CN105215526A - 一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及采用等离子堆焊法来制备该高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，将按特定比例配制后制备成合金粉末采用等离子堆焊机在基材表面堆焊成合金涂层，其中，各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；当等离子堆焊结束后待涂层自然冷却到室温即完成该高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备；该采用该等离子堆焊法制备的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层硬度高，耐磨损性能好，可广泛应用于冶金机械、石油化工设备的制造和修复；此外，该等离子堆焊方法制备涂层的工艺简单，操作简便易行，无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后涂层无裂纹、剥落，涂层成形良好。

Description

一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层材料技术领域，特别涉及一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。
背景技术
非晶合金具有短程有序长程无序、成分组织均匀、不存在晶体缺陷等特点,因而具有很高的强度、韧性、良好耐磨和耐蚀性能等优异的物理、化学和力学性能。铁基非晶合金作为其中一类重要的非晶合金，它不仅具有一般非晶合金所具有的特点，且大部分铁基非晶合金还具有优异的软磁性能，在磁性材料中获得了广泛的应用。同时，最重要的是自然界中铁的资源丰富、制备非晶时要求真空度低等特点使得材料成本和制备成本低，容易获得推广使用。然而由于铁基非晶合金室温塑性较差，且大尺寸铁基非晶合金较难制备，限制了其作为结构材料的应用。从铁基非晶合金的性能优势出发，将非晶合金与现代表面工程技术结合起来，制备具有优良耐磨耐腐蚀性能的非晶纳米晶复合涂层，对零部件的再制造修复、改善工件表面性能、提高零件的可靠性、延长使用寿命具有重要的实用价值。
近些年来，热喷涂制备非晶纳米晶复合涂层的方法得到迅速发展和应用，但热喷涂制备的涂层存在结合强度低、涂层薄、孔隙多等不足。与热喷涂技术相比，等离子堆焊技术具有成本低、结合强度高、热畸变小、热影响区小、稀释率低等优点，成为目前应用最广泛的耐磨、耐腐蚀涂层的制备工艺。但等离子堆焊过程中堆焊层的冷却速度很低，难以制备出非晶涂层。已公开专利CN103128421B公开了“一种铁基非晶/纳米晶复合涂层的制备方法”，采用手工电弧焊的方法制备出一种铁基非晶/纳米晶复合涂层。与手工电弧焊相比，等离子堆焊不仅堆焊效率高、堆焊质量好，而且操作方便、安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬度高，耐磨性能好，抗裂纹性能好的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层。
本发明另一目的是提供一种简单、可靠、安全、低成本的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法，通过等离子堆焊法制备而成。该方法可以很容易的制备厚度达几个毫米的堆焊层，并且该方法为冶金结合工艺，相对于现有铁基非晶纳米晶涂层的热喷涂法，即机械结合方法，等离子堆焊方法使得堆焊涂层与基材结合的更为牢固。所述等离子堆焊法包括下述具体步骤：
(1)将工业上使用的纯金属Fe、Al、Si、Mn和工业上用的Fe-Cr-C、Fe-B、Fe-Ti合金按比例配制成原料并制备成粒度为100～300μm的合金粉末；
(2)对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗；
(3)采用等离子堆焊机，将经步骤(1)制备好的合金粉末堆焊成合金涂层，其中，等离子堆焊机的各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；
其中，高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的堆焊涂层厚度按实际要求进行控制。
(4)等离子堆焊结束后，将等离子堆焊涂层和基材在空气中自然冷却到室温，即完成该高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备。
优选地，所述步骤(1)中所述合金粉末采用真空气雾法制备而成：将工业上使用的纯金属Fe、Al、Si、Mn和工业上用的Fe-Cr-C、Fe-B、Fe-Ti合金按比例配制后置于真空感应炉中熔化、精炼，然后将熔融的金属液体倒入保温坩埚中并进入雾化炉中，经高压气体流雾化并在雾化塔中凝固、沉降，落入收粉罐中得到。
其中，上述合金粉末除了可以采用现有技术中将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，经熔化后采用水雾化或者气雾化的方法雾化成粉末的方法进行制备；也可以采用将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，熔化后凝固、粉碎，即采用物理方法制备粉末；或者采用本领域技术人员惯用的其他方法制备。
优选地，所述步骤(1)中按照比例配制的合金粉末的成分为：
Fe77.3Cr15.2Al0.6Ti1.1B4.0C1.0Si0.3Mn0.5，其中，各数值为原子百分数。
在该铁基非晶合金粉末的组成成分中，B、C都是类金属元素，除可以降低非晶合金的临界冷却速率外，主要作用是形成非晶合金，而且B、C是重要的耐磨相形成元素；Si、Mn具有联合脱氧和固溶强化作用，可以降低熔点，提高熔融金属流动性，提高非晶形成能力；Cr、Ti是强碳化物形成元素，形成的碳化物有利于增加耐磨性；Al对提高非晶形成能力有利。
其中，所述合金粉末也可以根据上述比例进行调节，并与所述堆焊工艺配合，形成性能良好的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层。
优选地，在所述步骤(2)中，所述基材为35CrMo钢；所述基材表面氧化物的去除采用车削或打磨的方法；所述基材表面清洗采用金属洗净剂、热碱液或有机溶剂进行表面清洗。
一种采用上述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法在基材上形成的铁基非晶涂层。
与现有技术相比，采用该等离子堆焊法制备的铁基堆焊涂层是一种非晶纳米晶复合涂层，具有高的非晶含量、高的洛氏硬度，耐磨粒磨损性能远好于35CrMo钢，可广泛应用于冶金机械、矿山机械、动力机械、石油、化工设备，建筑运输设备以及工具、模具的制造和修复；此外，该等离子堆焊方法制备涂层的工艺简单，操作简便易行，无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后涂层无裂纹，并且焊接过程中飞溅小，涂层无剥落，涂层成形良好；其中合金制备可以采用铁合金替代纯金属组元的方法，降低了成本，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的X射线衍射图；
图2是本发明高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1的透射电镜图；
图3是本发明高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1的涂层中非晶纳米晶微观组织的透射电镜图；
图4是本发明高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的洛氏硬度对比图；
图5是本发明高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的耐磨性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
(1)制备等离子堆焊所用合金粉末：
将工业上使用的纯金属Fe、Al、Si、Mn和工业上用的Fe-Cr-C、Fe-B、Fe-Ti合金按成分为Fe77.3Cr15.2Al0.6Ti1.1B4.0C1.0Si0.3Mn0.5，(原子百分数，at％)进行原料配置，将配制好的金属原料在真空感应炉中熔化、精炼后，熔化的金属液体倒入保温坩埚并送入雾化炉中，并进入导流管和喷嘴，此时熔体流被高压气体流所雾化。雾化后的金属粉末在雾化塔中进行凝固、沉降，落入收粉罐中；
(2)选用35CrMo钢作为基材，并在进行等离子堆焊前对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗，其中，去除氧化物采用打磨法，直至露出金属光泽；表面清洗则依次采用金属洗净剂、酒精和丙酮进行清洗；
(3)使用型号为Lu-D500-F600/B800-CNC型数控等离子堆焊机对基材表面进行等离子堆焊：
工艺参数设定如下：焊接电压26V，焊接电流180A，焊接速度35mm/min，保护气流速度为10L/min，送粉速度为20g/min，摆动幅度为25mm；
(4)等离子堆焊结束后，将等离子堆焊的涂层和基材在空气中自然冷却。
实施例2
步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)均与实施例1相同，仅调整步骤(3)中等离子堆焊的工艺参数如下：焊接电压28V，焊接电流150A，焊接速度40mm/min，保护气流速度为12L/min，送粉速度为25g/min，摆动幅度为26mm。
性能评价：
以下对实施例1和实施例2所制备的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层分别通过微观组织结构测试与观察、抗裂性实验、硬度实验和耐磨损实验进行评价：
(1)实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层从宏观形貌来看，涂层成型很好，涂层无裂纹；而着色渗透探伤后发现，涂层无裂纹，说明该涂层抗裂纹性能良好。
(2)为了评价整个涂层的微观组织结构，对实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层分别截取两个不同厚度的涂层进行X射线衍射实验，得到的X射线衍射图如图1所示。从图1可以看出，在两种不同工艺条件下，即采用不同的等离子堆焊的工艺参数，X射线图谱上都能看到明显的表示非晶结构的漫散射峰，并且在漫散射峰上出现了一些晶体衍射峰，这些晶体相主要是纳米晶。相同工艺条件下，涂层在两种不同厚度时，X射线图谱中都存在表示非晶结构的漫散射峰，区别只在于晶体衍射峰的强弱，这说明整个涂层都形成了非晶纳米晶组织。
通过使用X射线衍射峰半高宽法和谢乐公式能够分别计算出实施例1和实施例2堆焊的铁基非晶纳米晶复合涂层中的非晶含量和纳米晶尺寸，不同厚度涂层非晶含量分别为89.14％、78.67％、81.35％、87.24％，纳米晶尺寸分别为20～50nm、35～60nm、40～70nm、45～100nm。
(3)对实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层进行透射电镜试验，观察实施例1和实施例2堆焊的铁基非晶纳米晶复合涂层的微观组织形貌，并进行微区电子衍射分析。如图2和图3所示为实施例1(3mm厚涂层)的透射电镜图，从图2中微区电子衍射花样可以看到典型的非晶衍射环晕，说明涂层在形成过程中形成了完全非晶区域；图3为涂层中非晶纳米晶微观组织的透射电镜图，从图3中可以看出，纳米晶簇镶嵌于非晶相中，并均匀分布在组织均匀的非晶涂层上。通过透射电镜观察，由此可进一步确定制备的堆焊层为非晶纳米晶复合涂层。
(4)对实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层分别采用HR-150A型洛氏硬度计对实施例1和实施例2堆焊的铁基非晶纳米晶复合涂层取五点测量硬度，以检测其平均洛氏硬度，载荷为150Kg。
如图3所示，实施例1和实施例2堆焊的铁基非晶纳米晶复合涂层的洛氏硬度分别为HRC65.9、HRC67、HRC67.4和HRC69。
(5)对实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层采用MLS-225型湿砂橡胶轮磨粒磨损试验机对堆焊层试件进行耐磨性实验，其中，磨损试样尺寸为57mm×25.5mm×6mm，实验参数如下：橡胶轮转速240转/分，橡胶轮直径178mm，橡胶轮硬度60(邵尔硬度)，载荷10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转、精磨4000转，磨料：粒度40～70目石英砂。
在磨损实验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟。其中，材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量，并在实验中采用35CrMo钢作为对比实验，将对比件失重量与涂层失重量之比作为该涂层的相对耐磨性。
如图4所示，实施例1和实施例2制备的铁基非晶纳米晶复合涂层的相对耐磨性分别是35CrMo钢的12倍和13倍左右。
本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的技术人员可以在本发明技术指导思想之内轻易提出其它实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层通过等离子堆焊法制备而成。
2.根据权利要求1所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，包括下述具体步骤：
(1)将工业上使用的纯金属Fe、Al、Si、Mn和工业上用的Fe-Cr-C、Fe-B、Fe-Ti合金按比例配制成原料并制备成粒度为100～300μm的合金粉末；
(2)对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗；
(3)采用等离子堆焊机将经步骤(1)制备好的合金粉末堆焊成合金涂层，其中，各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；
(4)等离子堆焊结束后，将基材和覆于基材上的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层在空气中自然冷却到室温。
3.根据权利要求2所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述合金粉末采用真空气雾法制备而成：将工业上使用的纯金属Fe、Al、Si、Mn和工业上用的Fe-Cr-C、Fe-B、Fe-Ti合金按比例配制后置于真空感应炉中熔化、精炼，然后将熔融的金属液体倒入保温坩埚中并进入雾化炉中，经高压气体流雾化并在雾化塔中凝固、沉降，落入收粉罐中得到。
4.根据权利要求2所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中按照比例配制的合金粉末的成分为：
Fe77.3Cr15.2Al0.6Ti1.1B4.0C1.0Si0.3Mn0.5，其中，各数值为原子百分数。
5.根据权利要求2所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述基材为35CrMo钢。
6.根据权利要求2所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述基材表面氧化物的去除采用车削或打磨。
7.根据权利要求2所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述基材表面清洗采用金属洗净剂、热碱液或有机溶剂。
8.一种采用权利要求1～7所述的高非晶含量的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法在基材上形成的铁基非晶涂层。
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