CN101033543A - 一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层及其制备方法，属于等离子熔覆合金涂层技术领域。等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层采用多种金属及非金属粉末为熔覆材料，其成分按重量百分比计为：C 0.5－3.0、B 2－5、Si 2－6、P 0.9－3.0、Mo 12.0－26.0、Ni 5.0－15.0、Cr 2.0－15.0、Re0.8－3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。制备方法是用等离子熔覆在A3钢基体上制备涂层，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2－0.8m3/h，保护氩气流量为0.4－1.0m3/h，电离气体流量为0.5－1.2m3/h，电流为280－380A，扫描速度为350－480mm/min。优点在于，制备出既含有非晶结构又含有纳米结构的非晶纳米晶复合涂层，这种涂层具有优异的耐磨及耐蚀性能。

Description

一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及等离子熔覆合金涂层技术领域，特别是涉及一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层及其制备方法。
背景技术
非晶纳米晶材料具有比传统材料更加优异的性能，如较高的强度、硬度和优良的耐磨耐蚀性能，因而是一种很有发展前景的新型材料。近几年来非晶、纳米晶涂层制备技术也在不断发展，但是由于制备块体非晶、纳米晶材料制备的难度严重影响了非晶、纳米晶材料在实际当中的应用。相对来说在材料表面制备非晶、纳米晶表层，更有利于实现。因此利用电镀、化学镀、热喷涂、激光熔覆等技术制备的非晶、纳米晶及非晶纳米晶表层相继研制出来。
金属学报，2000，36(12)：1244-1247.报道，武晓雷等人利用激光熔覆技术在5号钢表面制备了大厚度的Fe57Co8Ni8Zr10Si4B13非晶涂层，该非晶涂层与基体呈冶金结合且具有良好的耐蚀性能。
中国表面工程，2004，69(6)：22-26.报道，潘继岗等人利用超音速火焰喷涂技术制备了钼基非晶纳米晶涂层.该涂层具有良好的耐蚀耐磨性能及优良的热稳定性。
Surface and Coating Technology，2005，192：311～316.Lingzhong，Du等人利用电镀方法制备了纳米Al2O3-Ni复合镀层，该涂层具有良好的耐蚀耐磨性能。
等离子熔覆技术与上述几种表面技术相比起步较晚，目前利用等离子熔覆技术制备非晶涂层、纳米晶涂层及非晶纳米晶表层的报道鲜有发现。等离子熔覆技术是在热喷涂、激光熔覆等表面技术的基础上发展起来的一种新的表面涂层技术。等离子熔覆的过程是一个快速熔化、快速凝固的过程，满足非晶合金所需的快冷条件。
等离子束在常压下发生，因此等离子熔覆设备不需真空系统；等离子熔覆技术用于金属表面处理，不需任何前处理，并且涂层与基体为冶金结合，工艺过程简单，设备成本低，与同为厚涂层的热喷涂技术(金属表面需前处理，结合力较差)和激光熔覆技术(需要真空系统，设备成本为等离子熔覆设备的10倍左右)相比，是一种更有效、更经济、更方便的表面技术，因此等离子熔覆技术用于非晶纳米晶涂层的制备具有更加广阔的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层及其制备方法，克服了原有制备非晶纳米晶涂层技术要么涂层与基体结合力较差，要么成本昂贵的不足，所制备的合金涂层与基体呈冶金结合。利用等离子熔覆技术制备出既含有非晶结构又含有纳米结构的非晶纳米晶复合涂层，这种涂层具有优异的耐磨耐腐蚀性能，并且成本大大降低。
本发明等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层采用多种金属及非金属粉末为熔覆材料，其成分按重量百分比计为：C 0.5-3.0、B 2-5、Si 2-6、P 0.9-3.0、Mo 12.0-26.0、Ni 5.0-15.0、Cr 2.0-15.0、Re 0.8-3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。
本发明的采用国产等离子熔覆设备，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2-0.8m3/h，保护氩气流量为0.4-1.0m3/h，电离气体流量为0.5-1.2m3/h，电流为280-380A，扫描速度为350-480mm/min。
本发明的优点在于，所制备的合金涂层与基体呈冶金结合，由于所使用的设备及原料成本较低，因此制备成本大大降低，其原理是通过合理设计熔覆粉末成分，依靠等离子熔覆过程中快速冷确的特点来得到非晶纳米晶涂层。所得到的非晶纳米晶复合涂层，不但具有优异的耐磨耐腐蚀性能，而且有良好的热稳定性。
附图说明
图1为等离子熔覆铁基涂层横断面形貌照片
图2为等离子熔覆铁基涂层X射线衍射图谱
图3为等离子熔覆铁基涂层场发射电镜(FESEM)照片
图4为等离子熔覆铁基涂层透射电镜(TEM)形貌图
图5为等离子熔覆铁基涂层的差热分析(DSC)曲线
具体实施方式
实施例1
多元素合金粉末的成分按重量百分比计为：C 0.5-3.0、B 2-5、Si 2-6、P 0.9-3.0、Mo 12.0-26.0、Ni 5.0-15.0、Cr 2.0-15.0、Re 0.8-3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。用等离子熔覆在A3钢基体上制备涂层，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2-0.8m3/h，保护氩气流量为0.4-1.0m3/h，电离气体流量为0.5-1.2m3/h，电流为280-380A，扫描速度为350-480mm/min。
实施例2
多元素合金粉末的成分按重量百分比计为：C 0.5-3.0、B 0.5-1.0、Si 1-3.5、P 0.9-3.0、Mo 12.0-26.0、Ni 5.0-15.0、Cr 2.0-15.0、Re 0.8-3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。用等离子熔覆在A3钢基体上制备涂层，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2-0.8m3/h，保护氩气流量为0.4-1.0m3/h，电离气体流量为0.5-1.2m3/h，电流为280-380A，扫描速度为350-480mm/min。
实施例3
多元素合金粉末的成分按重量百分比计为：C 0.5-3.0、B 0.5-1.0、P 1.0-2.0、Al 2.5-3.0、Mo 18.0-25.0、Ni 7.0-10.0、Cr 4.0-8.0、Zr 2.5-3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。用等离子熔覆在A3钢基体上制备涂层，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2-0.8m3/h，保护氩气流量为0.4-1.0m3/h，电离气体流量为0.5-1.2m3/h，电流为280-380A，扫描速度为350-480mm/min。
选择实施例1做涂层分析。
涂层的晶体结构
图1是等离子熔覆铁基涂层横断面形貌照片，可以看出是涂层的搭接形貌，涂层与基体为良好冶金结合，表层中裂纹、气孔以及夹杂等缺陷也较少。图2是等离子熔覆铁基涂层X射线衍射图谱，从图中可以看出：涂层中除了含有非晶外，还含有结晶物质。对照标准衍射图谱可以查出涂层含有(FeNi)、Fe1.91C0.09和Fe0.54Mo0.37相，根据衍射峰的半高宽，利用谢乐公式(其中常数取0.89，λ取0.1542nm)分别计算了这三种物质的平均晶粒尺寸：(FeNi)的平均晶粒尺寸为24nm，Fe1.91C0.09的平均晶粒尺寸为23nm，Fe0.54Mo0.37的平均晶粒尺寸为22nm。采用本发明的方法制备出了铁基非晶纳米晶复合涂层。
涂层的微观组织结构
用场发射扫面电镜观察了涂层的微观组织结构，结果见附图3。从中可以看出：涂层的微观组织比较均匀，涂层中弥散分布有不同颗粒大小的多晶成分，测量这些多晶成分的尺寸，测量得到其尺寸分布在10～100nm之间，与用X衍射的衍射峰的半高宽经过谢乐公式计算的晶粒尺寸基本吻合。利用透射电镜对涂层的微区衍射花样(见图4)也表明了涂层中除了含有非晶外还含有结晶物质，而结晶物质是纳米尺寸，可见采用本发明的方法制备出了铁基非晶纳米晶复合涂层。
涂层的硬度
本发明用上海泰明公司的HXD-1000TM数字式显微硬度计测量了所得涂层硬度，最高显微硬度达到1390.2HV100，平均显微硬度为1052.2HV100。
涂层的热稳定性
用NETZSCH STA 409C热分析仪上测定了涂层的DSC曲线，选用氩气为保护性气体，氩气的流速为50ml/min，升温速度为30.0℃/min，加热到850℃。实验数据见附图5，从中可以看出：分析表明涂层非晶的非晶转变温度Tg及晶化温度Tx分别为626.9℃及696.4℃，表征非晶合金过冷液相区的ΔT＝Tx-Tg＝69.5℃，表明所得到的涂层具有较强的非晶形成能力，同时涂层还具有优良的热稳定性(696.4℃涂层才开始晶化)。起始晶化温度为696.4℃左右，这表明在696.4℃以下涂层是稳定的，不会发生晶化过程。本发明所制备的铁基非晶纳米晶复合涂层具有很高的热稳定性。
涂层的耐磨
实验设备：MM-W1型立式万能摩擦磨损实验机，磨损试样的制备：将试样切成直径为31.7mm，厚度为8mm的圆形试样，参数：所用的摩擦副为氧化铝小球，转速约为200转/min，施加的载荷约为50N，实验时间为60分钟。对比试样为淬火处理后的45号钢(平均显微硬度830HV100)，试验数据见附表1，可以发现：本发明所制备的钼基非晶纳米晶涂层具有很高的耐蚀性。
附表1铁基熔覆涂层的摩擦磨损系数
  试样 硬度HV 磨损前重量mg 磨损后重量mg 失重量mg 摩擦系数
淬火45号钢     830     48148.4     48140.0     8.4     0.56
熔覆涂层     980     43956.1     43951.6     4.5     0.42
涂层的耐腐蚀
采用国产CHI660B电化学工作站测定涂层的电化学性能，试样大小为10mm×6mm，在3.5％的NaCl溶液中浸泡10min后进行电化学动电为扫描，扫描速度为0.01V/s，参比电极为饱和甘汞电极，2cm*2cm的铂电极作为辅助电极。对比试样为0Cr13Ni5Mo不锈钢。试验数据见附表2，可以发现：本发明所制备的钼基非晶纳米晶涂层具有很高的耐蚀性。
附表2等离子熔覆铁基涂层的电化学参数
试样 测试参数             试样编号 平均值
    1#   2#   3#
铁基涂层   E(I＝0)(mv)     -590.5   -296.7   -437.7   -441.6
 Icorr(R)(uA/cm2)     2.500   1.803   2.242   2.182
0Cr13Ni5Mo不锈钢  E(I＝0)(mv)     -350.4   -404.3   -382.1   -378.9
 Icorr(R)(uA/cm2)     7.529   9.522   9.123   8.724

Claims (2)

1、一种等离子熔覆铁基非晶纳米晶涂层，其特征在于，各元素合金粉末的成分按重量百分比计为：C 0.5-3.0、B 2-5、Si 2-6、P 0.9-3.0、Mo 12.0-26.0、Ni 5.0-15.0、Cr 2.0-15.0、Re 0.8-3.0、Fe余量，粒度范围106～180微米。
2、一种等离子喷涂钼基非晶纳米晶涂层的制备方法，其特征在于，用等离子熔覆在A3钢基体上制备涂层，熔覆工艺参数为：用Ar作为保护和电离气体，送粉氩气流量为0.2-0.8m3/h，保护氩气流量为0.4-1.0m3/h，电离气体流量为0.5-1.2m3/h，电流为280-380A，扫描速度为350-480mm/min。
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Zhang et al. Corrosion and wear resistance of SiC: Cu: aC composite films prepared by magnetron sputtering

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