阅读说明：本技术 一种NbC/Fe2B复合梯度耐磨涂层及其制备方法 (NbC/Fe2B composite gradient wear-resistant coating and preparation method thereof ) 是由 魏祥 刘晓威 杨泽壬 陈志国 郝鹏磊 于 2020-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种NbC/Fe<Sub>2</Sub>B复合梯度耐磨涂层及其制备方法,属于耐磨涂层领域。本发明中所述涂层包含NbC和Fe<Sub>2</Sub>B两种硬质相,其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧,Fe<Sub>2</Sub>B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间。其制备过程包括选用以渗碳体为强化相的钢铁材料(0.3%≤C wt%≤1.2%)为基体材料,并对其进行表面处理,以纯Nb棒为电极材料,采用电火花沉积工艺首先制备NbC强化的纳米晶涂层,再对该涂层进行固体渗硼处理。本发明中制备的涂层在工件截面上形成了微观组织和力学性能的梯度结构,能显著提高涂层的综合性能,电火花沉积的纳米晶涂层中包含大量的晶界和位错,能极大的降低渗硼温度,缩短渗硼时间。(The invention discloses NbC/Fe 2 A B composite gradient wear-resistant coating and a preparation method thereof belong to the field of wear-resistant coatings. The coating of the present invention comprises NbC and Fe 2 B two hard phases, wherein NbC wear-resistant coating is positioned at the outer side of the composite coating, and Fe 2 The B wear-resistant coating is positioned between the NbC wear-resistant coating and the base material. The preparation process comprises selecting steel material (0.3-1.2 wt%) with cementite as strengthening phase as matrix material, performing surface treatment, preparing NbC strengthened nanocrystalline coating by using pure Nb rod as electrode material and performing solid boronizing treatment on the coating. The coating prepared by the method forms a microstructure and a gradient structure with mechanical property on the cross section of a workpiece, can obviously improve the comprehensive property of the coating, and the nano-crystalline coating deposited by electric spark contains a large amount of crystal boundaries and dislocation, so that the boronizing temperature can be greatly reduced, and the boronizing time can be shortened。)

一种NbC/Fe2B复合梯度耐磨涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨涂层及其制备方法，特别是涉及一种NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

表面工程技术能在材料表面制备出与基体材料不同，具有优异耐磨和耐腐蚀等特殊性能的涂层或覆层，能以最经济、最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，实现材料表面的强化、改性及修复与再制造。该技术在实际中已得到了广泛的应用，并创造了巨大的经济效益。

电火花沉积工艺就是一种利用电火花放电将电极材料熔化并转移至基体材料表面，以形成特定性能涂层的表面处理技术。其沉积的具体原理是，当作为阳极的电极材料通过旋转或振动的方式与作为阴极的基体材料（工件）无限接近时，利用短周期、高电流的电脉冲放电，产生的高达5000～10000℃的高温将电极材料与基体材料无限接近的微小区域瞬间熔化甚至气化，并在电场力的作用下，熔融的电极材料转移至基体材料表面与熔融的电极材料发生熔合并快速凝固，形成冶金结合的沉积层。与其他表面技术相比，电火花沉积工艺具有如下的优点：（1）能量输入底，基体保持在室温，热影响区小，因此，可以忽略其对基体的影响；（2）涂层与基体呈冶金结合且结合强度高，明显优于热喷涂；（4）设备便宜且操作简单；（5）适用原地或在线修复，这点对大型工件或在线设备的修复非常重要；（6）熔融电极材料能在基材表面快速凝固，能形成纳米晶，甚至非晶涂层，进一步提升材料的性能。然而，目前在电火花沉积制备耐磨涂层的实际生产中，为获得优异的耐磨性能，其所使用的电极材料一般都为高硬度的硬质合金或金属陶瓷。虽然该类涂层具有较好的耐磨性，获得了较多的应用，但同时也存在一些不足。高硬度硬质合金或金属陶瓷的高硬度来自于其大量脆性的硬质相，而电火花沉积是一种快速凝固的表面处理技术，因此，在电火花沉积过程中，制备的涂层中极易产生纵向的裂纹，不利于涂层耐磨性的提高，并且由于较大热应力的存在，使得涂层容易发生剥落，因此其实用的涂层厚度一般在50μm左右，并不能获得大厚度的耐磨涂层。为获得较大的涂层厚度，并避免涂层中裂纹的产生，最近，栾程群等报道了一种基于电火花沉积，以塑性较好的Nb棒为电极材料在热作模具钢H13钢表面制备Nb涂层的工作，结果表明，涂层截面组织连续、致密，无明显的缺陷，含Fe₂Nb 和Fe_0.2Nb_0.8 两种物相，涂层的硬度到642HV，为基体的3.2倍，在同等摩擦磨损实验条件下，其磨损质量仅为基体材料的1/3，显著的提高了H13钢模具的寿命（栾程群，等. H13钢表面电火花沉积Nb涂层组织与性能研究，表面技术，2019,48（1）：285-289.）。NbC具有比Fe₂Nb 和Fe_0.2Nb_0.8 两种物相高得多的硬度，并已在高温合金（专利号：CN108467959B）、金属陶瓷（专利号：）、薄膜材料（专利号：CN105779951A）、焊丝（专利号：CN103894757A）和涂层（专利号：CN103526198A、CN103255414A）等领域获得了广泛的应用。另一方面，有研究表明，相比于单一涂层，复合梯度涂层能进一步显著的改善涂层的综合性能，但目前关于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层的研究仍未见公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能的NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层及其制备方法。

为达到上述目标，本发明采用下述技术方案：

本发明的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度大于等于2μm，小于等于50μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度则大于等于5μm，小于等于100μm。

采用电火花沉积工艺进行制备，具体的工艺步骤如下：

（1）对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体强化相的钢铁材料（碳的质量分数为0.3%≤C wt%≤1.2%，）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

（2）采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为1500~3000W，输出电压为120~300V，沉积速率为0.5-10min/cm²。

（3）采用固体渗硼工艺对第（2）步骤中获得的工件进行渗硼处理，渗硼的工艺参数为：渗硼温度850℃~1100℃，渗硼保温时间为10min~600min。

所述渗硼剂为LSB-II型渗硼剂。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层及其制备方法具有这样的有益效果，制备的复合梯度涂层由外层的NbC耐磨涂层和内层的Fe₂B耐磨涂层组成，在截面上形成了微观组织和力学性能的梯度结构，有利于涂层综合性能的提升；由于电火花沉积过程中极快的冷却速率，使得制备的NbC强化的纳米晶涂层中的晶粒尺寸达到了纳米级，极大的增加了涂层中面缺陷（晶界）的数量，并且由于塑性好的Nb在Fe中的固溶体在热应力作用下发生变形而形成了大量的线缺陷（位错），这两种缺陷的存在可以作为渗硼过程中硼原子的扩散通道，大大降低硼原子的扩散能垒，进而极大的降低渗硼温度、缩短渗硼保温时间，实现工件性能的提升以及能源的节约；并且由于电火花沉积过程中极快的冷却速率，使得制备NbC强化的纳米晶涂层的晶粒为纳米级，通过细晶强化改善涂层的塑韧性，并通过与纳米晶涂层中塑性好的Nb在Fe中的固溶体相的共同作用，使得涂层在快速凝固的过程中能通过塑性变形释放大量的热应力，有效避免了NbC强化的纳米晶涂层中纵向裂纹的产生，并有利于其厚度的增加；采用的基体材料中的强化相为渗碳体（Fe₃C），其稳定性低于NbC，因此为电火花沉积过程中生成NbC创造了先决条件；文献报道的有关含NbC涂层制备中，NbC中的碳元素都为外部添加，例如以石墨的形式，该种工艺条件下碳元素较难在涂层中均匀分布，本发明中NbC中的C元素来自于基体材料本身，避免了该问题的产生；NbC强化的纳米晶涂层中高硬度的NbC相为原位生成，使得NbC相与Nb在Fe中的固溶体相的界面结合强度高，有利于NbC强化的纳米晶涂层综合性能的提高。

附图说明

图1 为本发明中NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层典型的微观组织图。

图2 为本发明中NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层典型的X射线衍射图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体为强化相的钢铁材料（碳的质量分数为0.3%）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为1500W，输出电压为200V，沉积速率为7min/cm²。

采用固体渗硼工艺对上一步骤中获得的工件进行渗硼处理，其中渗硼剂为LSB-II型渗硼剂，渗硼的工艺参数为：渗硼温度850℃，渗硼保温时间为300min。

最终制备获得的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度为35μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度为40μm。

图1为本发明中NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层典型的微观组织图，其中，1表示NbC耐磨涂层，2表示Fe₂B耐磨涂层。图2 为本发明中NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层典型的X射线衍射图谱。

实施例2

对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体为强化相的钢铁材料（碳的质量分数为1.2%，）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为3000W，输出电压为300V，沉积速率为0.5min/cm²。

采用固体渗硼工艺对上一步骤中获得的工件进行渗硼处理，其中渗硼剂为LSB-II型渗硼剂，渗硼的工艺参数为：渗硼温度1000℃，渗硼保温时间为100min。

最终制备获得的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度为2μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度为65μm。

实施例3

对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体为强化相的钢铁材料（碳的质量分数为0.8%，）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为2000W，输出电压为250V，沉积速率为8min/cm²。

采用固体渗硼工艺对上一步骤中获得的工件进行渗硼处理，其中渗硼剂为LSB-II型渗硼剂，渗硼的工艺参数为：渗硼温度1100℃，渗硼保温时间为500min。

最终制备获得的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度为50μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度为100μm。

实施例4

对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体为强化相的钢铁材料（碳的质量分数为0.5%）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为2300W，输出电压为120V，沉积速率为4min/cm²。

采用固体渗硼工艺对上一步骤中获得的工件进行渗硼处理，其中渗硼剂为LSB-II型渗硼剂，渗硼的工艺参数为：渗硼温度950℃，渗硼保温时间为450min。

最终制备获得的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度为23μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度为70μm。

实施例5

对用于NbC/Fe₂B复合梯度耐磨涂层制备的以渗碳体为强化相的钢铁材料（碳的质量分数为0.75%）进行表面处理，包括除锈，除油，如果表面有裂纹，先进行车削以消除裂纹层；

采用纯Nb棒作为电极材料进行电火花沉积以制得NbC强化的纳米晶涂层，沉积过程中采用惰性气体进行保护，沉积的具体工艺参数为：输出功率为2400W，输出电压为250V，沉积速率为10min/cm²。

采用固体渗硼工艺对上一步骤中获得的工件进行渗硼处理，其中渗硼剂为LSB-II型渗硼剂，渗硼的工艺参数为：渗硼温度980℃，渗硼保温时间为10min。

最终制备获得的复合梯度耐磨涂层包含NbC和Fe₂B两种硬质相，其中NbC耐磨涂层位于复合涂层的外侧，Fe₂B耐磨涂层位于NbC耐磨涂层与基体材料之间，其中NbC耐磨涂层的厚度为50μm，Fe₂B耐磨涂层的厚度为5μm。