耐磨碳化物涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐磨碳化物涂層及其制備方法，尤其涉及一種復(fù)合耐磨碳化物涂層及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的復(fù)合耐磨碳化物涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化物材料具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)，以涂層方式覆蓋在金屬合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。其中TiC是一種常見的涂層材料，其有如下特性:
[0003](I)具備密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、抗氧化、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)性會(huì)K ;
[0004](2)燒結(jié)過(guò)程中長(zhǎng)大傾向小，顆粒一般呈圓形，是一種較為理想的增強(qiáng)材料；
[0005](3)鈦資源豐富，容易獲得，價(jià)格比較低廉，碳化鈦在金屬基復(fù)合材料中獲得普遍應(yīng)用；
[0006](4)具有很高的熱穩(wěn)定性和高硬度的面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)和晶格類型與奧氏體非常接近，這便于更好地與鋼鐵基體結(jié)合；
[0007](5) TiC的標(biāo)準(zhǔn)生成焓Λ Gtl值低，其合成反應(yīng)易于進(jìn)行；
[0008](6) TiC涂覆的鋼鐵基復(fù)合材料除了硬度高、耐磨性好外，可切削加工、鍛造、焊接、熱處理強(qiáng)化且變形小，而且具有普通熔煉鋼的冷熱加工性能。
[0009]因此，TiC涂層材料被廣泛地用作無(wú)肩冷熱金屬加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件的耐磨表面。
[0010]目前制備碳化物涂層的方法有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、熱噴涂方法、熱滲鍍方法等，但是這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度低等不足。
[0011]因此如何獲得TiC碳化物相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的冋題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨碳化物涂層，該耐磨碳化物涂層為TiC致密陶瓷層，具有良好的硬度，并且進(jìn)一步地，提供一種用于獲得耐磨碳化物涂層的制備方法。
[0013]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供一種耐磨碳化物涂層，其為梯度復(fù)合涂層，其優(yōu)選被涂覆于金屬基體表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，特別是碳鋼表面，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0014]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0015]一種耐磨碳化物涂層，該耐磨碳化物涂層為TiC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0016]更優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μ m ;優(yōu)選地，TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%;優(yōu)選地，TiC晶粒尺寸為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m。
[0017]此外，本發(fā)明還提供一種耐磨碳化物涂層，其為梯度復(fù)合涂層包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融合層。
[0018]優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0019]優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層的縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μ m ;優(yōu)選地，TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%;優(yōu)選地，TiC晶粒尺寸為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選地，沿微米TiC陶瓷層的縱向剖面，其厚度為50-150 μ m，優(yōu)選為70-150 μ m，更優(yōu)選為80-150 μ m ;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%，其晶粒尺寸為5-15 μ m，優(yōu)選為6-12 μ m，優(yōu)選為8-10 μ m。
[0021]更進(jìn)一步，沿TiC與金屬基體的融合層縱向剖面，其厚度為50-200 μπι，優(yōu)選為100-200 μ m;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)為20 %，優(yōu)選為80 %，其晶粒尺寸為1_10μπι，優(yōu)選為2-8 μ m0
[0022]優(yōu)選地，梯度復(fù)合涂層總厚度為170-550 μ m ;優(yōu)選在300-550 μ m。
[0023]更優(yōu)選地，基體組織根據(jù)熱處理方式不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種；優(yōu)選地，該梯度復(fù)合涂層被施加于碳鋼表面。
[0024]所述碳鋼基體根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB221-79中規(guī)定，本發(fā)明中所使用碳鋼的的牌號(hào)分別為:Q275A、Q255AF、45 鋼、T12A、T8、ZG270-450 等。
[0025]本發(fā)明還涉及所述碳化物涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0026]I)、先準(zhǔn)備一鈦板；優(yōu)選地，其中鈦的純度控制在99.7-99.99%;更優(yōu)選地，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm。優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理。
[0027]2)、將金屬基材冶煉為金屬液。
[0028]3)、將上述金屬液澆入放置有上述鈦板的模具內(nèi)，冷卻后，獲得上部為金屬基體下部為鈦板的復(fù)合體。
[0029]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆碳源。
[0030]5)、將包覆碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，獲得耐磨碳化物涂層。
[0031]其中，耐磨碳化物涂層為TiC致密陶瓷層。
[0032]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟5)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該TiC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0033]本發(fā)明還提供一種耐磨碳化物涂層的制備方法，其為梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0034]I)、先準(zhǔn)備一鈦板；優(yōu)選地，其中鈦的純度控制在99.7-99.99%;更優(yōu)選地，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0035]2)、將金屬基材冶煉為金屬液；
[0036]3)、將上述金屬液澆入放置有上述鈦板的砂型內(nèi)，獲得上部為金屬基體下部為鈦板的復(fù)合體；
[0037]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆碳源；
[0038]5)、將包覆碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，在金屬基材表面形成梯度復(fù)合涂層；
[0039]6)所得的具有梯度復(fù)合涂層的金屬?gòu)?fù)合體被進(jìn)一步熱處理以獲得更合適的基體組織。優(yōu)選地，鈦板厚度為0.2mm-3mm。若小于0.2_，則鈦板在饒注復(fù)合過(guò)程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得TiC致密陶瓷層，直接生成彌散分布TiC顆粒；超過(guò)3mm則導(dǎo)致擴(kuò)散距離增大，反應(yīng)動(dòng)力不足。
[0040]優(yōu)選地，通過(guò)嚴(yán)格控制步驟5)中保溫溫度與時(shí)間的關(guān)系，獲得所述準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準(zhǔn)單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯(cuò)也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0041]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟5)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融合層。
[0042]更優(yōu)選地，保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式，
[0043]L = kTlogt1/2+b0
[0044]其中:
[0045]L——梯度復(fù)合涂層的總厚度(μ m)，
[0046]k——是常數(shù)，取值為0-1，k乒0，
[0047]T--保溫溫度(K)，
[0048]t 保溫時(shí)間(S)，
[0049]b0——初始厚度(μ m)，即金屬液澆注后與鈦板之間形成的復(fù)合層的厚度。
[0050]綜上，所述梯度復(fù)合涂層，包括TiC致密陶瓷層，硬度高。所述TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，原子的排列不像一般單晶那樣具有相同的晶格，但仍具有嚴(yán)格的順序，呈現(xiàn)出幾何排列；晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序。準(zhǔn)單晶相介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，準(zhǔn)單晶相的晶界明顯減少，位錯(cuò)密度低，有較多亞晶界，因此硬度有明顯提升；而較之單晶相，其對(duì)制備方式要求更低，且組織更為穩(wěn)定。
[0051]優(yōu)選地，本發(fā)明還提供一種碳鋼表面的碳化物涂層的制備方法，碳化物涂層為梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0052]I)、先準(zhǔn)備一鈦板，優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；優(yōu)選地，鈦的純度控制在99.7-99.99% ;優(yōu)選地，鈦板的厚度控制在0.2_3mm ；
[0053]2)、將碳鋼基材冶煉為鋼液；優(yōu)選地，溫度控制在1610_1630°C ；
[0054]3)、將上述鋼液澆入放置有上述鈦板的砂型內(nèi)，冷卻后，獲得上部為碳鋼基體下部為鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，饒注溫度控制在1610-1630°C ;更優(yōu)選地，饒注時(shí)間為40-50秒；優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)澆；
[0055]4)、將上述復(fù)合體外部整體包覆碳源；
[0056]5)、將包覆碳源的復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，在碳鋼表面形成梯度復(fù)合涂層；
[0057]6)所得的具有梯度復(fù)合涂層的碳鋼復(fù)合體被進(jìn)一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0058]優(yōu)選地，步驟5)中保溫溫度、保溫時(shí)間以及最