本发明涉及一种低碳钢表面复相涂层及其制备方法，具体涉及一种含有马氏体和残余奥氏体的复相涂层组织及其制备方法，属于金属材料表面处理领域。
背景技术：
随着现代工业技术的迅猛发展，在某些特殊环境下大量使用钢铁材料，这就对材料的强度和使用寿命等性能有了更高的要求。提高钢铁材料强度等性能的传统方法主要是通过提高合金化水平来实现的，但高合金化会消耗大量的稀有金属资源，而且其生产工艺复杂需要进行热处理，同时还存在能源消耗高、环境污染严重、材料成本高以及回收再利用困难等一系列问题。因此，必须寻找其他新工艺来提高钢材的性能以适应现代化生产的需要。
低碳钢是一种重要的结构材料，被广泛应用于各种化学、物理等领域。然而，低碳钢本身的性能和缺陷往往不能满足人们的需求，如低碳钢表面活性较高、容易腐蚀、硬度低、耐磨性差等缺陷，很大程度上限制了其在许多有较高要求领域上的应用。为解决这些问题，改善低碳钢的表面性能，科研工作者们采用了各种手段进行表面改性处理，如基体表面覆盖技术、钝化处理、化学转化处理、电沉积等。这些改性的方法基本都是在低碳钢表面制备一层具有特定性质的合金层或复合沉积层。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利 201310383562.4，公开了一种提高低碳钢氮化产品硬度的冷却方法，其特征是：将软氮化后垫片浸入碱水冷却，细化氮化层组织，提高氮化层硬度。根据实验所述碱水的温度为20-60℃，浓度为10%，冷却时间10min时效果最好。该发明不仅提高了表面的压应力，还改善产品氮化层组织，提高了产品的硬度。中国专利201510458883.5，公开一种在低碳钢件表面制备Ni-WC涂层的方法，该发明的特点是在碳钢表面进行喷丸处理后，采用等离子体融化Ni-WC粉末，在材料表面形成厚度为2-5mm的涂层。涂层和基体之间形成了冶金结合，具有很高的显微硬度和优异的抗摩擦磨损性能。检索中还发现，中国专利201310554544.8，公开了一种基于纳米技术在低碳钢表面制备Ni-Cr-Al涂层的方法，在高温H2还原气氛下，纳米Ni2O3被H2还原生成具有较高的活性的Ni原子。它们部分与纳米Cr发生反应在金属表面生成新Ni-Cr-Al相，该涂层致密度和均匀性都很高，显著提高了低碳钢的耐腐蚀性能、硬度和耐磨性。
虽然以上专利公开了在低碳钢表面提高硬度及耐磨性的一些方法，但是涂层和基体的结合强度还不够好，而且界面存在好多缺陷，表面涂层很容易脱落，没有从根本上解决低碳钢表面性能的问题。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种低碳钢表面复相涂层及其制备方法，主要是在低碳钢表面制备一层强度高、韧性好，含有纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体组织的复相涂层，在低碳钢表面通过渗碳处理后，再经过回火和碳分配处理，得到高耐磨性能的表面组织。
本发明提供了一种低碳钢表面复相涂层，是含有纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体组织的复相涂层，具体包括下列重量百分比的元素：
C: 0.11-0.25%
Si: 1.5-2.3%
Mn: 1.7-2.9%
Cr: 1.9-3.2%
Al：1.2-2.6%
Nb：0.021-0.053%
Graphene：0.05-0.2%
P：≤ 0.01%，
S：≤ 0.01%
其余为 Fe。
本发明提供了上述低碳钢表面复相涂层的制备方法，首先利用球磨法制备涂层原料且在碳钢表面进行感应熔覆，然后通过渗碳处理后，再经过回火和碳分配处理的方法，具体包括以下步骤 ：
第一步，将上述设计的元素组成按比例混合后进行球磨，转速为200-300r/min，球磨时间为1-3h；
第二步，将球磨好的粉末进行感应熔覆：
以水玻璃为粘结剂，将之前混合好的粉末均匀的涂覆于低碳钢基体的表面，得到厚度为1-2mm的预制涂层；将预制涂层置于100-200℃鼓风干燥箱中保温1.5-2h，使粘结剂充分挥发；干燥结束后置于感应熔覆设备中，在温度为1000-1200℃进行感应熔覆，感应熔覆时间为30-60s，熔覆电流为260A~320A，震荡频率为20~60KHz；
最终得到理想的熔覆涂层；
第三步，再将钢以30-50℃/s的速度加热到850-950℃，进行等温20-50min，再以50-100℃/s的速度冷却到室温；
第四步，然后在750-950℃进行表面渗碳，渗碳时间为1-20h，渗碳过程中通入氮气或惰性气体作为保护气氛；所述保护气氛的通入量为0.6～1.0l/min；
第五步，以50-90℃/s的速度快速淬火到Ms-5℃～Ms-10℃的温度，保持3～10s；
第六步，然后在回火温度进行碳分配，碳分配时间为10-600s；使低碳钢表面生成纳米贝氏体和残余奥氏体组织，其硬度进一步提高；所述回火温度为300-500℃；
第七步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定的纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体的表面复相组织。
本发明首先在低碳钢表面通过渗碳处理后，再经过回火和碳分配处理，得到高耐磨性能的表面组织。使钢淬火到Ms-5℃～Ms-10℃的温度，再进行碳分配处理，这样更有利于钢表面纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体的稳定性。通过添加微量的石墨烯，优化了低碳钢的成分设计，使表层显微组织与基体显微组织结合更为致密，所制备的钢表层硬度和耐磨性得到了大幅度的提升，扩大了低碳钢的应用范围。
本发明的有益效果：本发明获得低碳钢表面复相涂层的工艺简单，而且低合金化成本低廉，具有工业实际应用的广泛前景。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1
第一步，将以下组分：
C: 0.12%；Si: 2.0%；Mn: 1.7%；Cr: 2.5%；Al：2.3%；Nb：0.033%；Graphene：0.05%；P：0.006%；S：0.008%，其余为 Fe。
按比例混合后进行球磨，转速为220r/min，球磨时间为1.5h；
第二步，将球磨好的粉末进行感应熔覆，以水玻璃为粘结剂，将之前混合好的合金粉末均匀的涂覆于低碳钢基体的表面，得到的厚度为1.3mm的预制涂层。再将预制涂层置于200℃鼓风干燥箱中保温1.6h，使粘结剂充分挥发。干燥结束后置于感应熔覆设备中，在温度为1000℃进行感应熔覆，熔覆电流为260A，熔覆时间为50s，震荡频率为30KHz；最终得到理想的熔覆涂层。
第三步，再将钢以45℃/s的速度加热到900℃温度，进行等温20min，再以60℃/s的速度冷却到室温；
第四步，然后在800℃进行表面渗碳，渗碳时间为10h，整个渗碳过程要以氮气为气氛保护中进行；
第五步，以90℃/s的速度快速淬火到Ms-5℃～Ms-10℃的温度，保持4s；
第六步，然后在回火温度300-350℃进行碳分配，碳分配时间为80s。使低碳钢表面生成纳米贝氏体和残余奥氏体组织，其硬度进一步提高。
第七步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定的纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体的表面复相组织。
对本实施例所得的涂层进行性能检测，所获得的涂层硬度为261HV，摩擦系数为0.229。
实施例2
第一步，将以下组分：
C: 0.15%；Si: 1.9%；Mn: 2.8%；Cr: 2.9%；Al：1.5%；Nb：0.041%；Graphene：0.1%；P：0.007%；S：0.006%，其余为 Fe。
按比例混合后进行球磨，转速为240r/min，球磨时间为2h；
第二步，将球磨好的粉末进行感应熔覆，以水玻璃为粘结剂，将之前混合好的合金粉末均匀的涂覆于低碳钢基体的表面，得到的厚度约为1.7mm的预制涂层。再将预制涂层置于180℃鼓风干燥箱中保温1.7h，使粘结剂充分挥发。干燥结束后置于感应熔覆设备中，在温度为1100℃进行感应熔覆，熔覆电流为300A，熔覆时间为40s，震荡频率为50KHz，最终得到理想的熔覆涂层。
第三步，再将钢以48℃/s的速度加热到950℃温度，进行等温30min，再以90℃/s的速度冷却到室温；
第四步，然后在750℃进行表面渗碳，渗碳时间为6h，整个渗碳过程要以氮气为气氛保护中进行；
第五步，以70℃/s的速度快速淬火到Ms-5℃～Ms-10℃的温度，保持6s；
第六步，然后在回火温度350-400℃进行碳分配，碳分配时间为150s。使低碳钢表面生成纳米贝氏体和残余奥氏体组织，其硬度进一步提高。
第七步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定的纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体的表面复相组织。
对本实施例所得的涂层进行性能检测，所获得的涂层硬度为272HV，摩擦系数为0.202。
实施例3
第一步，将以下组分：
C: 0.23%；Si: 1.6%；Mn: 2.1%；Cr: 3.2%；Al：1.2%；Nb：0.050%；Graphene：0.2%；P：0.009%；S：0.007%，其余为 Fe。
按比例混合后进行球磨，转速为260r/min，球磨时间为2.5h；
第二步，将球磨好的粉末进行感应熔覆，以水玻璃为粘结剂，将之前混合好的合金粉末均匀的涂覆于低碳钢基体的表面，得到的厚度约为1.9mm的预制涂层。再将预制涂层置于130℃鼓风干燥箱中保温2h，使粘结剂充分挥发。干燥结束后置于感应熔覆设备中，在温度为1200℃进行感应熔覆，熔覆电流为320A，熔覆时间为55s，震荡频率为60KHz，最终得到理想的熔覆涂层。
第三步，再将钢以50℃/s的速度加热到850℃温度，进行等温40min，再以50℃/s的速度冷却到室温；
第四步，然后在850℃进行表面渗碳，渗碳时间为15h，整个渗碳过程要以氮气为气氛保护中进行；
第五步，以80℃/s的速度快速淬火到Ms-5℃～Ms-10℃的温度，保持8s；
第六步，然后在回火温度400-450℃进行碳分配，碳分配时间为500s。使低碳钢表面生成纳米贝氏体和残余奥氏体组织，其硬度进一步提高。
第七步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定的纳米贝氏体、马氏体和残余奥氏体的表面复相组织。
对本实施例所得的涂层进行性能检测，所获得的涂层硬度为280HV，摩擦系数为0.169。