CN103882324B - 一种防腐耐磨涂层及其涂覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属表面防腐耐磨的涂层，该涂层材料的原料组分质量百分比如下：Mn粉：20~30%；Cr粉：7~12%；Al粉：7~12%；硼铁粉：10~25%；纳米Al2O3粉：1~4%；硅铁粉：0.5~1.0%。采用本发明的涂层，基体-熔覆层-渗氮层结合良好，无空隙、疏松，无裂纹，涂层组织结构晶粒细小，表面硬度高，具有良好的耐磨性和耐大气腐蚀性能，且涂层质量稳定。另外，本发明的涂层加工方法成本低，加工过程中无废气、废渣排放。
Description
技术领域
本发明涉及金属部件表面处理技术，特别涉及一种防腐耐磨涂层及其涂覆方法。
背景技术
金属材料的腐蚀、磨损已成为其主要失效形式，所造成经济损失十分惊人。据统计每年由于腐蚀、磨损而损耗的钢材占全世界钢产量的1/10，我国每年因腐蚀和磨损造成的损失近达4000亿元。因此，为了提高钢材的抗腐蚀耐磨损性能，在金属基材表面制备防腐耐磨强化的涂层是一种经济且有效的途径。
在金属基材表面激光熔覆中通常采用具有较好的耐磨、耐蚀性能的Ni基、Co基合金粉末，但是由于其价格昂贵，难以在表面强化领域推广应用。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种防腐耐磨涂层及其涂覆方法，提高金属基材的耐磨耐腐蚀，同时结合离子渗氮技术，可以改善熔覆层组织的不均匀性，进一步提高金属表面的硬度和耐磨，提高涂层的综合性能。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
本发明一方面涉及一种用于金属表面防腐耐磨的涂层，其特征在于，该涂层材料的原料组分质量百分比如下：
Mn粉：20~30%
Cr粉：7~12%
Al粉：7~12%
硼铁粉：10~25%
纳米Al2O3粉（平均粒径为20~200nm）：1~4%
硅铁粉：0.5~1.0%
其余为Fe和不可避免杂质，优选的，所述杂质总含量小于1%。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的涂层通过激光熔覆表面强化涂层制备。
进一步优选的，激光熔覆工艺在零件表面制备涂层的具体步骤包括：将粉末进行100~120℃烘干1.5~2h，工艺参数设置为：输出电流为100~130A，扫描速率为60~200mm/min，激光频率为3~10Hz，脉宽为6.0ms。
本发明另一方面还涉及在基体表面涂覆金属表面防腐耐磨涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）选取将要强化的零部件作为基体，对零件的待强化进行进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面以除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
（2）通过激光熔覆表面强化涂层在基体表面上述的涂层；
（3）对涂层涂层后的表面进行打磨和抛光处理，使表面粗糙度和清洁度达到所需的要求；
（4）对涂层涂层后的表面进行离子渗氮处理，使得涂层的最外层的渗氮层厚约20~30μm。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤（3）中将涂层表面精磨至表面粗糙度Ra=0.4~0.8μm，并用酒精清洗涂层表面。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于：步骤（4）中所用的离子渗氮炉先边加热边抽真空至30Pa以下，炉内温度为150~200℃时，然后开启弧光放电电源，且渗氮工艺参数设置为：炉内通氨气和石油烃，氨气流量为0.1m3/h，炉内压力为100~200Pa，渗氮温度为520~600℃，渗氮时间5~8h。
采用本发明的涂层，基体-熔覆层-渗氮层结合良好，无空隙、疏松，无裂纹，涂层组织结构晶粒细小，表面硬度高，具有良好的耐磨性和耐大气腐蚀性能，且涂层质量稳定。另外，本发明的涂层加工方法成本低，加工过程中无废气、废渣排放。
附图说明
结合附图，本发明的其他特点和优点可从下面通过举例来对本发明的原理进行解释的优选实施方式的说明中变得更清楚。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是涂层横截面上的显微硬度分布检测结果。
具体实施方式
实施例一：
（1）表面预处理
砂轮或砂纸打磨待加工H13钢表面，除锈，用酒精或丙酮清除油污。
（2）激光熔覆表面强化涂层制备
混合粉末：Fe-Mn-Cr合金粉，粉末配比：
Fe粉：35%
Mn粉：25%
Cr粉：10%
Al粉：10%
硼铁粉：17%
纳米Al2O3粉：2%
硅铁粉：1%
粉末进行100~120℃烘干1.5~2h，以去除粉末表面吸附的水分；
试验时激光工艺参数：输出电流为130A，扫描速率为180mm/min，激光频率为10Hz，脉宽为6.0ms。采用大面积多道搭接熔覆方法，搭接率为40%~80%；
（3）熔覆层后处理
表面打磨，抛光，将试样表面精磨至表面粗糙度Ra=0.4~0.8μm，并用酒精清洗涂层表面。
（4）离子渗氮
离子渗氮炉先边加热边抽真空至30Pa以下，炉内温度为150~200℃时，然后开启弧光放电电源，渗氮工艺参数：炉内通氨气和石油烃，氨气流量为0.1m3/h，炉内压力为180~200Pa，渗氮温度为580~600℃，渗氮时间8h。
（5）熔覆层的最外层（渗氮层）厚约20~30μm。基体-熔覆层-渗氮层结合良好，无空隙、疏松，无裂纹，涂层组织结构晶粒细小，表面硬度高，具有良好的耐磨性和耐大气腐蚀性能，且涂层质量稳定。此加工方法成本低，加工过程中无废气、废渣排放。
性能测试：
（1）显微硬度：用HMV-2T型显微硬度计对涂层样品横截面沿深度方向进行硬度测试，分别对涂层表层（渗氮层）和中间层（熔覆层）进行多点测试并计算平均值，其硬度值分布为HV1513和HV983，具体检测结果如图1所示。
（2）耐磨性试验：用球盘式摩擦试验机进行摩擦磨损试验，涂层的比磨损率为2.498×10-6mm3/(N·m)，相对于钢基体试样的比磨损率（20.713×10-6mm3/(N·m)）下降了87.9%，具有优良的耐磨性。
（3）腐蚀实验：将涂层样品浸泡在10%NaCl溶液中，腐蚀失重随时间基本呈线性增加，腐蚀速率为73.3mg/(m2·h)，具有优良的耐腐蚀性能。
实施例二：
（1）表面预处理
砂轮或砂纸打磨待加工NAK80模具钢表面，除锈，用酒精或丙酮清除油污
（2）激光熔覆表面强化涂层制备
混合粉末：Fe-Mn-Cr合金粉，粉末配比：
Fe粉：31.5%
Mn粉：30%
Cr粉：12%
Al粉：12%
硼铁粉：10%
纳米Al2O3粉：4%
硅铁粉：0.5%
粉末进行100~120℃烘干1.5~2h，以去除粉末表面吸附的水分；
试验时激光工艺参数：输出电流为110A，扫描速率为100mm/min，激光频率为6Hz，脉宽为6.0ms。采用大面积多道搭接熔覆方法，搭接率为40%~80%；
（3）熔覆层后处理
表面打磨，抛光，将试样表面精磨至表面粗糙度Ra=0.4~0.8μm，并用酒精清洗涂层表面。
（4）离子渗氮
离子渗氮炉先边加热边抽真空至30Pa以下，炉内温度为150~200℃时，然后开启弧光放电电源，渗氮工艺参数：炉内通氨气和石油烃，氨气流量为0.1m3/h，炉内压力为160~180Pa，渗氮温度为600℃，渗氮时间5h。
（5）熔覆层的最外层（渗氮层）厚约20~30μm。基体-熔覆层-渗氮层结合良好，无空隙、疏松，无裂纹，涂层组织结构晶粒细小，表面硬度高，具有良好的耐磨性和耐大气腐蚀性能，且涂层质量稳定。此加工方法成本低，加工过程中无废气、废渣排放。
性能测试：
（1）显微硬度：用HMV-2T型显微硬度计对涂层样品横截面沿深度方向进行硬度测试，分别对涂层表层（渗氮层）和中间层（熔覆层）进行多点测试并计算平均值，其硬度值分布为HV1701和HV1033。
（2）耐磨性试验：用球盘式摩擦试验机进行摩擦磨损试验，涂层的比磨损率为1.916×10-6mm3/(N·m)，相对于钢基体试样的比磨损率（20.713×10-6mm3/(N·m)）下降了90.7%，具有优良的耐磨性。
（3）腐蚀实验：将涂层样品浸泡在10%NaCl溶液中，腐蚀失重随时间基本呈线性增加，腐蚀速率为72.1mg/(m2·h)，具有优良的耐腐蚀性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种用于金属表面防腐耐磨的涂层，其特征在于，该涂层材料的原料组分质量百分比如下：
Mn粉：20～30％
Cr粉：7～12％
Al粉：7～12％
硼铁粉：10～25％
纳米Al2O3粉：1～4％
硅铁粉：0.5～1.0％
其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的涂层，所述杂质总含量小于1％。
3.根据权利要求1所述的涂层，所述杂质总含量小于0.5％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的涂层，其特征在于所述的涂层通过激光熔覆表面强化涂层制备。
5.根据权利要求4所述的涂层，其特征在于激光熔覆工艺在零件表面制备涂层的具体步骤包括：将粉末进行100～120℃烘干1.5～2h，工艺参数设置为：输出电流为100～130A，扫描速率为60～200mm/min，激光频率为3～10Hz，脉宽为6.0ms。
6.在基体表面涂覆金属表面防腐耐磨涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取将要强化的零部件作为基体，对零件的待强化进行进行预处理，用砂轮或砂纸打磨待加工零部件的表面以除锈，用酒精或丙酮清除零部件表面的油污；
(2)通过激光熔覆表面强化涂层在基体表面制备权利要求1-5任意一项所述的涂层；
(3)对涂层涂层后的表面进行打磨和抛光处理，使表面粗糙度和清洁度达到所需的要求；
(4)对涂层涂层后的表面进行离子渗氮处理，使得涂层的最外层的渗氮层厚约20～30μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(3)中将涂层表面精磨至表面粗糙度Ra＝0.4～0.8μm，并用酒精清洗涂层表面。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤(4)中所用的离子渗氮炉先边加热边抽真空至30Pa以下，炉内温度为150～200℃时，然后开启弧光放电电源，且渗氮工艺参数设置为：炉内通氨气和石油烃，氨气流量为0.1m3/h，炉内压力为100～200Pa，渗氮温度为520～600℃，渗氮时间5～8h。
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