專利名稱：一種改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及鋼鐵表面涂層保護(hù)技術(shù)。特別提供 了一種改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法。
背景技術(shù)：
金屬磨損是造成機(jī)械零件失效的主要原因之一，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)
損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在失效的機(jī)械零件中，有75% 80%屬于磨損造成。 有資料表明美國每年由于磨損造成損失約為U20億美元，而我國約為 400億元。我國用于冶金、礦山、建材、電力等部門的破碎、制粉、排漿 等設(shè)備的易損件，每年消耗百萬噸以上。開發(fā)、研制、推廣新型抗磨材 料和先進(jìn)的耐磨鑄件生產(chǎn)工藝具有重要意義。
高鉻鑄鐵材料以其優(yōu)良的抗低應(yīng)力磨粒磨損性能、低廉的價(jià)格，正 越來越受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。高鉻鑄鐵中鉻、碳含量，變質(zhì)處理和熱處 理工藝等決定著高鉻鑄鐵里共晶碳化物的分布形態(tài)。當(dāng)鑄鐵的含鉻量超 過10%時(shí)，形成M7C3型碳化物，而不是在低鉻時(shí)形成的M3C型碳化物。
高鉻鑄鐵形成的M7C3型碳化物被奧氏體或是它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所包圍，分布
形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的桿狀、塊狀和顆粒狀，而不是一般白口鑄鐵中的連續(xù) 狀基體或是嚴(yán)重影響材料韌性的網(wǎng)狀。隨著Cr/C比的增加，共晶碳化物 的形貌經(jīng)歷了由連續(xù)網(wǎng)狀一片狀一桿狀連續(xù)程度減小的過程，共晶碳化 物晶體類型經(jīng)歷由M3C—M3C+M7C3—M7C3的變化過程。在高鉻鑄鐵中 加入稀土，能使As、 Bi、 Pb、 Zn、 Sn、 Sb等低熔點(diǎn)雜質(zhì)生成熔點(diǎn)較高的 二元或多元化合物，不溶于鐵液中而被除去，減少或消除這些夾雜物的有害影響；可以改變鑄鐵中碳化物的形狀、影響鑄鐵基體中滲碳體的數(shù) 量、細(xì)化鑄鐵的晶粒度，提高鑄鐵的強(qiáng)韌性。不同的熱處理工藝可以產(chǎn) 生不同的組織，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。
近二十年來，國內(nèi)外已廣泛將高鉻鑄鐵用于礦山、機(jī)械、電力、及
冶金等行業(yè)的備件上，如破碎機(jī)滾筒、襯板、錘頭、磨煤機(jī)輥套、磨球、 料斗、立磨磨輥及磨盤等均取得相當(dāng)成效。但是整體鑄造的高鉻鑄鐵由 于制造工藝上以及使用性能上的要求而受到限制。因此人們采用不同的 方法(如表面堆焊、鑄滲和熱噴涂等)將高鉻鑄鐵制成涂層。在運(yùn)用高鉻鑄 鐵焊材進(jìn)行堆焊修復(fù)及制造過程中由于只需要滿足部件表面使用性能上 的特殊要求抵抗低應(yīng)力磨粒磨損，可以將碳含量提高從而使硬度增加。
這是高鉻鑄鐵堆焊比高鉻鑄鐵鑄造優(yōu)越的地方。但是堆焊層的開裂，仍 是國內(nèi)外公認(rèn)的長(zhǎng)期困擾零件堆焊質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵問題。鑄滲是 將含有合金粉末的涂料涂敷、貼固在鑄型表面，然后注入金屬液，金屬 液浸透涂層微孔，發(fā)生界面化學(xué)冶金反應(yīng)，使其熔解或熔化，即可在鑄 件表面形成一層鑄滲合金層。這種方法與其他表面強(qiáng)化方法如化學(xué)鍍、 表面堆焊和等離子噴涂等相比，具有不需要專用處理設(shè)備，生產(chǎn)周期短， 成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)鑄滲機(jī)理及工藝研究缺乏系統(tǒng)研究，并且此法由于 涂料熔解或熔化可能導(dǎo)致涂敷層成分的不均勻，從而影響材料的表面性 能。熱噴涂工藝簡(jiǎn)單但制備的涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度不大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在高鉻鑄鐵中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硬質(zhì)合金，熱 浸鍍后涂層晶粒細(xì)小，硬度提高同時(shí)韌性不降低，從而提高熱浸鍍高鉻 鑄鐵涂層的耐磨性。
4一種改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法，其特征是以 低碳鋼、低合金鋼作為基材，以高鉻鑄鐵及硬質(zhì)合金作為涂層原料，熱 浸鍍工藝先后分四個(gè)流程l)鋼表面處理；2)熔煉鑄鐵合金及硬質(zhì)合金； 3)熱浸鍍；4)獲得涂層。
流程2)中高鉻鑄鐵成分(wt。/。) 12%Ni， 16%Cr， 1.5%C， 4%Si， 4%B， 余量Fe。硬質(zhì)合金成分(wt。/。) 50%WC， 1.25%Cr， 1.25%Mo, 0.5%C，
余量Fe。
流程2)中硬質(zhì)合金的加入量為10wt%-15wt%。
流程3)中熱浸鍍溫度范圍在1200 °C 1250 'C，浸入時(shí)間為5 15s。
流程4)中涂層在空氣中自然冷卻，其厚度為0.5 10mm。涂層中晶 粒與未加硬質(zhì)合金的相比更加細(xì)小。
流程4)中涂層硬度大于62HRC，析出相的顯微硬度為1200HV左右， 且析出相分布呈不連續(xù)的短棒狀和塊狀。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)在于涂層組織均勻，晶粒細(xì) 小，硬度高且韌性好，不易開裂，耐磨性優(yōu)異。不需熱處理也能獲得斷 續(xù)的桿狀、塊狀和顆粒狀的碳化物。涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
將45#鋼加工成尺寸為200 X 150X7 mm的試樣以兩種不同方式 進(jìn)行表面處理①表面經(jīng)100#砂紙打磨—堿洗(用10MNaOH煮沸清 洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—干燥一助鍍 劑處理—干燥。②表面噴砂(5 min)—水洗—干燥—助鍍劑處理—干 燥。在中頻爐中熔煉高鉻鑄鐵和硬質(zhì)合金。按高鉻鑄鐵成分將高碳
鉻鐵、硅鐵、硼鐵、純鎳配比，隨后加入10wty。硬質(zhì)合金?？紤]到 硬質(zhì)合金熔點(diǎn)高的問題，將其破碎成lcm3以下的小塊，放入中頻爐 的高溫區(qū)加熱，在其他合金熔化過程中，硬質(zhì)合金不能熔化而是逐 步溶解到熔融金屬。合金全部熔化及硬質(zhì)合金溶解完畢后，在1200 'C保溫30min左右，其目的是通過中頻爐的電磁攪拌效應(yīng)使熔液成 分均勻化。熔液中加入少量A1脫氧，隨后清除熔液表層浮渣并進(jìn)行 熱浸鍍。整個(gè)過程通入氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。
將表面處理后的45#鋼浸入鑄鐵熔液中進(jìn)行熱浸鍍，浸入時(shí)間為 5 15 s，隨后空冷到室溫，45#鋼表面獲得厚度在0.5 10 mm之間 的涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未加硬質(zhì)合金的涂層相比，涂層中晶粒 更加細(xì)小。垂直涂層與基體界面方向上，涂層硬度大于62HRC，高 于未加硬質(zhì)合金涂層的硬度(58HRC)。析出相的顯微硬度為1200HV 左右，且析出相分布呈不連續(xù)的短棒狀和塊狀。
實(shí)施例2:
將45#鋼加工成尺寸為200X 150X7 mm的試樣以兩種不同方式 進(jìn)行表面處理①表面經(jīng)100#砂紙打磨—堿洗(用10%NaOH煮沸清 洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—干燥一助鍍 劑處理—干燥。②表面噴砂(5 min)—水洗—干燥—助鍍劑處理—干 燥。
在中頻爐中熔煉高鉻鑄鐵和硬質(zhì)合金。按高鉻鑄鐵成分將高碳 鉻鐵、硅鐵、硼鐵、純鎳配比，隨后加入13wt。/。硬質(zhì)合金?？紤]到硬質(zhì)合金熔點(diǎn)高的問題，將其破碎成lci^以下的小塊，放入中頻爐 的高溫區(qū)加熱，在其他合金熔化過程中，硬質(zhì)合金不能熔化而是逐 步溶解到熔融金屬。合金全部熔化及硬質(zhì)合金溶解完畢后，在1250
-C保溫30min左右，其目的是通過中頻爐的電磁攪拌效應(yīng)使熔液成 分均勻化。熔液中加入少量A1脫氧，隨后清除熔液表層浮渣并進(jìn)行 熱浸鍍。整個(gè)過程通入氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。
將表面處理后的45#鋼浸入鑄鐵熔液中進(jìn)行熱浸鍍，浸入時(shí)間為 5 15 s，隨后空冷到室溫，45#鋼表面獲得厚度在0.5 10 mm之間 的涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未加硬質(zhì)合金的涂層相比，涂層中晶粒 更加細(xì)小。垂直涂層與基體界面方向上，涂層硬度大于62HRC，高 于未加硬質(zhì)合金涂層的硬度(58HRC)。析出相的顯微硬度為1200HV 左右，且析出相分布呈不連續(xù)的短棒狀和塊狀。
實(shí)施例3:
將45#鋼加工成尺寸為200X 150X7 mm的試樣以兩種不同方式 進(jìn)行表面處理①表面經(jīng)100#砂紙打磨—堿洗(用10y。NaOH煮沸清 洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—干燥一助鍍 劑處理—干燥。②表面噴砂(5 min)—水洗—干燥—助鍍劑處理—干 燥。
在中頻爐中熔煉高鉻鑄鐵和硬質(zhì)合金。按高鉻鑄鐵成分將高碳 鉻鐵、硅鐵、硼鐵、純鎳配比，隨后加入15wte/。硬質(zhì)合金?？紤]到 硬質(zhì)合金熔點(diǎn)高的問題，將其破碎成lcn^以下的小塊，放入中頻爐 的高溫區(qū)加熱，在其他合金熔化過程中，硬質(zhì)合金不能熔化而是逐步溶解到熔融金屬。合金全部熔化及硬質(zhì)合金溶解完畢后，在1300"C保溫30min左右，其目的是通過中頻爐的電磁攪拌效應(yīng)使熔液成分均勻化。熔液中加入少量A1脫氧，隨后清除熔液表層浮渣并進(jìn)行熱浸鍍。整個(gè)過程通入氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。
將表面處理后的45#鋼浸入鑄鐵熔液中進(jìn)行熱浸鍍，浸入時(shí)間為5 15 s，隨后空冷到室溫，45#鋼表面獲得厚度在0.5 10 mm之間的涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未加硬質(zhì)合金的涂層相比，涂層中晶粒更加細(xì)小。垂直涂層與基體界面方向上，涂層硬度大于62HRC，高于未加硬質(zhì)合金涂層的硬度(58HRC)。析出相的顯微硬度為1200HV左右，且析出相分布呈不連續(xù)的短棒狀和塊狀。
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權(quán)利要求
1.改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法，其特征在于以低碳鋼、低合金鋼作為基材，以高鉻鑄鐵及硬質(zhì)合金作為涂層原料，熱浸鍍工藝先后分四個(gè)流程1)鋼表面處理；2)熔煉鑄鐵合金及硬質(zhì)合金；3)熱浸鍍；4)獲得涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法，其特征在于流程2)中高鉻鑄鐵成分wtM: 12%Ni， 16%Cr， 1.5°/。C， 4%Si， 4%B，余量Fe。硬質(zhì)合金成分wt%: 50%WC， 1.25%Cr， 1.25°/。Mo， 0.5%C，余量Fe。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的 方法，其特征在于流程2)中硬質(zhì)合金的加入量為10wt%-15wt%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的 方法，其特征在于流程3)中熱浸鍍溫度范圍在1200 °C 1250 °C，浸 入時(shí)間為5 15 s。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的 方法，其特征在于流程4)中涂層在空氣中自然冷卻，其厚度為0.5 10 mm;涂層中晶粒與未加硬質(zhì)合金的相比更加細(xì)小。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的 方法，其特征在于流程4)中涂層硬度大于62HRC，析出相的顯微硬度 1200HV左右，且析出相分布呈不連續(xù)的短棒狀和塊狀。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及鋼鐵表面涂層保護(hù)技術(shù)。特別提供了一種改善熱浸鍍高鉻鑄鐵涂層組織及力學(xué)性能的方法。工藝包括鋼表面處理；在爐中惰性氣體保護(hù)下熔煉高鉻鑄鐵及硬質(zhì)合金；將表面處理后的低碳鋼、低合金鋼浸入合金熔液中，熱浸鍍溫度為1200℃～1300℃，熱浸鍍時(shí)間為5～15s。熱浸鍍后在靜置空氣中自然冷卻，45^#鋼表面可形成厚度在0.5～10mm之間的涂層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于涂層組織均勻，晶粒細(xì)小，硬度高且韌性好，不易開裂，耐磨性優(yōu)異。不需熱處理也能獲得斷續(xù)的桿狀、塊狀和顆粒狀的碳化物。涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。
文檔編號(hào)C23C2/04GK101597734SQ20091008815
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者濤 林, 王立生, 磊 賈, 郭志猛, 高治山 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)