CN104775119B

CN104775119B - 低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法

Info

Publication number: CN104775119B
Application number: CN201510222254.2A
Authority: CN
Inventors: 陈为为; 卜丽明; 马宇亮; 程焕武; 王鲁
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2015-05-04
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-05-04
Also published as: CN104775119A

Abstract

本发明公开了一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，属于激光熔覆技术领域。所述方法步骤如下：(1)在钢铁零件表面制备Ni‑P非晶过渡层；(2)在Ni‑P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末；(3)利用激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成涂层；(4)检查涂层厚度，若涂层厚度达到目标厚度，步骤(3)所得涂层即为所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层；若涂层厚度未达到目标厚度，重复步骤(2)和(3)，直至涂层厚度达到目标厚度，即得到所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层。本发明制备得到的Fe基非晶态合金涂层具有非常低的摩擦系数，且该方法工艺简单。

Description

低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法

技术领域

本发明涉及一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

为了改善钢铁等零件的摩擦磨损性能，需要在钢铁等零件材料表面进行涂层处理，相关涂层制备技术包括电沉积、热喷涂、物理气相沉积、激光熔覆等，其中以激光熔覆技术应用前景最为广阔。激光熔覆亦称激光包覆，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆技术显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既能够满足对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆技术具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

最近，利用激光熔覆技术在钢铁等零件表面制备Fe基非晶态合金涂层成为各国研究的重点。非晶态合金作为一种具有优异性能的新型材料，是当前材料领域的研究热点之一。非晶态合金是一种微观近程有序和远程无序的结构。由于它是多种元素的固溶体，是均匀的单相，不存在晶体缺陷，表现出各向同性，所以具有许多比晶态金属优异的特性，如强度、高耐蚀性、低摩擦系数、高耐磨性、非磁性、超导性、良好的光泽性及独特的电致发光变色特性等。Fe基非晶态合金作为一种具有极大应用前景的非晶合金，其具有优异的力学性能和物理性能，且其相对于其它合金体系的廉价性使其越来越受到人们的重视，其抗拉强度在室温下高达1433MPa，约是传统铁晶体抗拉强度(630MPa)的2.27倍，抗压强度和维氏硬度分别达3800MPa和1360MPa，同时Fe基非晶态合金作为涂层材料不会与钢铁材料发生电偶腐蚀。目前，激光熔覆Fe基非晶态合金涂层已成为改善钢铁等零件表面摩擦磨损性能的最有效途径。

在传统的激光熔覆Fe基非晶态合金涂层制备过程中，Fe基非晶态合金粉末首先被预置在钢铁等零件材料表面，然后利用激光辐照使这些非晶粉末熔化并最终涂覆在零件表面形成涂层。利用上述传统方法所制备的Fe基非晶态合金涂层晶化严重，甚至全部晶化，直接导致该涂层的极高的摩擦系数(高达0.6-0.8)，从而极大降低了该涂层的摩擦磨损性能。因此，有必要开发一种新的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法以克服现有技术的不足。

发明内容

为了克服传统的激光熔覆Fe基非晶态合金涂层的晶化严重导致摩擦系数高等缺点，本发明的目的在于提供一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法。本发明将Ni-P非晶态合金作为激光熔覆的非晶过渡层，然后再利用激光辐照在此Ni-P非晶过渡层上制备Fe基非晶态合金涂层，制备得到的Fe基非晶态合金涂层具有非常低的摩擦系数，且该方法工艺简单。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，所述方法步骤如下：

(1)在钢铁零件表面制备厚度为15μm～25μm的Ni-P非晶过渡层；

(2)在Ni-P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末；

(3)利用激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成涂层；

(4)检查涂层厚度，若涂层厚度达到目标厚度，步骤(3)所得涂层即为所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层；若涂层厚度未达到目标厚度，重复步骤(2)和(3)，直至涂层厚度达到目标厚度，即得到所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层；

其中，步骤(1)中制备Ni-P非晶过渡层采用化学镀或电镀方法，Ni-P非晶过渡层中磷的质量含量大于7％。

优选地，进行化学镀时，将钢铁零件放置于镀液中，置于85～90℃的恒温水浴中2小时；

进行电镀时，电流密度为2～6A/dm²；

化学镀和电镀所用镀液相同，镀液中各组分及浓度为：NiSO₄·6H₂O 25g/L、NaH₂PO₂·H₂O 25g/L、Na₃C₆H₅O₇·2H₂O 26g/L、CH₃COONa 12g/L和CN₂H₄S2mg/L，镀液的pH值为5.5～6.0。

优选地，步骤(3)中激光辐照参数如下：电流为240A～270A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s。

优选地，步骤(3)中涂层厚度为45μm～55μm。

优选地，以所述Fe基非晶态合金粉末的总质量为100％计，其化学成分及各成分的质量百分含量具体为：Fe 65～73％，Mo 2～3％，B 4～5％，Cr 4～6％，W8～10％，Ni 3％，Si 4～5％，Mn 2～3％。

本发明所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层是指摩擦系数低于0.15的Fe基非晶态合金涂层。

有益效果

激光熔覆过程中，Fe基非晶态合金涂层的晶化过程经历晶体形核和长大，晶体的形核过程与基体材料的晶体结构密切相关，基于这一理论基础，本发明在钢铁等零件基体表面设计出一层非晶过渡层，该非晶过渡层能够极大减少随后激光熔覆Fe基非晶态合金涂层的晶体形核率，为制备高非晶率的Fe基非晶态合金涂层提供保障，并最终实现该非晶态合金涂层低于0.15的摩擦系数。

本发明将Ni-P非晶态合金作为激光熔覆的非晶过渡层，然后再利用激光辐照在此Ni-P非晶过渡层上制备低摩擦系数的Fe基非晶态合金涂层，这是因为含磷量超过7％的Ni-P合金是一种单相均一的非晶态合金，具有耐蚀性和硬度高、镀层致密、耐药品性和耐磨性好、能屏蔽电磁波等特性，且镀层与基体结合良好。本发明所述方法的原理示意图如图1所示。

综上所述，本发明能够解决传统激光熔覆Fe基非晶态合金涂层过程中遇到的瓶颈，且本发明所述方法工艺简单，所制备的Fe基非晶涂层具有晶化率低的特点，且该非晶态合金涂层具有非常低的摩擦系数。本发明在航空航天和汽车等工业上具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的制备方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

以下实施例中所用的Fe基非晶态合金粉末由北京钢铁研究总院生产，其化学成分为Fe 65-73wt.％，Mo 2-3wt.％，B 4-5wt.％，Cr 4-6wt.％，W 8-10wt.％，Ni 3wt.％，Si4-5wt.％，Mn 2-3wt.％。

以下实施例中摩擦系数利用UMT2型摩擦磨损试验机测定，测试时所用载荷为5N，频率为5Hz，接触方式为点接触、干摩擦，摩擦副为直径为4mm的GCr15小球。

以下实施例中所述预处理具体步骤如下：

首先，用砂纸打磨钢铁零件初步除去表面锈迹油污，再抛光进一步除去表面锈迹油污。然后，将钢铁零件放入90℃的除油液中0.3～20min取出，用蒸馏水清洗，以水洗后零件表面不挂水珠为合格，除油液的配方为100g/LNaOH、60g/L Na₂CO₃、60g/L Na₃PO₄·12H₂O、10g/L Na₂SiO₃·9H₂O、0.5g/L C₁₂H₂₅―OSO₃Na。再用盐酸和水体积比为1:1或者更稀的盐酸对钢铁零件进行酸洗，并用蒸馏水清洗，干燥。最后用热蒸馏水清洗钢铁零件，热风吹干。

实施例1

首先，在2L烧杯中配制1L化学镀Ni-P溶液，化学镀Ni-P溶液的化学配方为25g/LNiSO₄·6H₂O、25g/L NaH₂PO₂·H₂O、26g/L Na₃C₆H₅O₇·2H₂O、12g/L CH₃COONa和2mg/LCN₂H₄S，溶液的pH为5.5；然后，将经过预处理的钢铁零件放置于该溶液中进行90℃的恒温水浴处理，化学镀的时间为2小时；化学镀结束后将钢铁零件取出，用自来水冲洗并吹干，在钢铁零件表面得到Ni-P非晶过渡层，并经X-ray衍射分析，所得过渡层为非晶态，Ni-P非晶过渡层中P的质量百分含量为9.1％。在Ni-P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末，利用电流为240A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s的激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成厚度为45μm的涂层，并经X-ray衍射分析，所得涂层为非晶态。通过UMT-2摩擦磨损试验机测定该Fe基非晶涂层的摩擦系数为0.108。

实施例2

首先，在2L烧杯中配制1L化学镀Ni-P溶液，化学镀Ni-P溶液的化学配方为25g/LNiSO₄·6H₂O、25g/L NaH₂PO₂·H₂O、26g/LNa₃C₆H₅O₇·2H₂O、12g/LCH₃COONa和2mg/L CN₂H₄S，溶液的pH为6；然后，将经过预处理的钢铁零件放置于该溶液中进行85℃的恒温水浴处理，化学镀的时间为2小时；化学镀结束后将钢铁零件取出，用自来水冲洗并吹干，在钢铁零件表面得到Ni-P非晶过渡层，并经X-ray衍射分析，所得过渡层为非晶态，Ni-P非晶过渡层中P的质量百分含量为9.1％。在Ni-P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末，利用电流为270A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s的激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成厚度为55μm涂层。然后，再一次在Fe基非晶合金表面预置Fe基非晶态合金粉末，利用电流为270A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s的激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成厚度为55μm的涂层。经过两次激光熔敷处理后，Fe基非晶态合金涂层的总厚度为110μm，并经X-ray衍射分析，所得涂层为非晶态。通过UMT-2摩擦磨损试验机测定该Fe基非晶涂层的摩擦系数为0.128。

实施例3

首先，在2L烧杯中配制1L化学镀Ni-P溶液，化学镀Ni-P溶液的化学配方为25g/LNiSO₄·6H₂O、25g/L NaH₂PO₂·H₂O、26g/LNa₃C₆H₅O₇·2H₂O、12g/LCH₃COONa和2mg/L CN₂H₄S，溶液的pH为5.7；然后，将经过预处理的钢铁零件放置于该溶液中进行87℃的恒温水浴处理，化学镀的时间为2小时；化学镀结束后将钢铁零件取出，用自来水冲洗并吹干，在钢铁零件表面得到Ni-P非晶过渡层，并经X-ray衍射分析，所得过渡层为非晶态，Ni-P非晶过渡层中P的质量百分含量为9.1％。在Ni-P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末，利用电流为250A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s的激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成厚度为50μm涂层。然后，再一次在Fe基非晶合金表面预置Fe基非晶态合金粉末，利用电流为270A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s的激光辐照使Fe基非晶态合金粉末熔化并涂覆在零件表面形成厚度为55μm的涂层。经过两次激光熔敷处理后，Fe基非晶态合金涂层的总厚度为105μm，并经X-ray衍射分析，所得涂层为非晶态。通过UMT-2摩擦磨损试验机测定该Fe基非晶涂层的摩擦系数为0.113。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

(1)在钢铁零件表面制备厚度为15μm～25μm的Ni-P非晶过渡层；

(2)在Ni-P非晶过渡层表面预置Fe基非晶态合金粉末；

其中，步骤(1)中制备Ni-P非晶过渡层采用化学镀或电镀方法，Ni-P非晶过渡层中磷的质量含量大于7％；所述的低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层是指摩擦系数低于0.15的Fe基非晶态合金涂层。

2.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，其特征在于，进行化学镀时，将钢铁零件放置于镀液中，置于85～90℃的恒温水浴中2小时；

进行电镀时，电流密度为2～6A/dm²；

化学镀和电镀所用镀液相同，镀液中各组分及浓度为：NiSO₄·6H₂O 25g/L、NaH₂PO₂·H₂O 25g/L、Na₃C₆H₅O₇·2H₂O 26g/L、CH₃COONa 12g/L和CN₂H₄S 2mg/L，镀液的pH值为5.5～6.0。

3.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，其特征在于，步骤(3)中激光辐照参数如下：电流为240A～270A、脉冲宽度为2.5ms、脉冲频率为2Hz、激光扫描速率为1.2m/s。

4.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，其特征在于，步骤(4)中涂层的目标厚度为45μm～55μm。

5.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数Fe基非晶态合金涂层的激光熔覆制备方法，其特征在于，以所述Fe基非晶态合金粉末的总质量为100％计，其化学成分及各成分的质量百分含量具体为：Fe 65～73％，Mo 2～3％，B 4～5％，Cr 4～6％，W 8～10％，Ni 3％，Si 4～5％，Mn 2～3％。