CN102251205B - 一种制备含CaF2自润滑相铁基涂层用粉芯丝材及涂层制备方法 - Google Patents
一种制备含CaF2自润滑相铁基涂层用粉芯丝材及涂层制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种制备含CaF2自润滑相铁基涂层用粉芯丝材及涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域，所述的粉芯成分质量百分含量如下：CaF2：15-45wt.％；铬铁粉：5-20wt.％；石墨粉：5-15wt.％；硼铁：20-75wt.％；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带；所述粉芯成分占喷涂丝总重的30-35％。用电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层时，对基体进行喷砂预处理，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：150-200mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。用本发明研制的粉芯丝材制备的自润滑复合涂层兼具耐磨和自润滑性能。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材及涂层的制备方法，特别涉及一种用于电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层的粉芯丝材及涂层的制备方法，该发明主要应用于固体自润滑、耐磨减摩等工业领域。
背景技术
在工业领域中，许多零部件之间在苛刻的工况下服役，其条件已超越了润滑油或润滑脂的使用极限，因此固体润滑替代传统的液体润滑的方法已被广泛研究。固体润滑的方式大致可分为三大类：固体粉末、固体润滑涂层和整体润滑材料。传统的软金属和其它固体润滑微粒粉末作为减磨覆盖层，强度低，耐磨性差，不能满足性能的综合要求，在这种情况下，固体自润滑复合材料应运而生。这种复合材料可根据工况要求方便地设计成份组成，一方面具有较高的强度和硬度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，在摩擦副之间形成固体润滑转移膜，减小摩擦副的摩擦系数和稳定摩擦功耗，实现无油或少油条件下自润滑的目的。因此具有优异综合性能的自润滑复合材料引起了润滑领域的广泛关注并迅速发展起来。
自润滑涂层可以保证基体材料本身具有的优异机械性能的基础上，使基体表面形成一层具有自润滑、耐磨损等综合性能的涂层。采用现代先进热喷涂技术，如等离子喷涂、超音速火焰喷涂等制备自润滑涂层的研究已引起广泛关注。在热喷涂技术中，主要采用等离子喷涂和超音速火焰喷涂来制备自润滑涂层，而采用电弧喷涂制备自润滑涂层在国内外还鲜有报道。
电弧喷涂用粉芯丝材的成分设计更加方便，与等离子喷涂、超音速火焰喷涂用粉末相比，制备工艺简单。经检索国内外未见电弧喷涂制备自润滑涂层用粉芯丝材的专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层的粉芯丝材及涂层制备方法。利用铁基非晶或纳米晶涂层具备良好的耐磨性提供耐磨骨架，CaF2性能稳定，在高温下软化而具有润滑性，并且有不擦伤对偶件的特性，该丝材经电弧喷涂在材料表面形成涂层后，涂层中包含一定含量层状分布的CaF2相，从而获得兼具耐磨性和自润滑性能的涂层。降低金属零部件在摩擦工况下的磨损率、延长服役寿命。
一种用电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：CaF2：15-45wt.％；铬铁粉：5-20wt.％；石墨粉：5-15wt.％；硼铁：20-75wt.％；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带；所述粉芯成分占喷涂丝总重的30-35％。
所述粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带，所述不锈钢带优选304L不锈钢带。
优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：CaF2：30-45wt.％；铬铁粉：10-20wt.％；石墨粉：10-15wt.％；硼铁：30-50wt.％。
进一步优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：CaF2：30-35wt.％；铬铁粉：10-15wt.％；石墨粉：10-15wt.％；硼铁：35-45wt.％。
采用本发明上述粉芯丝材制备一种含CaF2自润滑相铁基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对基体表面进行预处理：基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化；
步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；
步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：150-200mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。
步骤3所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：180mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa，制备涂层。
本发明所述方法制备的一种含CaF2自润滑相铁基涂层所具有的耐磨性和自润滑性能是其自身组分所决定的。
Fe元素：在地壳中占有较高的质量分数，Fe基非晶或纳米晶合金在保持较高的性价比的同时，又具有优异的耐磨性能，非常适合于制备恶劣服役环境中使用的材料表面强化涂层；
Cr元素：能显著改善钢铁材料的抗氧化性能，增加抗蚀性，是广泛应用于特殊钢中的添加元素；
B元素：在铁基合金中加入适量的B可以降低合金的熔点利于形成细小晶粒，提高涂层硬度增加耐磨性；
C元素：C是原子半径较小的类金属元素，C的加入使得合金体系中元素原子半径分布更加不规律，增大了整个系统的混乱度。C元素与Cr、Fe元素具有较强的亲和力，使得体系中类金属元素的扩散迁移受到抑制，从而有效阻碍或延迟了晶化过程中Fe23(C，B)6等晶体相的析出，提高了非晶/纳米晶体系中非晶相的形成能力。
CaF2：在涂层合金体系中加入CaF2，由于其较低的熔点和剪切力，在摩擦过程中扩散到涂层与摩擦副之间可以降低摩擦系数，减少磨损。
虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐磨性和自润滑性是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。
本发明是提供一种电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层用的粉芯丝材及涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂在材料表面形成涂层后，涂层中含有CaF2自润滑相，获得耐磨减摩涂层，用本发明研制的粉芯丝材制备的自润滑复合涂层兼具耐磨和自润滑性能。
附图说明
图1：实施例1-16与对比例涂层摩擦系数变化规律；
图2：实施例1-16与对比例涂层摩擦磨损失重量变化规律；
图3：实施例1-16涂层相对耐磨性变化规律；
图4：实施例16涂层的X射线衍射图谱；
图5：实施例16涂层的截面扫描电镜照片；
图6：实施例16涂层的截面扫描电镜照片对应位置Ca元素面扫描照片。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。
各实施例中相同部分如下所述：
1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的304L不锈钢带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；
2.基体选用Q235钢(Ф24×7.5mm、57×25×5mm)，并依照ASTMC633-79(1993年重新核准)中所规定的试件尺寸所制备的拉伸试样棒经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目棕刚玉，气体压力0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行喷砂粗化；
3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，磨粒磨损、摩擦磨损实验用涂层每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂至500μm；结合强度用涂层在同一实施例中，与磨粒磨损、摩擦磨损实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂至250μm。
实施例1：
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末50克、石墨粉粉末50克、硼铁粉末750克。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.45MPa。
实施例2
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末50克、石墨粉粉末50克、硼铁粉末750克。填充率：31％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.55MPa。
实施例3
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末50克、石墨粉粉末50克、硼铁粉末750克。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.55MPa。
实施例4
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末500克。填充率：33％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.4MPa。涂层X射线衍射图谱见图1。
实施例5
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末500克。填充率：34％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离160mm；压缩空气压力0.6MPa。
实施例6
取CaF2粉末150克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末500克。填充率：35％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.5MPa。
实施例7
取CaF2粉末300克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末450克。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.45MPa。
实施例8
取CaF2粉末300克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末450克。填充率：31％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离170mm；压缩空气压力0.55MPa。
实施例9
取CaF2粉末300克、铬铁粉粉末150克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末450克。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离160mm；压缩空气压力0.5MPa。
实施例10
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末100克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末350克。填充率：33％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4MPa。
实施例11
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末100克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末350克。填充率：34％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.55MPa。
实施例12
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末100克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末350克。填充率：35％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.5MPa。
实施例13
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末200克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末200克。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.45MPa。
实施例14
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末200克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末200克。填充率：31％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离160mm；压缩空气压力0.6MPa。
实施例15
取CaF2粉末450克、铬铁粉粉末200克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末200克。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.55MPa。
实施例16
取CaF2粉末350克、铬铁粉粉末100克、石墨粉粉末150克、硼铁粉末400克。填充率：33％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离160mm；压缩空气压力0.55MPa。
对比例
取铬铁粉粉末200克、石墨粉粉末100克、硼铁粉末700克。填充率：33％，轧制粉芯丝材，制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离160mm；压缩空气压力0.55MPa。
各实施例所制备涂层性能检测如下所述：
1.实施例所制备涂层的显微硬度测试采用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷100g，加载时间15s，取10点显微硬度平均值，见表1。
2.对实施例所制备涂层进行结合强度测试，依照ASTM C633-79(1993年重新核准)标准所述进行，粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制E-7型高温结构胶，胶体配比依照说明书提供，并经100℃/3h固化后进行结合强度测试，结果取3个试样的平均值，见表1。
3.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。
4.对实施例所制备涂层进行摩擦磨损实验，采用德国OPTIMOL公司生产的SRV高温摩擦磨损试验机，摩擦副为经调质处理的GCr15钢球，硬度为HRC62。参数如下：载荷50N，冲程2.5mm，频率50Hz，温度为200℃，摩擦时间20min，记录摩擦系数。在实验前、后，试样用丙酮溶液超声波清洗3-5分钟，并用精度为0.1mg的BS224S型电子天平称量试件前后的重量计算磨损失重量。
5.对实施例所制备涂层进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。参数如下：橡胶轮转速：240r/min、橡胶轮直径：178mm、橡胶轮硬度：60(绍尔硬度)、载荷100N、橡胶轮转数：预磨1000转、精磨2000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，试样用丙酮溶液超声波清洗3-5分钟，实验中用Q235钢作为对比试样，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。
通过综合考虑实施例1-16涂层显微硬度、结合强度、孔隙率、摩擦系数与摩擦磨损失重量以及相对耐磨性，实施例1-16与对比例涂层摩擦系数变化规律见图1，实施例1-16与对比例涂层摩擦磨损失重量变化规律见图2，实施例1-16涂层相对耐磨性变化规律见图3，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得耐磨减摩涂层。实施例16涂层的X射线衍射图谱见图4，实施例16涂层的截面扫描电镜照片见图5，实施例16涂层的截面扫描电镜照片对应位置Ca元素面扫描照片见图6。
表1 实施例1-16涂层显微硬度、结合强度及孔隙率
Claims (7)
1.一种粉芯丝材，是用于电弧喷涂制备含CaF2自润滑相铁基涂层的，其特征在于，所述的粉芯成分及质量百分含量如下：CaF2:15-45wt.%，铬铁粉:5-20wt.％，石墨粉:5-15wt.％，硼铁:20-75wt.%;粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带；所述粉芯成分占粉芯丝材总重的30-35%。
2.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为304L不锈钢带。
3.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：粉芯成分质量百分含量范围为：CaF2:30-45wt.%;铬铁粉:10-20wt.%;石墨粉:10-15wt.%;硼铁:30-50wt.%。
4.按照权利要求3的一种粉芯丝材，其特征在于：粉芯成分质量百分含量范围为：CaF2:30-35wt.%;铬铁粉:10-15wt.%;石墨粉:10-15wt.%;硼铁:35-45wt.%。
5.一种采用权利要求1的粉芯丝材制备含CaF2自润滑相铁基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对基体表面进行预处理：基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化；
步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；
步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：150-200mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤3所述的喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：150-180mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。
7.采用权利要求5的方法所制备的一种含CaF2自润滑相铁基涂层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121121 Termination date: 20130726 |