CN102505091B - 一种涂覆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合金领域，具体涉及一种涂覆材料及其制备方法。该涂覆材料的原料由14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨构成。激光熔覆制得的该涂覆材料在室温(20℃)～600℃拥有较好的减摩耐磨性能，可以有效提高基体在高温下耐磨减摩性能。
Description
技术领域
本发明涉及合金领域，特别涉及一种涂覆材料及其制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18％、Ni 8％～10％、C约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9)因其具有较好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度、机械性能，在化工、汽车、建筑、医疗、食品等领域均得到了广泛的应用，但受其高温强度低、耐磨性差等缺点的制约，一般不能用作高温下的运动副零部件。由于磨损基本发生于材料或零部件的表面，因此采用合适的表面工程手段在材料表面制备硬度高、耐磨性好的涂层具有可行性，不仅可以拓宽奥氏体不锈钢的应用领域和范围(如核能、军工、冶金等领域；高温、高速、重载等环境)，还可有效提高材料或零部件的使用寿命，节约成本、保护环境。
目前，常用的复合材料有镍基、铁基、钴基合金，并加入一些碳化物增强相(如碳化钨、碳化铬、碳化钛等)，采用这些高温高硬度耐磨材料或涂层虽然大大地提高了工件自身的硬度及高温耐磨性能，但与此同时，在很多情况下却加剧了对偶件的磨损，即对配偶件的摩擦相容性或者说自润滑性能差，这在很多情况下是很有害和不允许的，所以复合材料涂层不仅要具有优异的高温耐磨性能，还应具有一定的高温减摩性能。因此，提供一种高温耐磨减摩性能较好的涂覆材料，具有现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种涂覆材料及其制备方法。该涂覆材料包括14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨。激光熔覆制得的该涂覆材料在室温(20℃)～600℃拥有较好的减摩耐磨性能，可以有效提高基体在高温下耐磨减摩性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种涂覆材料，由如下重量份组分制成：
镍 14～17.5重量份
铬 3～3.5重量份
碳化铬 49～52.5重量份
二硫化钨 25～30重量份。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的一种涂覆材料，由如下重量份组分制成：
镍 15.5～17.5重量份
铬 3.2～3.5重量份
碳化铬 50.5～52.5重量份
二硫化钨 28～30重量份。
本发明还提供了一种涂覆材料的制备方法，取14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨，粉碎后与粘接剂混合，涂覆、烘干后，在惰性气体保护下激光熔覆，即得。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，粘接剂为甲基纤维素或酚醛树脂。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，黏接剂为2123酚醛树脂，由苯酚、甲醛在酸性催化剂作用下缩聚而成。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光熔覆为单道激光扫描或多道激光搭接扫描。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，多道激光搭接扫描的搭接率为25～40％。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，多道激光搭接扫描的搭接率为30％。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光为CO2激光。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的功率为1.0～2.0kw。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的功率为1.5kw。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的扫描速度为3～5mm/s。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的扫描速度为4mm/s。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的矩形光斑尺寸为6mm×3mm。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的圆形光斑直径为3～5mm。
本发明还提供了根据上述制备方法制得的涂覆材料。
本发明提供了一种涂覆材料及其制备方法。该涂覆材料的原料包括14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨。激光熔覆制得的该涂覆材料组织致密、孔隙率较低；晶粒细小、宏观力学性能较好；与基体形成冶金结合、结合强度高。该涂覆材料在室温(20℃)～600℃拥有较好的减摩耐磨性能。通过对基体进行表面改性，激光熔覆上述高温减摩耐磨涂覆材料，可以有效提高基体在高温下耐磨减摩性能，延长其寿命，节约成本、保护环境，并拓宽了其在高温摩擦运动领域的应用。
附图说明
图1示本发明提供的涂覆材料的显微硬度曲线；
图2示本发明提供的涂覆材料与奥氏体不锈钢基体在不同温度下的摩擦系数；其中，
示奥氏体不锈钢基体在不同温度下的摩擦系数，
示本发明提供的涂覆材料在不同温度下的摩擦系数；
图3示本发明提供的涂覆材料与奥氏体不锈钢基体在不同温度下的磨损率；其中，
示奥氏体不锈钢基体在不同温度下的磨损率，
示本发明提供的涂覆材料在不同温度下的磨损率。
具体实施方式
本发明公开了一种涂覆材料及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种涂覆材料，由如下重量份组分制成：
镍 14～17.5重量份
铬 3～3.5重量份
碳化铬 49～52.5重量份
二硫化钨 25～30重量份。
其中，镍铬合金(NiCr)作为碳化铬(Cr3C2)陶瓷相的金属粘接剂，并提供优异的高温抗氧化性能及比单一陶瓷材料高得多的强韧性。碳化铬(Cr3C2)作为硬质增强相，提供较高的高温硬度、优异的高温化学及组织稳定性及耐磨性能。二硫化钨(WS2)作为润滑相有效地减轻高温耐磨复合涂层自身及其对偶件的摩擦磨损，提高其高温耐磨寿命。
目前，涂覆材料的制备方法有等离子喷涂和激光熔覆。采用等离子喷涂所制备的涂覆材料有如下缺点：组织疏松、有较多的孔隙及夹渣；与基体以机械结合为主、结合强度较低，特别是在冲击载荷下，等离子喷涂涂覆材料易于剥落。激光熔覆技术是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层，其优点是：涂覆材料组织致密、孔隙率较低；晶粒细小、宏观力学性能较高(细晶强化)；与基体形成冶金结合、结合强度很高。因此，本发明采用激光熔覆技术制备涂覆材料。
本发明提供了一种涂覆材料的制备方法，取14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨，粉碎后与粘接剂混合，涂覆、烘干后，在惰性气体保护下激光熔覆，即得；惰性气体可以为氮气或氩气。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，粘接剂为甲基纤维素或酚醛树脂。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，黏接剂为2123酚醛树脂，由苯酚、甲醛在酸性催化剂作用下缩聚而成。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光熔覆为单道激光扫描或多道激光搭接扫描。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，多道激光搭接扫描的搭接率为25～40％。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，多道激光搭接扫描的搭接率为30％。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，所述激光为CO2激光，激光的功率为1.0～2.0kw。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的功率为1.5kw。
在本发明提供的一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的扫描速度为3～5mm/s。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的扫描速度为4mm/s。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的矩形光斑尺寸为6mm×3mm。
在本发明提供的另一些实施例中，本发明提供的涂覆材料的制备方法中，激光的圆形光斑直径为3～5mm。
本发明提供的涂覆材料，可以涂覆于任何金属基材，在本发明的一些实施例中，涂覆材料涂覆于奥氏体不锈钢，本发明在此不做限定。试验表明，本发明提供的涂覆材料均可以提高基体在高温下的耐磨减摩性能。
本发明提供了一种涂覆材料及其制备方法。该涂覆材料的原料包括14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨。激光熔覆制得的涂覆材料在室温(20℃)～600℃拥有较好的减摩耐磨性能。通过对基体进行表面改性，激光熔覆上述高温减摩耐磨涂覆材料，可以有效提高基体在高温下摩擦学性能，延长基体寿命，并拓宽了其在高温摩擦运动领域的应用。
本发明提供的涂覆材料中各组分均可由市场购得，其中，WS2购自长沙联恒科技有限公司，Cr3C2购自湖南三七冶金材料有限公司。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1
取14重量份的镍、3.2重量份的铬、51重量份的碳化铬、25重量份的二硫化钨，粉碎后得到粉末混合物。用2123酚醛树脂作粘接剂，与上述粉末混合物混合，涂覆在奥氏体不锈钢表面，烘烤干燥。
向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化，用功率为1.0kW的单道CO2激光辐照涂层，即得。激光的矩形光斑尺寸为6mm×3mm，扫描速度为5mm/s经检测，制得的奥氏体不锈钢涂层主要包括Cr7C3、γ-(Fe，Ni)、(Cr，W)C复杂碳化物以及少量的WS2及CrS。
实施例2
取17.5重量份的镍、3.5重量份的铬、49重量份的碳化铬、30重量份的二硫化钨，粉碎后得到粉末混合物。用甲基纤维素作粘接剂，与上述粉末混合物混合，涂覆在奥氏体不锈钢表面，烘烤干燥。
向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化，用功率为1.5kW的多道搭接CO2激光辐照涂层，即得。激光的矩形光斑尺寸为6mm×3mm，扫描速度为4mm/s，多道搭接激光的搭接率为30％。
实施例3
取15.5重量份的镍、3重量份的铬、50重量份的碳化铬、30重量份的二硫化钨，粉碎后得到粉末混合物。用甲基纤维素作粘接剂，与上述粉末混合物混合，涂覆在奥氏体不锈钢表面，烘烤干燥。
向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化，用功率为2.0kW的多道搭接CO2激光辐照涂层，即得。激光的圆形光斑直径为3mm，扫描速度为3mm/s，多道搭接激光的搭接率为25％。
实施例4
取16.5重量份的镍、3.3重量份的铬、52.5重量份的碳化铬、25重量份的二硫化钨，粉碎后得到粉末混合物。用2123酚醛树脂作粘接剂，与上述粉末混合物混合，涂覆在奥氏体不锈钢表面，烘烤干燥。
向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化，用功率为1.5kW的多道搭接CO2激光辐照涂层，即得。激光的圆形光斑尺寸为5mm，扫描速度为4mm/s，多道搭接激光的搭接率为40％。
实施例5
取17.5重量份的镍、3.4重量份的铬、49重量份的碳化铬、28重量份的二硫化钨，粉碎后得到粉末混合物。用酚醛树脂作粘接剂，与上述粉末混合物混合，涂覆在奥氏体不锈钢表面，烘烤干燥。
向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化，用功率为1.8kW的多道搭接CO2激光辐照涂层，即得。激光的圆形光斑尺寸为4mm，扫描速度为4mm/s，多道搭接激光的搭接率为35％。
实施例6
用MH-5显微硬度计，在加载载荷300g，加载时间为10s的条件下，检测实施例1至5提供的涂覆材料横截面硬度，涂层的横截面显微硬度值结果见表1，涂层的横截面显微硬度曲线见图1。
表1涂层的横截面显微硬度值
由图1可知，本发明实施例1至5提供的涂覆材料作为奥氏体不锈钢涂层，其显微硬度在1000～1240HV0.3，平均为1129HV0.3，而奥氏体不锈钢基体(0Cr18Ni9)的硬度只有260HV0.3，涂层的硬度是基体的4倍多，说明涂层有更好的耐磨性能。
实施例7
用球盘式高温摩擦磨损试验机(HT-1000，兰州中科凯华)，在摩擦对偶件为直径4mm的Si3N4陶瓷球，硬度为16Gpa(约1600HV)的条件下，检测实施例1至5提供的涂覆材料耐磨性能，磨损试验参数见表2，基体与涂层在不同测试温度下的摩擦系数，见表3和图2，基体与涂覆材料在不同测试温度下的磨损率见表4和图3。
表2磨损试验参数
| 负载(N) | 温度(℃) | 磨损时间(min) | 旋转半径(mm) | 线速度(m/min) |
| 5 | 20；300；600 | 20 | 2 | 16.889 |
表3基体与涂覆材料在不同测试温度下的摩擦系数值
表4基体与涂层在不同测试温度下的磨损率(10-5mm3/Nm)
由表3、图2可知，涂覆材料与0Cr18Ni9不锈钢基体都随着试验温度的升高，摩擦系数降低，特别是激光熔覆涂层的摩擦系数，无论是在室温(20℃)、300℃、600℃，都比0Cr18Ni9不锈钢基体低很多，说明涂覆材料中的WS2及CrS固体润滑相发挥了重要的减摩作用。由表4、图3可知，涂覆材料与0Cr18Ni9不锈钢基体都随着试验温度的升高，磨损率随之增加，无论是在室温(20℃)、300℃、600℃，0Cr18Ni9不锈钢基体的磨损率都远大于涂覆材料。
综合上述试验结果，涂覆材料在室温(20℃)～600℃拥有优异的减摩耐磨性能。通过对0Cr18Ni9不锈钢基体进行表面改性，激光熔覆上述高温减摩耐磨涂覆材料，可以有效提高不锈钢基体在高温下摩擦学性能，延长0Cr18Ni9不锈钢零部件的服役寿命，并拓宽了其在高温摩擦运动副领域的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种涂覆材料，其特征在于，由如下重量份组分制成：
所述涂覆材料的制备方法为，取14～17.5重量份的镍、3～3.5重量份的铬、49～52.5重量份的碳化铬、25～30重量份的二硫化钨，粉碎后与粘接剂混合，涂覆、烘干后，在惰性气体保护下激光熔覆，即得；
所述激光熔覆为多道激光搭接扫描；
所述多道激光搭接扫描的搭接率为25～40％；
所述激光为CO2激光；
所述激光的功率为1.0～2.0kw；
所述激光的扫描速度为3～5mm/s。
2.根据权利要求1所述的涂覆材料，其特征在于，其制备方法中所述粘接剂为甲基纤维素或酚醛树脂。
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