耐磨碳化物涂层及其制备方法技术

一种耐磨碳化物涂层，包括准单晶相TiC致密陶瓷层，还可进一步包括微米TiC陶瓷层及TiC与基体的融合层。所述准单晶相TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层及TiC与基体的融合层依次呈梯度分布。可被施加于金属基体表面。本发明专利技术通过铸造得到的金属基体与钛复合体，外引入外碳源，并加热、保温，从而在金属基体表面形成碳化物涂层，所述涂层与基体之间为冶金结合，结合力很强，克服了现有硬质颗粒与金属基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了金属基体表面的耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】
耐磨碳化物涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种耐磨碳化物涂层及其制备方法，尤其涉及一种复合耐磨碳化物涂层及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的复合耐磨碳化物涂层及其制备方法。
技术介绍
碳化物材料具有硬度高、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TiC是一种常见的涂层材料，其有如下特性：(1)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能；(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；(3)钛资源丰富，容易获得，价格比较低廉，碳化钛在金属基复合材料中获得普遍应用；(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；(5)TiC的标准生成焓△G0值低，其合成反应易于进行；(6)TiC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，TiC涂层材料被广泛地用作无屑冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件的耐磨表面。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。因此如何获得TiC碳化物相的涂层，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐磨碳化物涂层，该耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层，具有良好的硬度，并且进一步地，提供一种用于获得耐磨碳化物涂层的制备方法。进一步地，本专利技术还提供一种耐磨碳化物涂层，其为梯度复合涂层，其优选被涂覆于金属基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。为实现本专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种耐磨碳化物涂层，该耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层；优选地，TiC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。更优选地，沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-200μm，优选为100-200μm，更优选为120-200μm；优选地，TiC的体积分数大于80％，优选大于90％；优选地，TiC晶粒尺寸为8-50μm，优选为10-50μm。此外，本专利技术还提供一种耐磨碳化物涂层，其为梯度复合涂层包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层、TiC与基体的融合层。优选地，TiC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。优选地，沿TiC致密陶瓷层的纵向剖面，其厚度为70-200μm，优选为100-200μm，更优选为120-200μm；优选地，TiC的体积分数大于80％，优选大于90％；优选地，TiC晶粒尺寸为8-50μm，优选为10-50μm。进一步优选地，沿微米TiC陶瓷层的纵向剖面，其厚度为50-150μm，优选为70-150μm，更优选为80-150μm；其中TiC的体积分数大于80％，优选大于90％，其晶粒尺寸为5-15μm，优选为6-12μm，优选为8-10μm。更进一步，沿TiC与金属基体的融合层纵向剖面，其厚度为50-200μm，优选为100-200μm；其中TiC的体积分数为20％，优选为80％，其晶粒尺寸为1-10μm，优选为2-8μm。优选地，梯度复合涂层总厚度为170-550μm；优选在300-550μm。更优选地，基体组织根据热处理方式不同为珠光体、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碳钢表面。所述碳钢基体根据国家标准GB221-79中规定，本专利技术中所使用碳钢的的牌号分别为：Q275A、Q255AF、45钢、T12A、T8、ZG270-450等。本专利技术还涉及所述碳化物涂层的制备方法，包括如下步骤：1)、先准备一钛板；优选地，其中钛的纯度控制在99.7-99.99％；更优选地，所述钛板的厚度控制在0.2-3mm。优选地，所述钛板先被加以表面处理。2)、将金属基材冶炼为金属液。3)、将上述金属液浇入放置有上述钛板的模具内，冷却后，获得上部为金属基体下部为钛板的复合体。4)、将上述复合体外部整体包覆碳源。5)、将包覆碳源的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，获得耐磨碳化物涂层。其中，耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层。优选地，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该TiC致密陶瓷层；优选地，TiC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。本专利技术还提供一种耐磨碳化物涂层的制备方法，其为梯度复合涂层，包括如下步骤：1)、先准备一钛板；优选地，其中钛的纯度控制在99.7-99.99％；更优选地，所述钛板的厚度控制在0.2-3mm；优选地，所述钛板先被加以表面处理；2)、将金属基材冶炼为金属液；3)、将上述金属液浇入放置有上述钛板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钛板的复合体；4)、将上述复合体外部整体包覆碳源；5)、将包覆碳源的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，在金属基材表面形成梯度复合涂层；6)所得的具有梯度复合涂层的金属复合体被进一步热处理以获得更合适的基体组织。优选地，钛板厚度为0.2mm-3mm。若小于0.2mm，则钛板在浇注复合过程中就已经完全反应，不能获得TiC致密陶瓷层，直接生成弥散分布TiC颗粒；超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。优选地，通过严格控制步骤5)中保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相TiC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。优选地，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层、TiC与基体的融合层。更优选地，保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，L＝kTlogt1/2+b0其中：L——梯度复合涂层的总厚度(μm)，k——是常数，取值为0-1，k≠0，T——保温温度(K)，t——保温时间(s)，b0——初始厚度(μm)，即金属液浇注后与钛板之间形成的复合层的厚度。综上，所述梯度复合涂层，包括TiC致密陶瓷层，硬度高。所述TiC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序，呈现出几何排列；晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。优选地，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨碳化物涂层，其特征在于：所述耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨碳化物涂层，其特征在于：所述耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层，其中，所述TiC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、晶界减少，并且原子排列比较有序的显微组织；沿涂层纵向剖面，其厚度为70-200μm，TiC的体积分数大于80％，TiC晶粒尺寸为8-50μm。2.如权利要求1所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿涂层纵向剖面，其所述厚度为100-200μm，所述TiC的体积分数大于90％，所述TiC晶粒尺寸为10-50μm。3.如权利要求2所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿涂层纵向剖面，其所述厚度为120-200μm。4.一种耐磨碳化物涂层，其特征在于：所述耐磨碳化物涂层为梯度复合涂层，包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层、TiC与基体的融合层，其中，所述TiC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、晶界减少，并且原子排列比较有序的显微组织；沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-200μm；其中TiC的体积分数大于80％；TiC晶粒尺寸为8-50μm。5.如权利要求4所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为100-200μm，所述TiC的体积分数大于90％，所述TiC晶粒尺寸为10-50μm。6.如权利要求5所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为120-200μm。7.如权利要求4-6之一所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿微米TiC陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-150μm，TiC的体积分数大于80％，TiC的晶粒尺寸为5-15μm。8.如权利要求7所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿微米TiC陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为70-150μm，所述TiC的体积分数大于90％，所述TiC的晶粒尺寸为6-12μm。9.如权利要求8所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿微米TiC陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为80-150μm，所述TiC的晶粒尺寸为8-10μm。10.如权利要求4-6,8-9之一所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿TiC与金属基体的融合层纵向剖面，其厚度为50μm-200μm，其中TiC的体积分数为20％或80％，该层中TiC的晶粒尺寸为1-10μm。11.如权利要求10所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：沿TiC与金属基体的融合层纵向剖面，其所述厚度为100-200μm，该层中所述TiC的晶粒尺寸为2-8μm。12.如权利要求4-6,8-9,11之一所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：梯度复合涂层总厚度为170-550μm。13.如权利要求12所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：所述梯度复合涂层总厚度为300-550μm。14.如权利要求4-6,8-9,11,13之一所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：基体组织根据热处理不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。15.如权利要求14所述的耐磨碳化物涂层，其特征在于：该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。16.一种如权利要求1-3之一所述耐磨碳化物涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)、先准备一钛板，其中钛的纯度控制在99.7-99.99％，所述钛板的厚度控制在0.2-3mm；2)、将金属基体冶炼为金属液；3)、将上述金属液浇入放置有上述钛板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钛板的复合体；4)、将上述复合体外部整体包覆碳源；5)、将包覆碳源的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，获得耐磨碳化物涂层；其中，耐磨碳化物涂层为TiC致密陶瓷层。17.如权利要求16所述的耐磨碳化物涂层的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述钛板先被加以表面处理。18.如权利要求16-17之一所述的耐磨碳化物涂层的制备方法，其特征在于：通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该TiC致密陶瓷层。19.一种如权利要求4-14之一所述耐磨碳化物涂层的制备方法，其为梯度复合涂层，其特征在于，包括如下步骤：1)、先准备一钛板；2)、将金属基体冶炼为金属液；3)、将上述金属液浇入放置有上述钛板的砂型内，获得上部为金属基体下部为钛板的复合体；4)、将上述复合体外部整体包覆碳源；5)、将包覆碳源的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：许云华，赵娜娜，钟黎声，梁淑华，燕映霖，叶芳霞，王娟，邹军涛，肖鹏，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61