CN103114285B - 一种金属表面电接触强化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，包括：对金属表面进行粗化、清洁预处理；涂覆材料选用耐磨耐腐蚀的粉末材料；将粘结剂浆料与涂层粉末材料制备成液态涂料，并喷覆在金属表面；采用电接触强化装置强化上述预涂覆层。本发明使用电接触强化技术对金属表面进行涂层熔覆处理，可在金属表面获得表面质量好、内部缺陷少、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀的涂层，可提高工件的使用寿命。采用液态涂料的预涂覆方法制备预涂覆层，提高了粉末利用率，简化了操作，节约了成本，有利于工业推广及应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电接触表面强化加工技术，具体为一种利用接触电能在金属基体表面熔覆合金粉末涂层的表面强化方法，属于材料表面强化技术领域。
背景技术
磨损是金属构件的主要失效形式之一，在各个工业部门，许多机械装置在其正常使用过程中，表面间会经常发生接触、冲蚀等等，造成模具表层一定程度的磨损、剥落，久而久之，构件会因过度磨损、接触疲劳而失效。当前解决方法之一是在金属构件表面制备一层强化涂层以提高其耐磨损性能。
制备强化涂层的方法很多，如激光涂覆、热喷涂等高能量密度热源在表面强化技术方面的研究与应用，但是这些技术都存在着一定程度不足。热喷涂的涂层与基体为机械结合，结合强度不高。激光涂覆虽然可以达到冶金结合，但是涂层内容易形成裂纹，表面质量不高，还需进一步进行后续表面处理，而且还要考虑表面对激光能量的吸收效率的问题。
针对涂层与基体材料结合强度不高的问题，专利号为200810203166.8的中国专利公开一种提高涂层与工件结合力的电接触强化装置和方法。这种方法的原理就是使大脉冲电流通过强化涂层与电极之间，金属表面涂层在电极压力作用下利用接触电阻流经脉冲电流时产生的热量使涂层与基体发生熔融扩散以达到冶金结合的目的。这种专利技术可以提高热喷涂后的涂层与金属基体的结合方式。但以涂层制备方法角度看，采用热喷涂方式，有些涂层粉末材料在重复热影响过程中容易发生晶粒长大或氧化脱碳，使涂层性能降低，而且喷涂过程中噪音较大，粉尘污染大。这种方法操作也不够简便，涂层粉末浪费严重，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的问题是：涂层粉末材料在喷涂过程中的性能降低、热喷涂方法不够简便、过程噪音大并且涂层粉末浪费严重，成本较高。
为了解决上述问题，本发明提供一种在金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)：对金属表面进行粗化、清洁去垢的预处理；
2)：采用机械搅拌法将涂层粉末材料与粘结剂浆液制成预涂覆层的液态涂料；
3)：将步骤2)制得的液态涂料预置在金属表面形成预涂覆层；
4)：电接触强化预涂覆涂层：在压力的作用下，以电接触热将预置的涂覆层熔覆在金属表面，最终在基体表面制备获得高硬度、高耐磨性的涂层。
优选地，所述步骤2)中的涂层粉末材料为碳化钨类硬质合金粉末。
优选地，所述步骤2)中的粘结剂浆液的溶质为醋酸纤维素和羧甲基纤维素钠中的任意一种或两种；溶剂为乙二醇、丙酮、乙醇和蒸馏水中的任意一种或几种。
优选地，所述步骤3)具体为：用空气喷枪将液态涂料喷覆在所述的金属基体表面形成预涂覆层；预涂覆层形成后，直接强化或加热干燥后强化。
电接触熔覆技术是直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行涂层熔覆处理的工艺，该技术成本投入低，涂层与基体结合良好，并且由于强化时接触压力的存在，可以减少涂层内部的缺陷、提高涂层的致密度及表面质量，获得高质量的涂层，进一步达到提高硬度和耐磨性、耐蚀性的目的。
金属表面通过电接触熔覆涂层后，在金属表面形成三种与金属基体不同的金相组织，由表及里为白亮层、过渡层、热影响区、基体。其中白亮层为涂层；与白亮层靠近的是过渡层，它是涂层中的一些组成元素熔渗扩散到基体金属材料中，然后迅速冷却硬化而成；热影响区主要是由于电接触加热的高温在金属基体的温度梯度的影响作用，使金属基体的原始组织受到不同温度的影响造成的。
本发明采用涂层预喷覆的方法替代热喷涂，操作工艺简单，有效降低了噪音及粉尘污染，而且粉末可回收利用，降低了粉末的浪费。电接触强化后获得的涂层内部缺陷少、表面质量好，结合性能优，达到提高金属表面硬度、耐磨性、耐蚀性的目的。
本发明的有益效果为：
1.本发明工艺简单，成本低，粉末利用率高，制备涂层强化效果好，涂层的显微硬度高，并且强化层表面光洁、无裂纹，强化颗粒在涂层中分布均匀，强化涂层与基体呈冶金结合。
2.本发明采用的粘结剂与相对应的溶剂配比，可以使涂层粉末混合的更加均匀，形成混合均匀的液态涂料。在获得同样性能的涂层的同时，进一步简化了操作，而且粉末可回收利用，减少了粉末材料的浪费。
3.本发明采用空气喷枪将粉末悬浊液喷覆在金属基体表面，可以得到表面光洁、粉末颗粒分布均匀的预涂覆涂层。
4.本发明采用电接触强化的方法制备涂层。接触电阻热可瞬时提供高能量，达到反应所需的温度，由于强化过程中存在接触压力，可以降低涂层内部孔洞、空隙等缺陷，使涂层更加致密，并且提高涂层表面质量。同时由于冷却速度快，会使涂层颗粒及反应产物的晶粒来不及长大，细化涂层晶粒，提高涂层性能。
附图说明
图1为实施例1的强化涂层横截面的光学显微镜图；
图2是实施例1的涂层粉末材料与强化涂层表面的XRD分析图；
图3是实施例1的强化层横截面的硬度分析图；
图4是实施例1的强化层表面磨损量随时间变化的分析图；
图5是实施例1的强化层表面磨损量随载荷变化的分析图
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种金属表面电接触强化涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属表面进行粗化、清洗去垢的预处理，其中金属基体采用球墨铸铁QT 600-3，基体组织为铁素体、珠光体；
(2)采用机械搅拌法制备涂层材料与粘结剂浆料的液态涂料：将0-30克醋酸纤维素(CAS号：9004-35-7，国药集团化学试剂有限公司)、0-40克羧甲基纤维素钠(CAS号：9004-32-4，国药集团化学试剂有限公司)、0-100ml乙二醇(CAS号：107-21-1，国药集团化学试剂有限公司)、0-250ml丙酮(CAS号：67-64-1，国药集团化学试剂有限公司)、0-100ml乙醇(CAS号：64-17-5，国药集团化学试剂有限公司)与0-150ml蒸馏水搅拌混溶，得到粘结剂浆料，粘度为300-500mPa·s；粉末涂层材料采用WC-12％Co粉末(厦门金鹭特种合金有限公司，粉末粒度为15-45μm，元素含量为12.09wt.％Co、0.37wt.％Fe、5.18wt.％C)；将涂层粉末与含有粘结剂溶液进行机械搅拌混合待用；
(3)将上述粉体浆料预置在金属表面：用空气喷枪将上述悬浊液喷覆在金属基体表面，预涂覆层厚为0.3mm，由于所配粘结剂浆料的特有性能，剩余粉末可回收再利用，减少了粉末的浪费与环境污染，粉末利用率高；
(4)电接触强化预涂覆涂层：以电接触热能作为热源加热金属基体表面，预置的混合粉末涂层在高温和电极压力的环境中发生快速的热压烧结过程，最终在基体表面制备获得致密、均匀、缺陷少的WC-Co涂层。电接触强化过程实验装置采用专利号为200810203166.8的中国专利公开的电接触强化装置，本实施例强化工艺参数为：电接触强化电流I＝19kA，工件转动速度ω＝100s/r，接触压力F＝700N。
电接触表面熔覆WC-Co涂层后，对试样进行线切割，然后对试样横截面进行预磨、抛光、腐蚀，观察涂层横截面的组织变化(Axiovert 200型光学显微镜，Carl Zeiss，German)并测试涂层的物相变化(D/Max-2550PC X射线衍射仪，Tigaku，Japan)和硬度分布(HXS-1000A型显微硬度计，加载载荷500gf，加载时间10s，上海光学仪器厂)，最后对涂层表面的滚动磨损性能进行分析(MJP-20型滚动磨损试验机，试样转速为200r/min，加载载荷为200-500N，每半小时清洗干燥后采用TG328B型电子天平称重，济南竟成测试测试技术有限公司)。
图1为球墨铸铁表面电接触强化WC-Co涂层横截面的金相图片。球墨铸铁原始组织为珠光体，铁素体和石墨。电接触熔覆WC-Co涂层后，在金属表面形成三种与金属基体不同的金相组织，由表及里为白亮层、过渡层、热影响区。其中白亮层为WC-Co涂层，由于温度与压力的同时作用，涂层内部颗粒分布均匀致密；白亮层下方是过渡层，它是涂层中的一些组成元素熔渗扩散到基体金属材料中，然后迅速冷却硬化而成，涂层内的元素与基体元素发生冶金化合反应形成网状碳化物将涂层钉轧在基体上，大大提高涂层与基体的结合性能；热影响区主要是由于电接触加热的高温对金属基体的温度梯度的影响作用，使金属基体的原始组织受到不同温度的影响造成的，从图中可以看出靠近涂层的基体发生固相反应，生成马氏体组织，而石墨周围则形成硬质球壳。说明电接触熔覆可以使金属表面形成一层致密的涂层，而且涂层与基体为冶金结合。
图2为WC-Co粉末和电接触熔覆WC-Co涂层的XRD物相分析，可以清晰看出，涂层内部出现了(Co，Fe)、(Co，W)、(Fe，W)相，而涂层内新相的生成说明涂层内部颗粒与颗粒间的结合力增强。
图3为电接触熔覆WC-Co涂层内部硬度分布图，从图中可以看出电接触熔覆WC-Co涂层的平均硬度可以达到1100HV0.5，硬度分布较均匀。说明电接触熔覆WC-Co涂层的硬度性能较好。
图4、图5分别为强化涂层表面磨损失重与加载载荷、磨损时间之间的关系。从磨损失重与加载载荷、磨损时间之间的关系中可以看出电接触熔覆WC-Co涂层后表面磨损失重明显减少，说明电接触表面熔覆涂层可以明显改善金属基体表面的耐磨性能。
实施例2
一种金属表面电接触强化涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属表面进行粗化、清洗去垢的预处理，其中金属基体采用白口铸铁。
(2)采用机械搅拌法制备涂层材料与粘结剂浆料的混合物：将0-30克醋酸纤维素、0-40克羧甲基纤维素钠、0-100ml乙二醇、0-250ml丙酮、0-100ml乙醇与0-150ml蒸馏水搅拌混溶，得到粘结剂浆料，粘度为300-800mPa·s；粉末涂层材料采用WC-12％Co粉末；将涂层粉末与含有粘结剂浆料进行机械搅拌混合待用；
(3)将上述粉体浆料预置在金属表面：用空气喷枪将上述悬浊液喷覆在金属基体表面，预制涂层厚度为0.5mm；
(4)电接触强化预涂覆涂层：以电接触热能作为热源加热金属基体表面，预置的混合粉末涂层在高温和电极压力的环境中发生快速的热压烧结过程，最终在基体表面制备获得致密、均匀、缺陷少的WC-Co涂层。电接触强化过程实验装置采用专利号为200810203166.8的中国专利公开的电接触强化装置，强化工艺参数为：电接触强化电流I＝17kA，工件转动速度ω＝90s/r，接触压力F＝500N。
实施例3
一种金属表面电接触强化涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属表面进行粗化、清洗去垢的预处理，其中金属基体采用45钢。
(2)采用机械搅拌法制备涂层材料与粘结剂浆料的混合物：将0-30克醋酸纤维素、0-40克羧甲基纤维素钠、0-100ml乙二醇、0-250ml丙酮、0-100ml乙醇与0-150ml蒸馏水搅拌混溶，得到粘结剂浆料，粘度为300-500mPa·s；粉末涂层材料采用自制的纳米WC-1～4％MgO-1％Co(wt％)粉末(WC[CAS号：12070-12-1]、MgO[CAS号：1309-48-4]、Co[CAS号：7440-48-4]，均为国药集团化学试剂有限公司生产，对粉末进行机械力活化的设备为南京大学仪器厂生产的QM-1SP4行星式球磨机，球磨时间为50小时)，粒度为105nm；将涂层粉末与粘结剂浆料进行机械搅拌混合待用；
(3)将上述粉体浆料预置在金属表面：用空气喷枪将上述悬浊液喷覆在金属基体表面，预制涂层厚度为0.5mm；
(4)电接触强化预涂覆涂层：以电接触热能作为热源加热金属基体表面，预置的混合粉末涂层在高温和电极压力的环境中发生快速的热压烧结过程，最终在基体表面制备获得致密、均匀、缺陷少的涂层。电接触强化过程实验装置采用专利号为200810203166.8的中国专利公开的电接触强化装置，强化工艺参数为：电接触强化电流I＝25kA，工件转动速度ω＝110s/r，接触压力F＝600N。
实施例4
一种金属表面电接触强化涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属表面进行粗化、清洗去垢的预处理，其中金属基体采用45钢。
(2)采用机械搅拌法制备涂层材料与粘结剂浆料的混合物：将0-30克醋酸纤维素、0-40克羧甲基纤维素钠、0-100ml乙二醇、0-250ml丙酮、0-100ml乙醇与0-150ml蒸馏水搅拌混溶，得到粘结剂浆料，粘度为300-500mPa·s；粉末涂层材料采用自制的纳米WC-1～4％Al2O3(wt％)粉末(WC[CAS号：12070-12-1]、Al2O3[CAS号：1344-28-1]，均为国药集团化学试剂有限公司生产，对粉末进行机械力活化的设备为南京大学仪器厂生产的QM-1SP4行星式球磨机，球磨时间为50小时)；将涂层粉末与粘结剂浆料进行机械搅拌混合待用；
(3)将上述粉体浆料预置在金属表面：用空气喷枪将上述悬浊液喷覆在金属基体表面，预制涂层厚度为1mm；
(4)电接触强化预涂覆涂层：以电接触热能作为热源加热金属基体表面，预置的混合粉末涂层在高温和电极压力的环境中发生快速的热压烧结过程，最终在基体表面制备获得致密、均匀、缺陷少的涂层。电接触强化过程实验装置采用专利号为200810203166.8的中国专利公开的电接触强化装置，强化工艺参数为：电接触强化电流I＝20kA，工件转动速度ω＝90s/r，接触压力F＝800N。
Claims (4)
1.一种在金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)：对金属表面进行粗化、清洁去垢的预处理；
2)：采用机械搅拌法将涂层粉末材料与粘结剂浆液制成预涂覆层的液态涂料；
3)：将步骤2)制得的液态涂料预置在金属表面形成预涂覆层；
4)：电接触强化预涂覆涂层：在压力的作用下，以电接触热将预置的涂覆层熔覆在金属表面，最终在基体表面制备获得高硬度、高耐磨性的涂层。
2.根据权利要求1所述的在金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的涂层粉末材料为碳化钨类硬质合金粉末。
3.根据权利要求1所述的在金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的粘结剂浆液的溶质为醋酸纤维素和羧甲基纤维素钠中的任意一种或两种；溶剂为乙二醇、丙酮、乙醇和蒸馏水中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的在金属表面电接触强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：用空气喷枪将液态涂料喷覆在所述的金属基体表面形成预涂覆层；预涂覆层形成后，直接强化或加热干燥后强化。
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