CN103422048B - 一种高耐磨碳化硼涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨碳化硼涂层及其制备方法，所述涂层是由碳化硼硬质相和富镍连续相组成的B4C-Ni复合涂层，且所述富镍连续相中含有单质Ni、Ni-B化合物和Ni-C化合物。本发明所述涂层的制备是采用真空等离子体喷涂技术在金属基材上喷涂B4C-Ni复合粉体。本发明提供的碳化硼涂层的摩擦系数和磨损率均较纯B4C涂层明显降低，耐磨性能得到了显著提高；而且，本发明的制备方法简单，可制得厚度达200~500μm的涂层，能满足在耐摩擦磨损领域的广泛应用要求，具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硼涂层及其制备方法，具体说，是涉及一种具有高耐磨性能的碳化硼涂层及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。
背景技术
碳化硼是一种共价键极强的非氧化物陶瓷，硬度非常高，仅次于金刚石和立方氮化硼。作为一种有希望广泛应用于耐摩擦磨损领域的涂层材料，碳化硼近年来受到国内外一些研究机构的广泛关注。如美国通用汽车公司在齿轮表面涂覆一层碳化硼涂层，减少齿面磨损，延长了齿轮寿命。
目前制备碳化硼涂层的方法包括气相沉积、等离子体喷涂、真空镀膜、离子溅射、气体转换、反应烧结等，其中有关气相沉积和等离子体喷涂的报道最多。利用气相沉积法制得的碳化硼涂层均匀致密，但沉积温度过高，而耐磨涂层实际使用条件下的基体多为铝合金和不锈钢，这势必限制了涂层的使用范围。等离子喷涂法的生产效率比较高，可以制成较厚的碳化硼涂层，在金属基片上直接采用真空等离子喷涂法就可以实现200~300μm厚的B4C涂层。然而，碳化硼材料的低热导率和等离子体喷涂技术的工艺特点，决定了涂层较高的气孔率，一定程度上制约了涂层在耐磨材料领域的进一步应用。另外，随着科技的不断发展，对涂层材料的使用环境亦提出了更高的要求。因此，如何改善采用等离子体喷涂技术制备的碳化硼涂层的结构与耐磨性能成为了一个值得研究的课题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种具有高耐磨性能的碳化硼涂层及其制备方法，以满足碳化硼涂层在耐摩擦磨损领域的应用要求。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高耐磨碳化硼涂层，是由碳化硼硬质相和富镍连续相组成的B4C-Ni复合涂层，且所述富镍连续相中含有单质Ni、Ni-B化合物和Ni-C化合物。
作为一种优选方案，所述高耐磨碳化硼涂层中的镍含量为10~20vol%(体积百分比)。
作为进一步优选方案，所述的高耐磨碳化硼涂层的厚度为200~500μm。
一种所述的高耐磨碳化硼涂层的制备方法，是采用真空等离子体喷涂技术在金属基材上喷涂B4C-Ni复合粉体。
作为一种优选方案，所述的金属基材为不锈钢。
作为一种优选方案，进行真空等离子体喷涂的工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为35～50标准升/分钟；等离子体气体H2流量为8～18标准升/分钟；粉末载气Ar流量为2～4标准升/分钟；喷涂距离为120～250毫米；喷涂电流为600～700安培；喷涂压力为300～600毫巴；送料速率为15～30转/分钟。
作为一种优选方案，所述的B4C-Ni复合粉体采用化学镀法制备而得。
作为进一步优选方案，采用化学镀法制备B4C-Ni复合粉体的工艺包括如下步骤：
a)配制化学镀镍溶液；
b)加热上述的化学镀镍溶液至83℃，加入碳化硼粉体，搅拌；
c)保温在85℃进行化学镀；
d)施镀1～3小时后，过滤，水洗滤渣至中性，干燥，即得B4C-Ni复合粉体。
作为更进一步优选方案，所述的化学镀镍溶液是由浓度为0.16mol/L的NiSO4、浓度为0.32mol/L的NaH2PO4、浓度为0.75mol/L的NH4Cl及浓度为0.85mol/L的Na3C6H5O7水溶液组成，化学镀镍溶液的pH值为6.5。
与现有技术相比，因本发明提供的碳化硼涂层是由碳化硼硬质相和富镍连续相组成的B4C-Ni复合涂层，且所述富镍连续相中含有单质Ni、Ni-B化合物和Ni-C化合物；因此，本发明提供的碳化硼涂层的摩擦系数和磨损率均较纯B4C涂层明显降低，耐磨性能得到了显著提高；而且，本发明的制备方法简单，可制得厚度达200~500μm的涂层，能满足在耐摩擦磨损领域的广泛应用要求，具有实用价值。
附图说明
图1为本发明所述的B4C-Ni复合粉体的截面形貌图；
图2为本发明所述的B4C-Ni复合涂层的截面形貌图；
图3为实施例1及实施例2所制备的B4C-Ni复合粉体与B4C粉体的XRD对照图谱；
图4为实施例1及实施例2所制备的B4C-Ni复合涂层与对比例所制备的纯B4C涂层的XRD对照图谱。
具体实施方式
下面通过实施例及附图对本发明做进一步详细、完整地说明。
实施例1
a)采用化学镀法制备B4C-Ni复合粉体
按配比称取NiSO4·6H2O、NaH2PO4·H2O、NH4Cl及Na3C6H5O7·2H2O，分别配制成浓度为0.16mol/L的NiSO4水溶液、浓度为0.32mol/L的NaH2PO4水溶液、浓度为0.75mol/L的NH4Cl水溶液及浓度为0.85mol/L的Na3C6H5O7水溶液；取等体积的上述各溶液进行混合均匀；调节混合溶液的pH值为6.5，即得化学镀镍溶液；加热化学镀镍溶液至83℃，加入碳化硼粉体（按镍与碳化硼的体积比为1∶9称取碳化硼粉体），搅拌；保温在85℃进行化学镀；施镀2小时后，过滤，水洗滤渣至中性，在70℃干燥，即得B4C-Ni复合粉体；过300目筛待用。
b)制备涂层
1）对不锈钢基材进行预处理：将经喷砂(喷砂压强为0.2MPa)处理后的不锈钢圆片基材(Φ50mm×Φ6.5mm×7mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，在100℃烘干1小时备用；
2）采用真空等离子体喷涂技术在处理后的不锈钢圆片基材上制备涂层；进行真空等离子体喷涂的工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为45标准升/分钟；等离子体气体H2流量为8标准升/分钟；粉末载气Ar流量为3标准升/分钟；喷涂距离为250毫米；喷涂电流为600安培；喷涂压力为400毫巴；送料速率为15转/分钟；所喷涂的粉体为步骤a)制得的B4C-Ni复合粉体。
将制得的涂层经过一系列磨平、抛光工艺后（表面粗糙度0.2μm左右），与Φ9.525mm的WC-Co硬质合金球以球-盘（Ball-on-disk）接触方式对磨。摩擦试验设备为美国CETR公司的UMT-3多功能摩擦磨损测试仪。摩擦实验条件为：载荷20N，线速度为0.5m/s，摩擦时间为1800s。
对制得的B4C-Ni复合涂层的厚度、摩擦系数和磨损率的测量数据见表1所示。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：按镍与碳化硼的体积比为1∶4称取碳化硼粉体加入化学镀镍溶液中，进行化学镀制得B4C-Ni复合粉体；将所制备的B4C-Ni复合粉体喷涂于处理后的不锈钢圆片基材上的真空等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为40标准升/分钟；等离子体气体H2流量为15标准升/分钟；粉末载气Ar流量为4标准升/分钟；喷涂距离为180毫米；喷涂电流为700安培；喷涂压力为400毫巴；送料速率为30转/分钟。
对制得的B4C-Ni复合涂层的厚度、摩擦系数和磨损率的测量数据见表1所示。
对比例
按实施例2中所述的真空等离子体喷涂工艺参数在处理后的不锈钢圆片基材上喷涂B4C粉体制备纯B4C涂层。
对制得的纯B4C涂层的厚度、摩擦系数和磨损率的测量数据见表1所示。
表1涂层厚度、摩擦系数和磨损率的测量数据
| 涂层样品 | 厚度（μm） | 摩擦系数 | 磨损率（10-6mm3/Nm） |
| 实施例1 | 343 | 0.155 | 0.425 |
| 实施例2 | 476 | 0.237 | 0.576 |
| 对比例 | 220 | 0.330 | 1.174 |
由表1可见：采用相同的真空等离子体喷涂工艺，制备的B4C-Ni复合涂层的厚度要比纯碳化硼涂层的厚度明显提高；且制备的B4C-Ni复合涂层的摩擦系数和磨损率均比纯碳化硼涂层的摩擦系数和磨损率显著降低；说明本发明可获得高耐磨性能的碳化硼涂层。
图1为本发明所述的B4C-Ni复合粉体的截面形貌图，图2为本发明所述的B4C-Ni复合涂层的截面形貌图；对比图1和图2可见：碳化硼硬质相较为均匀地分散在富镍的连续相中。
图3为实施例1及实施例2所制备的B4C-Ni复合粉体与B4C粉体的XRD对照图谱；图4为实施例1及实施例2所制备的B4C-Ni复合涂层与对比例所制备的纯B4C涂层的XRD对照图谱；对比图3和图4可见：所制备的复合涂层晶相中除了含有B4C和单质Ni外，还含有Ni-B化合物和Ni-C化合物。
最后有必要在此指出的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高耐磨碳化硼涂层，其特征在于：所述涂层是由碳化硼硬质相和富镍连续相组成的B4C-Ni复合涂层，且所述富镍连续相中含有单质Ni、Ni-B化合物和Ni-C化合物；所述涂层中的镍含量为10～20vol％；所述涂层是采用真空等离子体喷涂技术在金属基材上喷涂B4C-Ni复合粉体制备得到；所述的B4C-Ni复合粉体采用化学镀法制备，包括如下步骤：
a)配制化学镀镍溶液；所述的化学镀镍溶液是由浓度为0.16mol/L的NiSO4、浓度为0.32mol/L的NaH2PO4、浓度为0.75mol/L的NH4Cl及浓度为0.85mol/L的Na3C6H5O7水溶液组成，化学镀镍溶液的pH值为6.5；
b)加热上述的化学镀镍溶液至83℃，加入碳化硼粉体，搅拌；
c)保温在85℃进行化学镀；
d)施镀1～3小时后，过滤，水洗滤渣至中性，干燥，即得B4C-Ni复合粉体。
2.根据权利要求1所述的高耐磨碳化硼涂层，其特征在于：所述高耐磨碳化硼涂层的厚度为200～500μm。
3.根据权利要求1所述的高耐磨碳化硼涂层，其特征在于：所述的金属基材为不锈钢。
4.根据权利要求1所述的高耐磨碳化硼涂层，其特征在于，进行真空等离子体喷涂的工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为35～50标准升/分钟；等离子体气体H2流量为8～18标准升/分钟；粉末载气Ar流量为2～4标准升/分钟；喷涂距离为120～250毫米；喷涂电流为600～700安培；喷涂压力为100～700毫巴；送料速率为15～30转/分钟。
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| 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 | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200317 Address after: 215400 No. 6 Liangfu Road, Taicang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: SUZHOU Research Institute SHANGHAI INSTITUTE OF CERAMICS CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Address before: 200050 No. 1295 Dingxi Road, Shanghai, Changning District Patentee before: SHANGHAI INSTITUTE OF CERAMICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 215400 No.6 Liangfu Road, Taicang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Institute of advanced inorganic materials Address before: 215400 No.6 Liangfu Road, Taicang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: SUZHOU Research Institute SHANGHAI INSTITUTE OF CERAMICS CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |