施例1制備的覆層材料的主要性能

實(shí)施例2表4覆層的原料組成

表5料漿添加劑的原料組成

按表4配比稱取覆層原料，按表5的配比準(zhǔn)備料漿添加劑。
將覆層材料與料漿添加劑按重量比為1∶0.95的比例配合后加入球磨罐中，用硬質(zhì)合金球混合球磨100小時(shí)，將料漿過400目篩，再真空除氣，即為可成形用的料漿。采用空氣噴涂法在鋼基體(Q235)已凈化的表面上噴涂成形，每遍成形的坯體層厚度為100微米，共進(jìn)行12遍噴涂成形操作；在真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0×10-1Pa，燒結(jié)溫度的升溫設(shè)置為室溫～400℃，升溫速度10℃/分鐘；400℃，保溫30分鐘；400～1050℃，升溫速度10℃/分鐘；1050℃，保溫30分鐘；1050℃～1210℃，升溫速度5℃/分鐘；1250℃，保溫30分鐘；1250℃～室溫，材料隨爐冷卻至室溫。
所制備覆層材料的主要性能見表6。
表6實(shí)施例2覆層材料的主要性能

實(shí)施例3表7覆層的原料組成

表8料漿添加劑的原料組成

按表7配比稱取覆層原料，按表8的配比準(zhǔn)備料漿添加劑。
將覆層材料與料漿添加劑按重量比為1∶1.1的比例配合后加入球磨罐中，用硬質(zhì)合金球混合球磨100小時(shí)，將料漿過400目篩，再真空除氣，即為可成形用的料漿。采用空氣噴涂法在鋼基體(Q235)已凈化的表面上噴涂成形，每遍成形的坯體層厚度為100微米，共進(jìn)行12遍噴涂成形操作；在真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0×10-3Pa，燒結(jié)溫度的升溫設(shè)置為室溫～400℃，升溫速度10℃/分鐘；400℃，保溫30分鐘；400～1050℃，升溫速度10℃/分鐘；1050℃，保溫30分鐘；1050℃～1200℃，升溫速度5℃/分鐘；1200℃，保溫30分鐘；1200℃～室溫，材料隨爐冷卻至室溫。
所制備覆層材料的主要性能見表9。
表9實(shí)施例3覆層材料的主要性能

本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下得出的其他任何與本發(fā)明相同或相近似的產(chǎn)品，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，它是在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料，其特征在于所述方法包括覆層坯體成形步驟和覆層材料液相燒結(jié)步驟；所述覆層坯體成形步驟包括料漿制備和坯體成形步驟；所述料漿制備步驟為1)、覆層原料的準(zhǔn)備按下列重量份配比混合覆層材料的原料Mo粉35～55份，F(xiàn)e-B合金10～30份，石墨粉0～1.5份，Cr粉0～15份，Ni鎳粉0～10份，Cr3C2粉0～20份，WC粉0～20份，TiC粉0～10份，F(xiàn)e粉0～61份；2)、覆層原料料漿的制備將覆層原料與料漿添加劑按重量比為1∶0.9～1.2的比例配合后加入球磨罐中，用硬質(zhì)合金球混合球磨24～100小時(shí)，將料漿過400目篩，再真空除氣，即為可成形用的料漿；所述料漿添加劑的組成為(重量百分比)溶劑90～98份；粘結(jié)劑2～7份；增塑劑0～3份；所述坯體成形步驟為1)、對(duì)鋼基體進(jìn)行除銹、清洗等表面凈化處理；2)、將料漿噴涂在凈化的鋼基體上，制備成厚度為0.1-2.0毫米的均勻薄層坯體；所述覆層材料液相燒結(jié)步驟為將噴涂有成形坯體的鋼基體工件，置入真空爐進(jìn)行液相燒結(jié)；燒結(jié)溫度為1060～1280℃；燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0-1Pa～1.0×10-3Pa。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，其特征在于所述溶劑為乙醇、丁酮、甲酮、乙酮、甲醇、丁醇或環(huán)己酮中的一種或多種混合物；所述粘結(jié)劑為可溶于有機(jī)非極性溶劑的聚合物中的一種或多種混合物；所述增塑劑為鄰苯二甲酸二正辛酯(DOP)、甘油或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)中的一種或多種混合物。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，其特征在于所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛(PVB)。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，其特征在于所述料漿噴涂方法為空氣噴涂、高壓無氣噴涂、靜電噴涂、淋涂、浸涂、粉末涂裝、轉(zhuǎn)動(dòng)涂裝或刷涂。
5.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，其特征在于所述料漿噴涂方法為多次噴涂，每一次噴涂所形成的坯體層厚度為30-500微米；噴涂成形過程中對(duì)所用料漿不間歇地進(jìn)行攪拌。
6.如權(quán)利要求1-5之任一所述的復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，其特征在于所述覆層材料液相燒結(jié)中燒結(jié)溫度的升溫制度設(shè)置為室溫～400℃，升溫速度10℃/分鐘；400℃，保溫30分鐘；400～1050℃，升溫速度10℃/分鐘；1050℃，保溫30分鐘；1050℃～燒結(jié)溫度，升溫速度5℃/分鐘；燒結(jié)溫度，保溫30分鐘；燒結(jié)溫度～室溫，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料的制備方法，它是在鋼基體表面制備復(fù)合陶瓷硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金覆層材料，包括覆層坯體成形和覆層材料液相燒結(jié)步驟；覆層材料所用原料的重量份配比為Mo粉35～55份，F(xiàn)e－B合金10～30份，石墨粉0～1.5份，Cr粉0～15份，Ni鎳粉0～10份，Cr
文檔編號(hào)C23D3/00GK101050123SQ20071010761
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者劉福田, 陳啟祥, 孫衛(wèi)華, 李文虎, 趙正, 黃巍嶺, 李兆前 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué), 濟(jì)南鋼鐵股份有限公司