钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，包括将铌箔包覆在钢铁工件弧形表面，外侧包覆石墨纸，形成预制体，将预制体放入复合式分段热压模具中，然后将复合式分段热压模具连同预制体一起放入真空快速热压烧结炉中，将炉温升高至950℃

【技术实现步骤摘要】
钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法


[0001]本专利技术属于复合耐磨材料
，涉及钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法。

技术介绍

[0002]钢铁作为工业领域的常用材料，一直以优良的力学性能，低廉的制备成本受到市场青睐，但随着工业领域迈入现代化、精尖化，市场也对传统钢铁提出新的要求，单一的钢铁材料性能有限，因此钢铁材料复合化是必然趋势。
[0003]目前，对钢铁材料表面进行强化处理也可以实现钢铁材料复合化。钢铁作为机械制造中的重要钢件，抗拉强度和抗震性能良好，为增强其表面硬度和耐磨性，目前主流的方法是在其表面通过激光熔覆、原位生成等方法制备一层陶瓷增强层，如何在异形表面，如上下半径一致的圆弧、轴承内外模、齿轮齿廓制备层厚均匀和性能稳定的增强层是解决钢铁工件表面问题的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，制备的多元多尺度增强层层厚均匀，组织致密，硬度高，抗腐蚀性能好，与基体结合强度高。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，包括将铌箔包覆在钢铁工件弧形表面，外侧包覆石墨纸，形成预制体，将预制体放入复合式分段热压模具中，然后将复合式分段热压模具连同预制体一起放入真空快速热压烧结炉中，将炉温升高至950℃
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1050℃保温一段时间，再随炉冷却，即在钢铁工件弧形表面制得多元多尺度NbC
‑
Fe增强层。
[0006]其中，复合式分段热压模具包括圆筒状内模，内模外侧套设有外模，内模由四个弧形瓣模拼接组成。
[0007]复合式分段热压模具中部开设有测温孔。
[0008]钢铁工件为圆柱状工件时，先利用铌箔完全包裹圆柱工件弧面，再包覆石墨纸形成预制体放入内模，最后连同内模放入外模中。
[0009]钢铁工件为环状工件时，利用耐火纸、铌箔由内向外一次包裹在工件内孔填充块外表面，再将包覆好的工件内孔填充块放入工件内孔中，使工件内孔填充块表面的铌箔与工件内孔表面贴合，最后在整体外侧包覆石墨纸，形成预制体，放入外模中。
[0010]将预制体放入外模中，预制体轴向两侧放置有压头。
[0011]将复合式分段热压模具放入真空快速热压烧结炉中，先对炉内抽真空使真空度低于0.1Pa，同时保证模具轴向两侧压力为35MPa
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40MPa，再将炉温升高。
[0012]将复合式分段热压模具放入真空快速热压烧结炉中，将炉温升高至950℃
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1050℃保温1h
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8h，随后采用四段式降温法降温，样品随炉冷却至780
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800℃保温20
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40min，随后随炉冷却至580
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600℃保温15
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25min，随后随炉冷却至400
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450℃保温10
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20min，随后随炉冷
却至200
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300℃保温5
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15min，最后随炉冷却至室温，即在钢铁工件弧形表面制得多元多尺度NbC
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Fe增强层。
[0013]随炉冷却至室温后，取出复合式分段热压模具，进行脱模处理，剥去外层石墨纸，对外层未参与反应的铌箔残余进行金相打磨处理并抛光。
[0014]将铌箔包覆在钢铁工件弧形表面之前，先对钢铁工件弧形表面进行打磨抛光，并清洗吹干，使用高于4000目的砂纸打磨去除铌箔表面氧化层。
[0015]钢铁工件材质优选GCr15。
[0016]优选的，在原位反应生成碳化铌前对基体进行化学抛光和渗碳处理。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018](1)本专利技术采用原位热压法，在钢铁工件弧形表面制备了NbC
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Fe增强层，增强层表现出明显的多元多尺度结构，NbC
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Fe增强层由沿轴向分别为纯NbC陶瓷层、NbC
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Fe层、基体层，其多元分层结构中纯NbC陶瓷层具有较高的硬度和耐磨性，NbC
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Fe层中梯度结构对NbC层起到了良好的支撑作用，有利于分散应力；增强层中近基体侧NbC颗粒尺寸细小，沿基体至铌箔方向颗粒尺寸增大，多尺寸NbC起到了良好的应力传递和分散作用，将表层强应力沿晶界的增多而逐级递减，使增强层与基体呈现出良好的结合性能；
[0019](2)采用复合式分段热压模具，利用原位热压法，将轴向载荷转化为径向载荷，并通过模具内腔对钢铁工件和铌箔施加径向压力，提高了该多元多尺度强化层制备方法的成品率；
[0020](3)采用四段式降温法，降低了冷却过程中造成的应力集中，同时在一定程度上缓解了由于C原子扩散进入Nb晶格中造成的晶格畸变而引起的局部应变，以及在增强层形成过程中与基体错配而引起的应力集中。由于缓解应力集中、降低裂纹敏感性，在界面处延迟裂纹萌生、钝化裂纹并降低裂纹扩展速率而提高复合材料的韧性。提高了表面增强层与基体的结合强度，有效的降低了增强层中微裂纹的产生。四段式降温与两段式降温和直接冷却相比，增强层中微裂纹数量分别下降约50％和90％。该四段式缓冷降温工艺可有效改善随着增强层厚度增加时，层内裂纹和应力集中以及陶瓷的本征因素而造成的层间破损、破碎和层间剥落等现象。
[0021](4)Nb作为强碳化物形成元素，易与钢铁工件中的C形成难熔碳化物，使钢铁弧形侧表面原位生成多元多尺度增强层，增强层组织致密，体积分数高达98％，硬度高，抗磨损；
[0022](5)铌箔具有良好的可变形特征，可与弧形表面形成良好贴合，提高了增强层与基体之间的结合强度；
[0023](6)采用热压扩散制备增强层，解决了无压扩散下的界面问题，制备的增强层连续均匀，与基体的界面纯净无杂相，呈现良好的冶金结合，无裂纹；
[0024](7)制备的工件外侧增强层为异形层，使工件适应于各种工况，增强层对钢铁基体保护作用良好，同时抗腐蚀性能较好，可有效延长工件在腐蚀工况下的服役寿命，且制备方法简单，成本可控。
[0025](8)提高相界结合强度有助于提高复合材料强度和韧性，相反，较弱的相界结合强度会导致界面开裂并沿单一路径扩展而无法诱发多次偏转，降低复合材料韧性。此外，界面开裂是外力作用下相界两侧不协调变形应力与相界残余应力共同作用的结果，本专利技术在基体表面生成NbC体积分数为70％～90％的梯度层，NbC梯度层有效抑制裂纹萌生与拓展，增
强了层基结合界面韧性。
[0026](9)采用电化学抛光，使基体表面粗糙度Ra0.8～Ra1.2，基体与铌箔贴合紧密，生成的NbC增强层面粗糙度Ra1.2～Ra3.4。通过预渗碳调控基体组织，通过调整基体表面碳含量，使NbC增强层稳定生成，同时使增强层与基体间结合强度增加。
附图说明
[0027]图1是本专利技术钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法中复合式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，包括：对基体进行化学抛光和渗碳处理，将铌箔包覆在钢铁工件弧形表面，外侧包覆石墨纸，形成预制体，将预制体放入复合式分段热压模具中，然后将复合式分段热压模具连同预制体一起放入真空快速热压烧结炉中，将炉温升高至950℃—1050℃保温1h—8h，再随炉冷却，即在钢铁工件弧形表面制得多元多尺度NbC
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Fe增强层。2.根据权利要求1所述的钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，所述复合式分段热压模具包括圆筒状内模(1)，内模(1)外侧套设有外模(2)，内模(1)由四个弧形瓣模(4)拼接组成。3.根据权利要求2所述的钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，所述复合式分段热压模具中部开设有测温孔(3)。4.根据权利要求2所述的钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，所述钢铁工件为圆柱状工件时，先利用铌箔完全包裹圆柱工件弧面，再包覆石墨纸形成预制体放入内模(1)，最后连同内模(1)放入外模(2)中。5.根据权利要求2所述的钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，所述钢铁工件为环状工件时，利用耐火纸、铌箔由内向外一次包裹在工件内孔填充块外表面，再将包覆好的工件内孔填充块放入工件内孔中，使工件内孔填充块表面的铌箔与工件内孔表面贴合，最后在整体外侧包覆石墨纸，形成预制体，放入外模(2)中。6.根据权利要求4或5所述的钢铁工件弧形表面多元多尺度增强层的制备方法，其特征在于，将所述预制体放入外模(2)中，预制体轴向两侧放置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵娜娜，单瑞，王子晗，邹军涛，彭建洪，姚特立，任聪聪，闫翰麒，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：