铲齿及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的复合铲齿及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合铲齿及其制备方法，具体涉及一种应用于低合金高强度结构钢表面的耐磨碳化物涂层复合铲齿及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着工业技术的发展，耐磨材料的服役工况越来越严酷，大型、高效破碎设备要求耐磨材料能承受强冲击和高应力，并能安全、长期服役，因此铸造耐磨材料的强韧性和耐磨性涉及到部件能否安全、长期服役，是耐磨材料研宄领域的永远追求的目标。
[0003]近年来，为了提高铲齿的使用寿命，各国在铲齿材料的研制、开发方面作了大量工作，铲齿材料由初期的单相奥氏体锰钢(Mnl3)发展为改进型的高锰钢、中、低碳多元合金钢，强韧白口铸铁也取得了较大成果。然而仅仅提高铲齿基体材料的硬度仍然不足以保证其服役的持久性，因此在其工作部位增加涂层是解决该问题既经济又有效的手段。现阶段使用较多的为碳化物材料的涂层，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中VCp是一种常见的涂层材料，其有如下特点特性:
[0004](I)具备密度低、强度高、弹性模量高、抗氧化、耐磨、耐腐蚀等优异的物理化学性會K ;
[0005](2)烧结过程中长大倾向小，颗粒一般呈圆形，是一种较为理想的增强材料；
[0006](3)钒资源丰富，容易获得，价格比较低廉，碳化钒在金属基复合材料中获得普遍应用；
[0007](4)具有很高的热稳定性和高硬度的面心立方结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常接近，这便于更好地与钢铁基体结合；
[0008](5) VCp的标准生成焓Λ G C1值低，其合成反应易于进行；
[0009](6) VCp涂覆的钢铁基复合材料除了硬度高、耐磨性好外，可切削加工、锻造、焊接、热处理强化且变形小，而且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。因此，VCp涂层材料被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件的耐磨表面。
[0010]目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但是这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0011]因此如何在铲齿工作表面获得VCp涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0012]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种铲齿，其齿前端工作部位的表面具有一种耐磨涂层，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合铲齿的制备方法。
[0013]进一步地，本发明还提供一种铲齿，其齿前端工作部位的表面具有一种梯度复合涂层，其优选被涂覆于齿前端基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是低合金高强度结构钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0014]所述伊^齿，在其齿前端工作部位具有耐磨碳化物涂层。从而有利保证齿前端工作部位具有很高的硬度和很好的耐磨性，而齿身部分具有很好的韧性。
[0015]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0016]一种铲齿，其齿前端工作部位的表面具有耐磨涂层，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0017]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为9-23 μ m，优选为12_20μπι，更优选为15-20 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0018]此外，本发明还提供一种铲齿，其齿前端工作部位的表面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
[0019]优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0020]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为9-23 μ m，优选为12-20 μ m，更优选为15-20 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0021]进一步优选地，沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为17-88 μπι，优选为40-80 μ m，更优选为60-80 μ m ;优选地，V8C7的体积分数大于70%，优选大于75% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-15 μm，优选为6-15 μm，更优选为8-15 μπι。
[0022]更进一步优选地，沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为126 μ m-1074 μ m，优选300-1050 μ m ;优选地，其中V8C7的体积分数为20% -85%，优选为50% -85% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-20 μ m，优选为10-20 μ m。
[0023]优选地，梯度复合涂层总厚度为152-1185 μm，优选在400-1180 μπι。
[0024]更优选地，铲齿基体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于低合金高强度结构钢表面。
[0025]本发明提供一种复合铲齿的制备方法，其齿前端工作部位的表面具有耐磨涂层，包括如下步骤:
[0026]I)先准备一钒板，优选的，其中钒的纯度应控制在99.7-99.9%;更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述I凡板先被加以表面处理；
[0027]2)按照铲齿尺寸制作铲齿模具，根据铲齿的工作受力状况，其主要磨损的部位是铲齿齿尖的上、下两个表面，据此将钒板固定在铲齿模具的齿尖的上、下两个表面，然后在钒板上固定外部碳源，使其与钒板紧密结合；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作铲齿模具；
[0028]3)按照铲齿尺寸制作砂型，每箱一个铲齿，二箱分型，将铲齿模具连同钒板和外部碳源一并置于砂型型腔中；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0029]4)将低合金高强度结构钢基材冶炼为钢液，优选地，温度控制在1500_1560°C ；
[0030]5)将上述钢液浇入上述放置有铲齿模具、钒板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得铲斗斗前臂牙床为低合金高强度结构钢基体，铲齿齿尖部分为低合金高强度结构钢与钒板的复合体；优选地，采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有铲齿模具、钒板和碳源的砂型内；优选地，浇注温度控制在1500-1560°C，浇注时间为10-60秒为宜；更优选地，一分钟后，在冒口补饶；优选地，室温冷却；
[0031]6)将浇铸完得到的铲齿复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在铲齿齿前端工作部位的表面形成耐磨涂层，而铲齿基体仍为合金钢基体。
[0032]其中，耐磨涂层为V2C致密陶瓷层。
[0033]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0034]本发明还提供一种复合铲齿的制备方法，其齿前端工作部位的表面具有梯度复合涂层，包括如下步骤:
[0035]I)先准备一钒板，优选的，其中钒的纯度应控制在99.7-99.9%;更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述I凡板先被加以表面处理；
[0036]2)按照铲齿尺寸制作铲齿模具，根据铲齿的工作受力状况，其主要磨损的部位是铲齿齿尖的上、下两个表面，据此将钒板固定在铲齿模具的齿尖的上、下两个表面，然后在钒板上固定外部碳源，使其与钒板紧密结合；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作铲齿模具；
[0037]3)按照铲齿尺寸制作砂型，每箱一个铲齿，二箱分型，将铲齿模具连同钒板和外部碳源一并置于砂型型腔中；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0038]4)将合金钢基体冶炼为钢液，优选地，温度控制在1500_1560°C ；
[0039]5)将上述钢液浇入上述放置有铲齿模具、钒板和碳源的砂型内，待金属液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得铲斗斗前臂牙床为低合金高强度结构钢基体，铲齿齿尖部分为低合金高强度结构钢与钒板的复合体；优选地，采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有铲齿模具、钒板和碳源的砂型内；优选地，浇注温度控制在1500-1560°C，饶注时间为10-60秒为宜；更优选地，一分钟后，在冒口补饶；优选地，室温冷却；
[0040]6)将浇注完得到的铲齿复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在铲齿齿前端工作部位的表面形成梯度复合涂层，而铲齿基体仍为合金钢；<