CN102181817B - 等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法，首先将工业纯铁、工业硼铁、工业硅铁按Fe₇₉Si₁₀B₁₁的比例或将工业纯铁、工业磷铁和碳黑按Fe₈₀P₁₃C₇的比例在自制高能球磨机中进行球磨，制备出机械合金化的喷涂粉末；采用大气等离子喷涂方法，将合金化的粉末送到等离子喷涂设备的枪嘴前，经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到表面处理过的基体上，通过自然冷却，即得到铁基多晶态合金涂层。本发明的方法，克服了现有等离子喷涂晶体粉末只能制备晶体涂层的技术偏见，利用本发明方法可制备得到具有多晶成分高、耐磨性能优良的涂层。

Description

等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种多晶涂层的制备方法，具体涉及一种机械合金化粉末等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法。                            

背景技术

多晶态合金是金属的结晶组织中含晶体和非晶的合金。多晶材料的性能兼有非晶合金高强度、高韧性、高硬度、极高的抗腐蚀性能和金属材料导电、导热的性能，是一类很有发展前途的新型材料。

常见的多晶合金是金属的纳米材料，由于纳米材料的粒子比较细小，在材料的内部容易形成原子排列的短程有序而长程无序的金属合金出现，这种原子排列的短程有序而长程无序的金属是非晶的组织，但又不可能完全形成这种组织，这样就在晶体材料内部部分出现非晶的组织。将这种含有非晶和晶体的材料称之为多晶材料。

纳米粉末的热喷涂容易制备多晶涂层，但是，纳米粉末的粒径较小，喷涂的粒子沉积率低，加之粉末的质量轻，飞行的动量小，使得涂层的结合强度低。为此发明了一种机械合金化粉末的喷涂制备多晶涂层的方法。

机械合金化(Mechanical Alloying，简写MA)是一种材料固态非平衡加工新技术。是将两种或多种元素混合粉末在高能球磨机中长时间运转而机械混合，粉末吸收环境传递的机械能，承受冲击、剪切、摩擦和压缩等多种力的作用，在球磨介质的作用下，经过反复的挤压、焊合、破碎和断裂等相互结合的过程并经过扩散或固态反应而实现合金化的目的。在机械合金化过程中引入了大量的界面、位错等缺陷，从而显著降低了元素的扩散激活能，使得组元在室温下就可发生较快的扩散，合金化过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应，因此这种技术不受物质蒸汽压、熔点等物理特性因素的制约，使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化和远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质的合成成为可能。将机械合金化加工过的粉末进行热喷涂就可以制备出性能优异的多晶涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法，克服了现有等离子喷涂技术不能喷涂微米级粉末制备多晶涂层的问题。

本发明所采用的技术方案是，等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

步骤1，首先制备机械合金化粉末：

根据要制备的合金喷涂层的成分称取各种原料的质量；

如果要制备的铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁，则按Fe₇₉Si₁₀B₁₁的化学成分质量百分比：79%的Fe，10%的Si，11%的B，分别称取工业纯铁、工业硅铁和工业硼铁；

如果要制备的铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₈₀P₁₃C₇，则按Fe₈₀P₁₃C₇的化学成分质量百分比：80%的Fe，13%的P，7%的C，分别称取工业纯铁、工业磷铁和碳黑；

将备好的原料在球磨机中进行球磨，球磨后的机械合金化粉末的粒径为6μm—15μm；

步骤2，制备多晶态合金涂层：

采用大气等离子喷涂方法，将步骤1制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.30Mpa～0.40Mpa，氩气压力0.65Mpa～0.70Mpa，电压50V～80V，电流500A～600A，喷涂距离80mm～150mm；经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层。

上述步骤1中将备好的原料在高能球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间10～16小时。

本发明的有益效果是，利用一般廉价的工业原料，采用机械合金化的方法制备喷涂粉末，然后进行等离子喷涂来制备多晶合金涂层。使制备的涂层兼有非晶涂层硬度高，耐磨性好和晶态涂层的柔性高、不容易脆断的优点。这种涂层可以作为机械的耐磨表面。

附图说明

图1 为本发明实施例1中质量百分比为79%Fe，10%Si，11%B的混合粉末球磨16小时的XRD图谱；

图2 为本发明实施例1中Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层的电子衍射花样图；

图3 为本发明实施例1中Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层与40Cr材料的耐磨性比较图；

图4 为本发明实施例2中80%Fe，13%P，7%C混合粉末球磨16小时的XRD图谱；

图5 为本发明实施例2中Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层的电子衍射花样图；

图6为本发明实施例2中Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层与40Cr材料的耐磨性比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

需制备成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₇₉Si₁₀B₁₁的化学成分质量百分比：79%的Fe，10%的Si，11%的B，分别称取工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁；工业纯铁中各元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量0.002%，余量为Fe；工业硼铁中各元素的质量百分比为：含B量 18.24%、含Si量 0.82%、含C量 0.4%、含Al量 0.27%，余量为Fe；工业硅铁中各元素的质量百分比为：含Si量 75.25%、含S量 0.018%、含C量 0.09%、含P量 0.03%、含Mn量 0.36%、含Cr量 0.27%，余量为Fe；将工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间16小时，球磨后的机械合金化粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.30Mpa，氩气压力0.65Mpa，电压50V，电流500A，喷涂距离80mm；经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁。

图1为本实施例质量百分比为79%的Fe，10%的Si，11%的B的混合粉末球磨16小时的XRD图谱，由图可见，球磨后的合金粉末仍是晶体，但已有部分合金化。

图2为本实施例制备的Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层的电子衍射花样，由图可见，组织为环状的点斑纹，说明涂层为多晶组织。

图3为本实施例制备的Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层的耐磨性比较图，由图可见，Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时，Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层的耐磨性是40Cr材料的3倍。

实施例2

需制备成分为Fe₈₀P₁₃C₇的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₈₀P₁₃C₇的化学成分质量百分比：80%的Fe，13%的P，7%的C分别称取工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑；工业纯铁中各个元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量 0.002%，余量为Fe；工业磷铁粉中各个元素的质量百分比为: 含Si量1.56%、含Mn量0.78%、含P量 24.98%，余量为Fe； 纯碳黑的含C量为100%；将工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间16小时，球磨后的机械合金化粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.30Mpa，氩气压力0.65Mpa，电压50V，电流500A，喷涂距离80mm。经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₈₀P₁₃C₇。

图4为本实施例质量百分比为80%的Fe，13%的P，7%的C的混合粉末球磨16小时的XRD图谱，由图可见，球磨后的合金粉末仍是晶体，但已有部分合金化。

图5为本实施例制备的Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层的电子衍射花样，由图可见，组织为环状的点斑纹，说明涂层为多晶组织。

图6为本实施例制备的Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层的耐磨性比较图，从图可见，Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时，Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层的耐磨性是40Cr材料的8倍。

实施例3

需制备成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₇₉Si₁₀B₁₁的化学成分质量百分比：79%的Fe，10%的Si，11%的B，分别称取工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁；工业纯铁中各元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量0.002%，余量为Fe；工业硼铁中各元素的质量百分比为：含B量 18.24%、含Si量 0.82%、含C量 0.4%、含Al量 0.27%，余量为Fe；工业硅铁中各元素的质量百分比为：含Si量 75.25%、含S量 0.018%、含C量 0.09%、含P量 0.03%、含Mn量 0.36%、含Cr量 0.27%，余量为Fe；将工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间10小时，球磨后的机械合金粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.35Mpa，氩气压力0.68Mpa，电压70V，电流550A，喷涂距离120mm。经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁。

本实施例制备的Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时的耐磨性是40Cr材料的3倍。

实施例4

需制备成分为Fe₈₀P₁₃C₇的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₈₀P₁₃C₇的化学成分质量百分比：80%的Fe，13%的P，7% 的C分别称取工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑；工业纯铁中各个元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量 0.002%，余量为Fe；工业磷铁粉中各个元素的质量百分比为:含Si量1.56%、含Mn量0.78%、含P量 24.98%，余量为Fe；纯碳黑的含C量为100%；将工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间10小时，球磨后的机械合金粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.35Mpa，氩气压力0.68Mpa，电压70V，电流550A，喷涂距离120mm。经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₈₀P₁₃C₇。

本实施例制备的Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时的耐磨性是40Cr材料的7.5倍。

实施例5

需制备成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₇₉Si₁₀B₁₁的化学成分质量百分比：79%的Fe，10%的Si，11%的B，分别称取工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁；工业纯铁中各元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量0.002%，余量为Fe；工业硼铁中各元素的质量百分比为：含B量 18.24%、含Si量 0.82%、含C量 0.4%、含Al量 0.27%，余量为Fe；工业硅铁中各元素的质量百分比为：含Si量 75.25%、含S量 0.018%、含C量 0.09%、含P量 0.03%、含Mn量 0.36%、含Cr量 0.27%，余量为Fe；将工业纯铁、工业硼铁和工业硅铁在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间12小时，球磨后的机械合金粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.40Mpa，氩气压力0.70Mpa，电压80V，电流600A，喷涂距离150mm。经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁。

本实施例制备的Fe₇₉Si₁₀B₁₁合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时的耐磨性是40Cr材料的2.8倍。

实施例6

需制备成分为Fe₈₀P₁₃C₇的铁基多晶态合金涂层，根据Fe₈₀P₁₃C₇的化学成分质量百分比：80%的Fe，13%的P，7%的C分别称取工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑；工业纯铁中各个元素的质量百分比为：含Si量 0.025%、含Mn量 0.15%、含P量 0.01%、含S量 0.026%、含C量 0.002%，余量为Fe；工业磷铁粉中各个元素的质量百分比为:含Si量1.56%、含Mn量0.78%、含P量 24.98%，余量为Fe； 纯碳黑的含C量为100%；将工业纯铁、工业磷铁粉和纯碳黑在高能球磨机中进行球磨，球磨时转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间12小时，球磨后的机械合金粉末的粒径为6μm—15μm。

采用大气等离子喷涂方法，将上述制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.40Mpa，氩气压力0.70Mpa，电压80V，电流600A，喷涂距离150mm。经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层，该铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₈₀P₁₃C₇。

本实施例制备的Fe₈₀P₁₃C₇合金喷涂层与40Cr材料对磨3小时的耐磨性是40Cr材料的7.5倍。

Claims (1)

1.等离子喷涂制备多晶耐磨涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首先制备机械合金化粉末：

根据要制备的合金喷涂层的成分称取各种原料的质量；

如果要制备的铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₇₉Si₁₀B₁₁，则按Fe₇₉Si₁₀B₁₁的化学成分质量百分比：79%的Fe，10%的Si，11%的B，分别称取工业纯铁、工业硅铁和工业硼铁；

如果要制备的铁基多晶态合金涂层的成分为Fe₈₀P₁₃C₇，则按Fe₈₀P₁₃C₇的化学成分质量百分比：80%的Fe，13%的P，7%的C，分别称取工业纯铁、工业磷铁和碳黑；

将备好的原料在高能球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，球料比为5:1，球磨温度为室温，球磨时间10～16小时，球磨后的机械合金化粉末的粒径为6μm—15μm；

步骤2，制备多晶态合金涂层：

采用大气等离子喷涂方法，将步骤1制备的机械合金化粉末通过送粉器输送到等离子喷涂设备的枪嘴前，控制等离子喷涂设备的工艺参数：氢气压力0.30Mpa～0.40Mpa，氩气压力0.65Mpa～0.70Mpa，电压50V～80V，电流500A～600A，喷涂距离80mm～150mm；经等离子喷涂设备瞬间加热雾化喷射到经过表面处理过的钢铁表面，冷却后得到铁基多晶态合金涂层。

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