一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，具体步骤是：步骤一，基底钢板表面处理；步骤二，按质量百分数含量Ni3Si为56～75％，Cr7C3为25～44％配比原始反应粉，并分别球磨混合；步骤三，将原始反应粉依次铺设在基底钢板上，并在钢坩埚内压实；步骤四：将坩埚水平置于反应釜内，充入惰性气体；步骤五：用TIG电弧引发自蔓延反应；步骤六：反应结束后，关闭电源，随炉冷却，清除表面氧化铝副产物获得复合涂层。本发明专利技术的方法工艺简单，成本低，获得的涂层具有高结合强度，高硬度，优异的耐腐蚀性、抗磨性和抗氧化性。抗磨性和抗氧化性。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法


[0001]本专利技术涉及一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，具体涉及在碳钢、不锈钢等表面制备耐蚀、抗磨高性能Ni3Si
‑
Cr7C3复合涂层的方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，对材料的要求不断提高，更高的使用温度，苛刻的腐蚀环境，高载、高速等都对材料提出了新的挑战。金属间化合物Ni3Si是一种L12型金属间化合物，与相同结构的Ni3Al合金相比，具有更优异抗氧化性能，抗腐蚀性能和高温力学性能，在航空、航天、船舶、交通运输、化工、机械等工业领域极具应用潜力。然而，Ni3Si合金的耐磨性有限，且其制备反应是一个低放热反应，在室温下反应不完全。因此，制备Ni3Si合金主要采用电弧熔炼技术，但是目前其应用主要是作为其它合金(如哈氏合金)的强化相。
[0003]碳化物(如Cr3C2和Cr7C3等)的反应都是高放热体系，同时碳化物陶瓷具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐蚀性、热稳定性高等优点。因此，可以利用碳化物释放的高热量设计制备Ni3Si基陶瓷复合涂层。传统的Fe基、铝基、铜基等复合材料尽管有较高的强度和良好的耐磨性，但是在腐蚀环境下会加剧电化学腐蚀，从而不利于其在腐蚀环境下的应用。
[0004]基于以上所述，本领域专家学者和技术人员结合Ni3Si和Cr7C3两者的优势，研发采用自蔓延反高温合成的方法，制备更优异的耐腐蚀、抗氧化、耐磨损等性能的复合涂层。然而，自蔓延反应过程存在不可控，自发完成的技术问题，从而严重影响了涂层的质量，导致无法获得较为致密材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对上述现有技术存在的问题和不足，提供一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法。
[0006]本专利技术结合Ni3Si和Cr7C3两者的优势，采用自蔓延反高温合成的方法，通过引入TIG电弧，调节环境温度，改善熔体的铺展性，大大提高了涂层质量。
[0007]本专利技术具有经济高效，节约能源，工艺相对简单，反应时间短，可操作性强，克服了常规自蔓延高温合成不可控的缺点。并且可以根据不同的用途设计相应的涂层成份，不受低放热体系的限制，涂层结合强度高。同时，还适用于部分无法采用自蔓延方法合成的低放热体系。因此，在高温、腐蚀等领域具有广阔的应用前景。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。
[0009]一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1，将基底钢板用砂纸打磨，进行粗化处理，打磨后的基底用丙酮超声清洗处理。
[0011]步骤2，按照质量百分数含量Ni3Si为56～75％，Cr7C3为25～44％，分别称取Ni3Si原始反应粉和Cr7C3原始反应粉，并将两种原始反应粉分别在球磨机内球磨6～8小时，球磨至平均颗粒尺寸10～80μm。
[0012]步骤3，将基底钢板置于坩埚内，在基底钢板上自下而上依次铺设厚度为0.5mm的镍粉，以改善涂层与基底间的润湿性；然后在镍粉上铺设厚度为6～10mm的Ni3Si原始反应粉；最后铺设厚度为20～25mm的Cr7C3原始反应粉，并以10～20MPa的压力压实。
[0013]步骤4，将坩埚水平置于反应容器中，采用气体吹扫反应釜以排出其中的空气，然后再充入3～8MPa的惰性气体。
[0014]步骤5，采用TIG电弧引发自蔓延反应，调节电流为60～120A，控制电弧持续时间为5～20s，控制环境温度300～500℃。
[0015]步骤6，反应结束后，关闭电源，随炉冷却，清除表面氧化铝副产物可在基底钢板表面获得3～5mm的Ni3Si
‑
Cr7C3涂层。
[0016]进一步的优选，步骤1中所述基底钢板的材质为碳钢或不锈钢。
[0017]进一步的优选，步骤2中所述Ni3Si原始反应粉按照质量百分数含量由86％～89％的镍粉和11％～14％的硅粉组成；所述Cr7C3原始反应粉按照质量百分数含量由3％～4％的石墨粉，13％～15％三氧化二铬，32％～33％铝粉和48％～52％三氧化铬组成。
[0018]进一步的优选，步骤1中所述超声清洗的时间为30～60min。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有的优点和有益效果：
[0020]本专利技术具有经济高效，节约能源，工艺相对简单，反应时间短，可操作性强的优点，克服了常规自蔓延高温合成不可控的缺点。
[0021]本专利技术采用电弧辅助方法后，自蔓延过程反应更为充分，涂层的铺展性更好，制备的涂层结合强度高，重复性好。另外，该方法也适用于低放热体系的涂层材料。通过本方法制备的镍硅基复合涂层，具有优异的耐腐蚀和抗磨损性能，其干摩擦条件下磨损率仅为不锈钢的1/2左右，20钢的1/7左右；在1M硫酸溶液条件下的磨损率仅为不锈钢的1/7左右，20钢的1/23左右，使其在船舶、化工、机械等领域有广阔的应用前景，极大地拓展了镍硅基复合材料的应用领域。
具体实施方式
[0022]下面结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]实施例1
[0024]一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，具体步骤是：
[0025]首先将AISI 1020钢块加工成Φ65mm，5mm厚的钢板，然后用砂纸打磨、粗化，并用丙酮超声清洗30min。按质量百分含量为Ni3Si为75％和Cr7C3为25％，分别称取Ni3Si原始反应粉(镍粉89％和硅粉11％)和Cr7C3原始反应粉(4％的石墨粉，15％的三氧化二铬，32％的铝粉和49％的三氧化铬)，并分别球磨8h，至平均颗粒尺寸为20μm。将基底钢板放置于钢坩埚底部，在基底钢板上铺设0.5mm厚的镍粉，然后将10mm厚的Ni3Si原始反应粉，以及21mm厚的Cr7C3原始反应粉依次铺展在镍粉上面，并以20MPa的压力压实。压实后将坩埚水平放置于反应容器中。用氩气吹扫反应釜以排出其中的空气，再将5MPa的氩气通入反应容器内。采用TIG电弧引发自蔓延反应，调节电流为100A，控制电弧持续时间为10s，控制环境温度300～
500℃。反应结束后，关闭电源，随炉冷却至室温，清除表面氧化铝副产物可得到涂层厚度约为5mm的含Cr7C3为25％的Ni3Si基复合涂层。
[0026]经检测，本实施例所制得的涂层的维氏硬度为HV
0.5
854；涂层表面粗糙度约为52μm；在载荷为100N，滑动速率为0.04m/s条件下，涂层的摩擦系数0.46，明显低于AISI1020钢和AISI321不锈钢的0.53；磨损率略低于不锈钢，仅为AISI1020钢的1/3；在1M硫酸溶液环境下，涂层的摩擦系数为0.18，显著低于AISI10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对基底钢板表面依次进行打磨、粗化和超声清洗处理；步骤2，按照质量百分数含量Ni3Si为56～75％，Cr7C3为25～44％，分别称取Ni3Si原始反应粉和Cr7C3原始反应粉，采用球磨机分别球磨混匀；步骤3，将基底钢板置于坩埚内，在基底钢板上自下而上依次铺设厚度为0.5mm的Ni粉，厚度为6～10mm的Ni3Si原始反应粉，厚度为20～25mm的Cr7C3原始反应粉，再将其压实；步骤4，将坩埚水平置于反应容器内，并用气体排除其中的空气，然后充入3～8MPa的惰性气体；步骤5，采用TIG电弧引发自蔓延反应，调节电流为60A～120A，控制电弧持续时间5～20s，控制温度300～500℃；步骤6，反应结束后，关闭电源，随炉冷却，清除表面氧化铝副产物可得到涂层厚度为3～5mm的Ni3Si
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Cr7C3复合涂层。2.根据权利要求1所述的一种电弧辅助自蔓延高温合成制备抗磨复合涂层的方法，其特征在于，步骤1中所述基底钢板的材质为碳钢或不锈钢。...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛牧野，陈浩，包帅，张兴华，徐曹梨，徐鑫，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：