专利名称：一种TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法
技术领域：
本发明属于表面工程及耐磨材料领域，涉及TIG弧熔化粉芯丝材制备TiB2金属陶瓷耐磨涂层的方法。
背景技术：
TiB2具有高熔点、高硬度、低密度、耐磨性好、高的抗化学腐蚀性等诸多优异性能，是Cr3C2、WC的替代耐磨材料，已成为表面改性研究的热点材料，广泛应用于航空航天、武器装备、冶金、刀具等领域。但TiB2的脆性大，应用受限制。将TiB2的高强度与金属/合金的高韧性结合起来形成TiB2金属陶瓷复合材料是解决TiB2材料脆性获得高韧高耐磨材料的有效途径之一。
目前TiB2金属陶瓷涂层常采用电弧喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂以及等离子转移弧表面堆焊、激光熔覆工艺等技术制备。然而由于热喷涂工艺的固有特性，其涂层呈片层结构，片层间结合力低，涂层与基材的结合方式主要是机械结合和物理结合，结合强度不高，喷涂工艺过程中TiB2还易与被高速射流卷入的氧反应等一些不利因素存在；激光熔覆涂层虽然是冶金结合方式，且易获得细晶的涂层微观组织，但所需设备较昂贵；等离子转移弧表面堆焊热流大，熔池温度高，堆焊层热应力大，易形成热裂纹。TIG弧是高密度能源，设备成本低，熔池是在氩气气氛下快速冷却与凝固，氧化程度低，易获得细晶的凝固组织，而获得高力学性能的涂层材料。TIG弧广泛应用于金属材料的硬面堆焊。TIG焊接方法在专利90109398. X，03134043. 1，200510081723. X中都有详细记载，本发明不再獒述。金属陶瓷复合材料的研究表明，I)陶瓷颗粒作为金属基体的强化相，其含量、粒度、分布，尤其是与金属基体相间的界面关系影响金属陶瓷复合材料的力学性能。与陶瓷颗粒外加式制备工艺相比，采用内生陶瓷颗粒的原位合成工艺则能获得陶瓷颗粒强化相与金属基体相间洁净的界面；2)高耐磨金属陶瓷复合材料不仅要求强化相的硬度高，基体相韧性好，也要求基体相的硬度与强化相的硬度进行合理的匹配，否则基体相不耐磨，引起硬质相脱落，降低耐磨性。因而在TIG弧熔化粉芯丝材制备TiB2金属陶瓷涂层的工艺中，TiB2的前驱物在TIG弧熔池中反应合成TiB2硬质颗粒，作为强化相，通过在粉芯填充粉末中添加一定含量的铬、镍、娃、猛元素，溶于钢的组织中，在熔池快速冷却条件下，形成合金铁素体、合金珠光体和合金渗碳体，从而强化钢的组织_TiB2金属陶瓷复合材料的基体相；电弧吹力对熔池产生的搅拌作用，抑制反应生成的TiB2晶粒长大并驱使其在熔池中分散，熔池快速冷却凝固后，凝固组织细小，Τ Β2颗粒分布较均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、质量好、高韧高耐磨的TIG弧熔化粉芯丝材制备TiB2金属陶瓷耐磨涂层的方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案—种TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤
(I)将微米级钛铁粉或海绵钛粉与硼铁粉或无定形硼粉按下列方程式中钛、硼元素质量比配制TiB2的前驱物；Τ +2Β = Τ Β2(2)将配制的TiB2的前驱物与含Cr、Ni、Mn、Si元素的金属粉末或其合金粉末混合，Cr、Ni、Mn、Si元素的质量百分含量不超过10%。混合后置于球磨罐中，在无水乙醇介质中球磨2 3小时，低于100°C下烘干，作为粉芯丝材的填充物；(3)选用规格为IOmmXO. 3mm的304或08F钢带作为外皮，在药芯焊丝成型机上轧制成直径为2. 8mm 3. Omm的粉芯丝材,粉末填充系数控制在18% 26% ；(4)采用TIG焊接法在碳钢基材上熔化所制备的粉芯丝材，形成TiB2金属陶瓷涂层。所述TiB2前驱物的粉末粒度小于200目，钛质量百分数不低于40 %的钛铁粉或海 绵钛粉，硼质量百分数不低于20%的硼铁粉或无定形硼粉；所述金属粉末或合金粉末可以选用粒度小于200目的铬粉、镍粉或铬铁合金粉、镍铬合金粉以及娃铁粉或稀土娃铁粉与猛铁粉，其在粉芯丝材的填充粉中Cr、Ni、Mn、Si元素所占质量百分比低于10% ；所述TIG焊接法中，TIG弧熔覆工艺可采用自动、半自动TIG弧焊工艺或手工TIG弧焊工艺；TIG弧电流为90A 120A，粉芯丝材与焊炬夹角为100° 130°，焊炬与碳钢基材的夹角为60° 75。，粉芯丝材置于焊炬移动方向前，焊炬移动速度为2 4mm/s。显然，为了获得高耐磨的TiB2金属陶瓷涂层，本发明采用了如下工艺措施(I)海绵钛粉和无定形硼粉分别用于调节反应前驱物中Ti、B含量及在粉芯丝材填充粉中所占比例；(2)在粉芯丝材填充粉中添加质量百分数小于10%的铬、镍、硅、锰的合金元素，调控所制备的涂层金属基体物相；(3)粉芯丝材制备过程中控制粉末填充系数为18% 26% ;(4)TIG弧熔覆工艺中，通过调节电弧电流、运弧速度以及粉芯丝材与焊炬夹角、焊炬与碳钢基材的夹角等工艺参数，调节熔池体积，从而调节TiB2在熔覆涂层中所占比例以及合金元素的含量。本发明采用TIG弧熔化包含TiB2前驱物的粉芯丝材，在碳钢表面原位合成TiB2金属陶瓷涂层。通过控制粉芯丝材的粉末填充系数为18% 26%，铬、镍、硅、锰的合金粉在粉芯丝材填充粉中添加质量百分数小于10%，以及控制TIG弧熔覆工艺参数，获得的Τ Β2金属陶瓷涂层中TiB2体积百分含量达到15% 60%，涂层硬度HB380 780。
图I为本发明制备的TiB2体积百分含量为35. 6%的TiB2金属陶瓷涂层微观组织图；图2为本发明制备的TiB2体积百分含量为52. 4%的TiB2金属陶瓷涂层微观组织图；图中，其中黑色颗粒表示为TiB2。
具体实施例方式实施例I :(I)分别取粒度为300目 200目，含Ti为40wt. %的钛铁粉，粒度为300目 200目含B为20wt. %的硼铁粉，平均粒度为2μπι的无定形硼粉，按质量百分比约为5:5: I进行配料，总量为200g;再按加入6g的铬粉、3g的镍粉、15g的55锰铁、12g的75硅铁。置于球磨罐中，无水乙醇作为球磨介质，以300r/min的转速球磨2小时，风干后，置于加热炉中80°C烘干，作为粉芯丝材的填充粉；(2)在药芯焊丝成型机上轧制粉芯丝材。取规格为IOmmXO. 3mm的304钢带，调整加粉系数为20*%，拉拔减径至2. 8mm ；(3)手工TIG弧焊制备TiB2金属陶瓷涂层。规格为200mmX IOOmmX IOmm的45碳钢经砂纸打磨、稀盐酸清洗后作为基材，调整粉芯丝材与焊炬夹角为100°、焊炬与基材的夹角为60°、焊炬移动速度为3mm/s、TIG弧电流为100A、电压12V、氩气流量201/min，相邻
焊道搭接1/4。上述所制备的TiB2金属陶瓷涂层，经Image图像软件分析TiB2颗粒的体积百分含量为34. 7%，用布氏硬度仪测试硬度为HB460，按GB 12444. 2-1990，采用环块摩擦磨损试验，其耐磨性高于铬系低合金耐磨钢。实施例2 (I)分别取粒度为300目 200目的海绵钛粉，粒度为300目 200目含B为20wt. %的硼铁粉，平均粒度为2μπι的无定形硼粉，按质量百分比约为5 8 I进行配料，总量为200g ;再按加入6g的铬粉、5g的镍粉、IOg的55锰铁、12g的75硅铁。置于球磨罐中，无水乙醇作为球磨介质，以300r/min的转速球磨2小时，风干后，置于加热炉中80°C烘干，作为粉芯丝材的填充粉；(2)在药芯焊丝成型机上轧制粉芯丝材。取规格为IOmmXO. 3mm的304钢带，调整加粉系数为25%,拉拔减径至3_ ；(3)半自动TIG弧焊制备TiB2金属陶瓷涂层。规格为200mmX IOOmmX IOmm的45碳钢经砂纸打磨、稀盐酸清洗后作为基材，调整粉芯丝材与焊炬夹角为120°、焊炬与基材的夹角为72°、焊炬移动速度为3mm/s、TIG弧电流为120A、电压12V、氩气流量201/min，相邻焊道搭接1/4。上述所制备的TiB2金属陶瓷涂层，经Image图像软件分析TiB2颗粒的体积百分含量为52. 5%，用布氏硬度仪测试硬度为HB710，按GB 12444. 2-1990，采用环块摩擦磨损试验，其耐磨性高于马氏体耐磨钢。本发明采用TIG弧熔化包含TiB2的前驱物及Cr、Ni、Mn、Si合金的粉芯丝材，利用TiB2在熔池中原位合成，形成金属与TiB2结合致密的TiB2金属陶瓷涂层。所获得的涂层中TiB2体积百分含量达到15% 60%，涂层硬度HB380 780。上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
权利要求
1.一种TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤 (1)将微米级钛铁粉或海绵钛粉与硼铁粉或无定形硼粉按下列方程式中钛、硼元素质量比配制TiB2的前驱物；Ti+2B = TiB2 (2)将配制的TiB2的前驱物与含Cr、Ni、Mn、Si元素的金属粉末或其合金粉末混合，混合后置于球磨罐中，在无水乙醇介质中球磨2 3小时，低于100°C下烘干，作为粉芯丝材的填充物； (3)选用规格为IOmmXO.3mm的304或08F钢带作为外皮，在药芯焊丝成型机上轧制成直径为2. 8mm 3. Omm的粉芯丝材，粉末填充系数控制在18% 26% ; (4)采用TIG焊接法在碳钢基材上熔化所制备的粉芯丝材，形成TiB2金属陶瓷涂层。
2.根据权利要求I所述的TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征是TiB2前驱物的粉末粒度小于200目，钛质量百分数不低于40 %的钛铁粉或海绵钛粉，硼质量百分数不低于20%的硼铁粉或无定形硼粉。
3.根据权利要求I所述的一种TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征是在粉芯丝材的填充粉中，所述Cr、Ni、Mn、Si元素所占质量百分含量不超过10% ;所述含Cr、Ni、Mn、Si元素的金属粉末或其合金粉末的粒度小于200目。
4.根据权利要求I所述的一种TiB2金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征是TIG焊接法中，TIG弧熔覆工艺可采用自动、半自动TIG弧焊工艺或手工TIG弧焊工艺；TIG弧电流为90A 120A，粉芯丝材与焊炬夹角为100° 130°，焊炬与碳钢基材的夹角为60° 75°，粉芯丝材置于焊炬移动方向前，焊炬移动速度为2 4mm/s。
全文摘要
本发明提供一种高韧高耐磨TiB2金属陶瓷涂层的制备方法，采用TIG弧熔化包含TiB2的前驱物及Cr、Ni、Mn、Si合金的粉芯丝材，利用TiB2在熔池中原位合成，形成金属与TiB2结合致密的TiB2金属陶瓷涂层。所获得的涂层中TiB2体积百分含量达到15％～60％，涂层硬度HB380～780。
文档编号B23K35/34GK102699495SQ20111044642
公开日2012年10月3日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者于峰, 张海丰, 李岚, 李洪波, 潘威旭, 程汉池, 艾春光 申请人:佳木斯大学