专利名称：一种碳钢表面耐磨涂层的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明叙述了一种碳钢表面耐磨涂层的制备方法，具体地讲，本发明叙述了一种通过高温气压自蔓延反应方法在碳钢表面获得Ni3Al-Cr7C3复合材料耐磨涂层的制备方法。
普通碳素钢耐磨性能较差，通常通过对其表面的强化或形成耐磨涂层来提高其耐磨特性。这些传统的方法有PVD,CVD，表面化学热处理，热喷涂，激光表面熔覆等。但这些方法都存在工艺复杂，生产周期长，成本高或设备要求高等缺点。
高温自蔓延反应方法是最近发展起来的一种制备金属间化合物，金属陶瓷，陶瓷的工艺简单的具有巨大潜在应用前景的高技术方法。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，利用高温自蔓延反应所释放的巨大化学能，完成涂层材料的制备及其涂层的获得的冶金过程，提供一种将涂层材料的制备及其涂层的获得结合为一体的涂层制备方法。从而形成了一种工艺简单，成本低廉，生产周期短的在碳钢表面制备耐磨涂层的制备方法。
在配方上，本发明选用镍铝金属间化合物为复合材料涂层的基体，加入碳化铬作为增强相，这两种相都是通过利用所设计的化学反应而得到，设计的化学反应的反应式如下。依靠金属间化合物保证涂层与底材间联结良好及使涂层具有一定的韧性，通过碳化铬硬质相增强基体来提高涂层的耐磨性。
(1)(2)在工艺上，本发明采用了高温自蔓延反应方法，利用了化学反应所释放的高热量及反应产物间的密度差迅速地完成了具有高纯度的涂层材料的生成及其与杂质相间的分离，同时完成了涂层与底材间形成结合牢固的冶金结合的冶金过程，通过通入高压气体加压，提高了涂层的致密度及改善了涂层的微观组织。
本发明的具体制备过程是按选定的化学反应式的化学计量比分别称取镍、铝；三氧化二铬、三氧化铬、活性碳粉状反应物料；将其装入混料机进行机械预混5～8小时。底材采用45#钢，在铺设反应物料之前底材经超声波清洗。底材表面铺设Ni粉作为润湿相物质，按Cr-C系列反应物，Ni-Al反应物，Ni粉在底材表面由上到下的顺序铺设反应物料及润湿物质。而后将堆放好的系列反应物料在模具内经18MPa的压力预压为反应胚体。在反应容器中，然后，将物料加热之250℃，在此温度下保温去气1-2小时。将反应物料加热至350℃并通过引燃剂引发自蔓延反应，其中引燃剂由铝、硫酸盐、硝酸盐组成，通入5-10MPa高压氩气并保压15-30分钟以提高涂层的致密度，反应完成后，涂层随反应容器空冷至室温，将涂层表面杂质去除(主要是Al2O3相)。经观察、分析、低材表面形成了3～4mm厚的高纯度的微观组织致密良好的Ni3Al-Cr7C3复合材料耐磨涂层。
本发明的Ni3Al-Cr7C3复合材料耐磨涂层各组分的最佳含量是(重量百分比)Ni:61.9～72.3,Al:9.5～11.1,Cr:15.2～26.0,C:1.5～2.5。
为了更好的理解本发明通过附图进行说明附
图1为反应器及反应物的堆放形式示意图压力表-1，反应器-2，底材-3，坩埚-4，引燃剂-5，反应物-6，进气口-7，出气口-8。
本发明从化学冶金及摩擦学原理出发，利用高温自蔓延反应方法制备Ni3Al-Cr7C3复合材料耐磨涂层。可在较宽范围内调整各组元的配比，以调整材料的综合量来控制涂层的耐磨性能。涂层的显微硬度及磨损性能列于表1。
表1本发明的涂层的显微硬度及磨损性能
硬度是在AVKSHI MVK-1硬度计上测定的，载荷15N，加载速度0.034mm/sec，加载持续时间30s。
磨损实验是在球-盘式SRV微动摩擦磨损试验机上进行的，盘为本发明的涂层材料，尺寸为φ24×8毫米，对偶为φ10毫米的GCr15钢球。用液体石蜡油进行润滑，负载250N，振幅1mm，频率25Hz，运转时间30分钟，在相同条件下测得的GCr15轴承钢的磨损率为17.4×10-17米3/牛顿·米。与表1的数据对比可得出本发明的耐磨涂层的磨损率比轴承钢降低4～7倍。
另外，本发明涂层性能的离散度不大于5％，说明材料的性能重现性是好的。涂层的纯度高，微观结构致密均匀，涂层与底材间呈良好的冶金结合。
实施例1按表2的配方称取镍、铝、氧化铬、三氧化铬、活性碳各组元，将所对应的两种反应式的反应物在混料机中进行预混，预混时间6小时，底材采用45#钢经超声波清洗。在底材表面铺设镍粉作为润湿相物质，按铬-碳系列反应物料、镍-铝反应物料、润湿层由上到下的次序将反应物料堆放，然后装入模具中进行预压，预压压力为15MPa。将预压好的反应胚体入反应容器中加热去气，加热至250℃，并保温1小时，然后再加热至350℃，利用引燃剂引发反应，同时通入7MPa氩气加压。反应完成后涂层随反应容器空冷至室温，去除涂层表面的杂质，得到了3-4mm厚的涂层材料，其中Cr7C3含量为23.07％，Ni3Al含量为76.923％，硬度5.15GPa，磨损率为2.80×10-17(米3/牛顿·米)。
实施例2按配方镍57.84、铝19.66、三氧化二铬5.06、氧化铬16.67、活性碳1.2。涂层材料中Cr7C3含量为16.67％,Ni3Al含量为83.33％其它制备过程及工艺同实施例1，涂层硬度4.34GPa，磨损率为4.27×10-17(米3/牛顿·米)。
实施例3按配方镍53.39、铝20.67、三氧化二铬5.85、氧化铬19.24、活性碳1.38。涂层材料中Cr7C3含量为20.00％,Ni3Al含量为80.00％其它制备过程及工艺同实施例1，涂层硬度4.58GPa，磨损率为3.7×10-17(米3/牛顿·米)。
实施例4按配方镍46.27、铝22.22、三氧化二铬7.09、氧化铬23.33、活性碳1.68。涂层材料中Cr7C3含量为25.93％,Ni3Al含量为74.07％，其它制备过程及工艺同实施例1，涂层硬度5.40GPa，磨损率为2.64×10-17(米3/牛顿·米)。
表2
实施例5按配方镍43.38、铝22.87、三氧化二铬7.60、氧化铬25.00、活性碳1.80。涂层材料中Cr7C3含量为28.57％,Ni3Al含量为71.43％，其它制备过程及工艺同实施例1，涂层硬度5.67GPa，磨损率为2.56×10-17(米3/牛顿·米)。
权利要求
1.一种碳钢表面耐磨涂层的制备方法，采用高温气压自蔓延反应合成方法制备，其特征在于(1)．按所采用的化学反应式的化学计量比分别称取镍、铝；三氧化二铬、三氧化铬、活性碳各组元，所采用的化学反应式为(2)．在碳钢底材表面铺设Ni粉作为润湿相物质，按Cr-C系列反应物，Ni-Al反应物，Ni粉在底材表面由上到下的顺序铺设后进行预压，压力为18MPa；(3)．在反应器中将物料加热至250℃时，保温去气1-2小时；(4)．继续将物料加热至350℃，通过引燃剂引发自蔓延反应，通入氩气，在5-10MPa压力下保压10-30分钟，其中引燃剂由铝、硫酸盐、硝酸盐组成；(5)．涂层随反应容器自然冷却至室温，将涂层表面杂质去除，涂层厚度为3～4mm。
2.如权利要求书1所述的制备方法，耐磨涂层的具体配方如下重量百分数含量Ni61.9～72.3Al9.5～11.1Cr15.2～26.0C 1.5～2.全文摘要
通过选用特定的化学反应、润湿层物质及物料的有序堆放,采用高温气压自蔓延反应方法在普通碳素结构钢表面制备了Ni
文档编号B22F7/04GK1221045SQ9712340
公开日1999年6月30日 申请日期1997年12月25日 优先权日1997年12月25日
发明者喇培清, 白明武, 薛群基, 刘维民 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所