CN104878381A - 一种新型耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料70-95％，金刚石磨粒5-30％，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1或1:1配比，且其重量百分比共为15-40％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为20-45％,Ni-Cr合金重量百分比共为20-40％；同时，本发明公开了一种新型耐磨涂层的制备方法。本发明的一种新型耐磨涂层具有硬度高、耐腐蚀、抗冲击、磨耗少、高附着力、寿命长和质量轻等优势，而且制备方法简单，节能环保，生产成本低，适合推广应用，本发明的耐磨涂层采用自蔓延反应的方法制备而成，不仅制备的涂层结合强度高，而且反应快速、节能低碳，消耗外界能源少。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术及金属表面处理领域，具体地说，涉及一种在新型耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
随着世界及我国工业的高速发展，很多的工程结构和机械零件的表面需要具有较好的耐磨、耐冲蚀、耐腐蚀等性能要求，尤其是大型运输车辆、农业机械等具有较大表面积的零件需要接触各种粉末矿物、砂粒、煤碳以及富含砂质的泥土等材料，其表面的磨粒磨损和冲蚀磨损很严重。
目前，提高部件的耐磨性主要有以下三种途径：第一，对部件从结构上进行合理设计：适当改变零件的几何形状、配合方式、加厚工作部位尺寸以及其它一些改善表面受力状况的措施；第二，研究开发新型整体抗磨材料：耐磨合金钢、耐磨合金铸铁、硬质合金以及复合材料等耐磨材料；第三，应用表面工程技术对磨损部件表面进行强化处理。然而，对部件结构的改进设计来降低磨耗、提高部件寿命是有限的；使用新型整体抗磨材料会大幅度提高零件的重量与制造成本；表面强化工艺是一种较为有效的方法，可使用热喷涂、表面化学镀、电镀电铸、激光熔覆等方法对较大的表面进行各种硬质材料的涂覆。但热喷涂的高温会导致材料的残余应力较大，化学镀和电镀电铸的涂层结合力不足，激光熔覆的成本也较高。此外，通常强化层较薄，在磨损体积发生较小的工况下可以起到提高材料表面耐磨性的作用，但在以磨料磨损为主的工况下容易很快被磨损掉，从而失去对机械部件本身的保护作用。因此，以磨料磨损为主的工况条件下需要部件表面强化层具有一定的厚度，而且在要求涂层具备优良的耐磨性能前提下，兼顾强韧性，且保证涂层与被强化部件的结合强度。
金刚石因其具有超高的硬度、高的化学稳定性和较低的摩擦系数，特别适合用作耐磨涂层材料。目前与金刚石相关的涂层多为CVD(化学气相沉积)和DLC(类金刚石)涂层，这些涂层由于设备空间的局限性，一般适合较小尺寸零件的涂层，如刀具、拉丝模等。此外，CVD与DLC涂层还存在涂层与基体间的结合力低、涂层制备成本高及不耐冲击等缺点。近年来，人造金刚石磨料合成技术的发展使得金刚石(颗粒、微细粉末、纳米粉末)具有天然金刚石各方面的力学性能，并具有较低的制造成本，已广泛应用于硬脆材料的磨削、抛光等工具的制造。金刚石磨料在耐磨涂层方面的应用主要集中在电镀或化学镀含金刚石的涂层，由于电镀和化学镀涂层的结合强度低，而且也存在环保的问题。
自蔓延高温合成技术(Self-propagating High Temperature Synthesis，简称SHS技术，也称燃烧合成)是在外部能量诱发局部化学反应(点燃)后，利用化学反应自身放热，使反应持续进行，同时合成出新材料。该技术因其消耗外界能源少、原位合成、产物纯度高以及易获得中间亚稳相等优点得到了迅速发展和工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有硬度高、耐腐蚀、抗冲击、磨耗少、高附着力、寿命长质量轻等优势，而且制备方法简单，节能环保，生产成本低，适合推广应用的新型耐磨涂层及其制备方法。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料70-95％，金刚石磨粒5-30％，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1或1:1配比，且其重量百分比共为15-40％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为20-45％,Ni-Cr合金重量百分比共为20-40％。
作为本发明的一种优选方案，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料82％，金刚石磨粒18％，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为27％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为38％,Ni-Cr合金重量百分比共为35％。
作为本发明的一种优选方案，所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
作为本发明的另一种优选方案，所述金刚石磨粒的粒度为40/50目-170/200目。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将各组的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料；
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料与金刚石磨粒在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料；
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料称取一定质量并涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，压力不小于30MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层。
作为本发明的一种优选方案，步骤一和二中所述球磨机转速为150～250r/min,球磨时间3～6h,球料比为5-10：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢或陶瓷或硬质合金材。
作为本发明的另一种优选方案，步骤三中所述涂层基体母材包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金钢和不锈钢。
作为本发明的再一种优选方案，步骤三中所述涂层基体母材的预先表面处理采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂。
作为本发明的进一步优选方案，步骤四中所述的加热方式为热压炉、激光、加热钨丝或电火花加热方式。
作为本发明的更进一步优选方案，步骤四中制得的耐磨涂层厚度为0.5-5mm。
本发明的新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料70-95％，金刚石磨粒5-30％，该金刚石磨粒的含量比例设计合理，既满足合成一定厚度的涂层，又满足了结合强度高和耐磨性能好的要求。所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1或1:1配比，且其重量百分比共为15-40％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为20-45％,Ni-Cr合金重量百分比共为20-40％。以上各组分的配比合理，不仅保障了涂层的结合强度，而且使制得的涂层具有硬度高、耐腐蚀、抗冲击、磨耗少、高附着力、寿命长、质量轻等优点，其中，以上各组份的配比可进一步优选为：涂层基础粉料78-85％，金刚石磨粒15-22％，Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为20-30％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为30-40％,Ni-Cr合金重量百分比共为30-38％，通过进一步优选使制备得的涂层耐磨等性能更加突出。
与现有技术相比，本发明的一种新型耐磨涂层具有以下优势：
(1)、本发明的耐磨涂层具有、硬度高、耐腐蚀、抗冲击、磨耗少、高附着力、寿命长和质量轻等优势，而且制备方法简单，节能环保，生产成本低，适合推广应用。
(2)、本发明的耐磨涂层采用基础粉料和金刚石磨粒为原料，涂层中含有硬度极高的金刚石颗粒，耐磨性能好，并且反应物Ti和C原位合成的TiC化合物，增强涂层的耐磨性能。
(3)、本发明的耐磨涂层采用自蔓延反应的方法制备而成，不仅反应结合强度高，而且节能低碳、反应快速，消耗外界能源少。
(4)、本发明的耐磨涂层含有金刚石颗粒，且制备形成一定厚度，不仅耐磨性能优越，兼顾强韧性，且保证了涂层与被强化部件的结合强度，非常适用于以磨料磨损为主的工况条件，是一种抵抗磨料磨损工况的耐磨涂层。
附图说明
图1为本发明的耐磨涂层中金刚石-自蔓延反应产物-钢基体界面微观结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料70％，金刚石磨粒30％,金刚石粒度为170/200目，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为40％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为20％,Ni-Cr合金重量百分比共为40％,所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将上述各组分的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料，其中，所述球磨机转速为150r/min,球磨时间3h,球料比为5：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料按重量百分比为30％与金刚石磨粒按重量百分比为30％在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料，其金刚石粒度为40/50目，所述球磨机转速为150r/min,球磨时间3h,球料比为5：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面，涂层基体母材为ASTM牌号为201的钢材，其中涂层基体母材的预先表面处理采用采用车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用丙酮除去钢材表面油脂；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料采用电火花进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，且压力为33MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层，耐磨涂层厚度为0.5mm。
实施例2
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料75％，金刚石磨粒25％,金刚石粒度为70/80目，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为39％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为41％,Ni-Cr合金重量百分比共为20％,所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将上述各组分的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料，其中，所述球磨机转速为180r/min,球磨时间4h,球料比为6：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为陶瓷。
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料按重量百分比为75％与金刚石磨粒按重量百分比为25％在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料，所述金刚石粒度为70/80目，其中所述球磨机转速为180r/min,球磨时间4h,球料比为6：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为陶瓷。
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面，所述涂层基体母材为GB牌号为Q235的钢材，其中涂层基体母材的预先表面处理采用采用磨削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、除去钢材表面油脂；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料采用激光进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，且压力为30MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层，耐磨涂层厚度为1mm。
实施例3(最佳实施例)
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料82％，金刚石磨粒18％,金刚石粒度为100/120目，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为27％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为38％,Ni-Cr合金重量百分比共为35％,所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将上述各组分的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料，其中，所述球磨机转速为200r/min,球磨时间4.6h,球料比为7：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料按重量百分比为82％与金刚石磨粒按重量百分比为12％在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料，所述金刚石粒度为100/120目，其中，所述球磨机转速为200r/min,球磨时间4.6h,球料比为7：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面，所述涂层基体母材为45钢，其中涂层基体母材的预先表面处理采用磨削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇除去钢材表面油脂；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料采用热压炉进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，且压力为35MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层，耐磨涂层厚度为2mm。
实施例4
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料91％，金刚石磨粒9％,金刚石粒度为120/140目，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为35％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为27％,Ni-Cr合金重量百分比共为38％,所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将上述各组分的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料，其中，所述球磨机转速为230r/min,球磨时间5h,球料比为8：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料按重量百分比为91％与金刚石磨粒按重量百分比为9％在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料，其中金刚石粒度为120/140目，其中所述球磨机转速为230r/min,球磨时间5h,球料比为8：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢。
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面，所述涂层基体母材为GB牌号为Q460的钢材，其中涂层基体母材的预先表面处理采用采用铣削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用酒精除去钢材表面油脂；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料采用热压炉进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，且压力为40MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层，耐磨涂层厚度为3mm。
实施例5
一种新型耐磨涂层，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料95％，金刚石磨粒5％,金刚石粒度为170/200目，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为15％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为45％,Ni-Cr合金重量百分比共为40％,所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
一种新型耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将上述各组分的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料，其中，所述球磨机转速为250r/min,球磨时间6h,球料比为10：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为硬质合金材。
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料按重量百分比为95％与金刚石磨粒按重量百分比为5％在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料，其中金刚石粒度为170/200目，所述球磨机转速为250r/min,球磨时间6h,球料比为10：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为硬质合金材。
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面，所述涂层基体母材为ASTM牌号为304L的钢材，其中涂层基体母材的预先表面处理采用采用铣削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用酒精除去钢材表面油脂；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料采用加热钨丝进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，且压力为40MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层，耐磨涂层厚度为5mm。
本发明实施例1-5的涂层和未涂覆涂层的45钢涂层基体母材分别在CFT-Ⅰ型多功能材料表面性能综合测试仪上以球盘式旋转磨削方式进行干摩擦试验。采用体积磨耗量来反映涂层的耐磨性，磨耗量越小，涂层的耐磨性越好。
测试条件:
运动方式：Φ6旋转磨削
球大小及材料：Φ4的Si3N4陶瓷球；
载荷：50N
转速：200r/min
时间：90min
显微硬度(HX-1000TM/LCD)测试条件：
载荷：300gf
时间：15s
测试结果如表一：
由以上表一可知，本发明耐磨涂层的硬度高，摩擦系数低，耐磨性能好，尤其以实施例3的耐磨性能最佳，显微硬度为1897HV，摩擦系数为0.18，摩耗量为0.0581。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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 (10)
1.一种新型耐磨涂层，其特征在于，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料70-95％，金刚石磨粒5-30％，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1或1:1配比，且其重量百分比共为15-40％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为20-45％,Ni-Cr合金重量百分比共为20-40％。
2.如权利要求1所述的新型耐磨涂层，其特征在于，该耐磨涂层的涂层粉料由以下重量百分比的组分组成：涂层基础粉料82％，金刚石磨粒18％，所述涂层基础粉料的原料组分包括Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末，其中Ni、Al按摩尔比3：1配比，且其重量百分比共为27％，Ti、C按摩尔比1：1配比，且其重量百分比共为38％,Ni-Cr合金重量百分比共为35％。
3.如权利要求1或2所述的新型耐磨涂层，其特征在于，所述Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉末的纯度均高于99.9％，粒度均小于75μm。
4.如权利要求1或2所述的新型耐磨涂层，其特征在于，所述金刚石磨粒的粒度为40/50目-170/200目。
5.一种新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、涂层基础粉料的制备：将各组的Ni、Al、Ti、C和Ni-Cr合金粉进行混合，并在真空手套箱中装入不锈钢球磨罐，然后在球磨机进行充分球磨混合，获得涂层基础粉料；
步骤二、将步骤一所得的涂层基础粉料与金刚石磨粒在球磨机中混合均匀，获得含金刚石的涂层粉料；
步骤三、将步骤二所得的含金刚石的涂层粉料称取一定质量并涂覆于预先经过表面处理的涂层基体母材表面；
步骤四、通过对含金刚石的涂层粉料进行加热引燃，从而引起涂层粉料的自蔓延反应，并在反应结束时同时进行加压，压力不小于30MPa，加压后在涂层基体母材表面获得含金刚石的新型耐磨涂层。
6.如权利要求5所述的新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤一和二中所述球磨机转速为150～250r/min,球磨时间3～6h,球料比为5-10：1，磨球和原料总体积不超过球磨罐体积的2/3，球磨罐和磨球的材料为不锈钢或陶瓷或硬质合金。
7.如权利要求5所述的新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述涂层基体母材包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金钢和不锈钢。
8.如权利要求5所述的新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述涂层基体母材的预先表面处理采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂。
9.如权利要求5所述的新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的加热方式为热压炉、激光、加热钨丝或电火花加热方式。
10.如权利要求5所述的新型耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中制得的耐磨涂层厚度为0.5-5mm。
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