CN105256353B - 一种Cr‑C金属化合物耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cr‑C金属化合物耐磨涂层的制备方法，该方法包括：将金属Cr粉体与石墨粉按比例混合烧结而成的块体工具电极及工件电极置入液相介质正十二烷中；将脉冲电源的阳极与工具电极连接，将脉冲电源的阴极与工件电极连接；接通脉冲电源，工具电极在液相介质中放电而释放出的Cr离子及C离子，它们与液相介质正十二烷中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成Cr与C的金属化合物耐磨涂层，并沉积在工件电极的表面；本发明提供的涂层中的主要Cr‑C化合物类型可控，制备过程中基体不会产生变形，不需大型专用镀膜装置，不必抽真空，制备成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种Cr-C金属化合物耐磨涂层的制备方法，属于高耐磨性金属化合物涂层领域。
背景技术
耐磨镀层制备是当前材料表面技术中最活跃的研究领域。铬的碳化物以其高熔点、高硬度、高弹性模量以及良好的耐化学腐蚀和耐摩擦磨损等优越性能，越来越得到人们的重视。在工业应用中Cr-C化合物涂层用于铝基合金压铸形腔，也被用于塑料注塑成型模具或用做腐蚀环境中的保护性涂层。目前，人们采用 PVD、喷涂等方法在材料表面已制备出系列性能良好的Cr-C化合物涂层，这些技术方法虽然能够成功制备各种Cr-C化合物涂层，但是普遍存在设备昂贵、工艺复杂、涂层与基体结合强度不高、涂层成分难以控制等不足。
针对上述问题，本发明采用液相脉冲放电镀膜技术制备出Cr-C金属化合物耐磨涂层。本发明具有涂层中主要Cr-C化合物类型可控、制备成本低，不用抽真空，可在普通电火花成型机床镀膜，单件镀膜效率高的特点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述Cr-C化合物耐磨涂层的制备方法缺点而提供一种Cr-C化合物类型可控、涂层与基体结合力强，涂层硬度高，涂层制备工程中基体不会产生变形，不需大型专用镀膜装置，不必抽真空，制备成本低的Cr-C金属化合物耐磨涂层的制备方法。
本发明提供的一种Cr-C金属化合物耐磨涂层的制备方法，包括有下列步骤：
1）将金属Cr粉体与石墨粉按比例混合烧结而成的块体工具电极1及工件电极4置入液相介质正十二烷2中；
2）将脉冲电源3的阳极与工具电极1连接，将脉冲电源3的阴极与工件电极4连接；
3）接通脉冲电源3，工具电极1在液相介质中放电而释放出的Cr离子及C离子，它们与液相介质正十二烷2中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成Cr与C的金属化合物耐磨涂层5，并沉积在工件电极4的表面。
步骤1）中，上述工具电极1采用金属Cr粉体与石墨粉按重量比85～95:5～15混合，混合粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成。
上述粉体中所用金属Cr粉纯度为99.0%，粒度35～45μm，石墨粉的粒度≦30μm。
步骤1）中，上述工具电极1的制备工艺为：在金属Cr粉体与石墨粉的混合粉体中加入质量分数为0.01%硬脂酸锌，并滴取适量酒精，机械搅拌30分钟；混合粉体经100℃真空干燥1h后置于压制模具内，经200MPa压结成型后于真空烧结炉中烧结成形，工具电极的保持有20～30%的孔隙率。
步骤1）中，上述工具电极1与工件电极4之间的间距为30～50μm。
步骤2）中，上述脉冲电源3为直流脉冲电源，其峰值电流10～30A，脉冲宽度8～25μs，加工时间15～20min。
本发明的原理：
本发明的关键技术方法是工具电极中含有一定比例的碳和保存20～25%的孔隙率，目的是为了降低Cr的导热率，使工具电极表面在电子轰击作用下能够上升到足够高的温度而产生熔化、汽化及溅射，同时也提供一定数量的C离子。本发明的涂层形成机理是：当脉冲电源，接通时，液相介质正十二烷将被击穿而放电，此时液相介质中产生放电通道，通道中的介质以等离子体状态存在，并电离出活性C原子，同时，电子朝工具电极高速运动，对工具电极表面产生轰击作用，进而使工具电极表面熔化、汽化及溅射而形成工具材料的等离子体（Cr和C）。这些Cr和C离子反生电化学反应就生成了Cr与C金属化合物，随着放电时间的延续，基体表面就形成了Cr-C金属化合物涂层。通过调整工具电极中的Cr：C比例就控制了涂层中的主要物相。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.Cr与C的化合物类型主要有Cr7C3、Cr23C6、Cr3C2，本发明涂层中的主要Cr-C化合物的类型可通过调整工具电极中的Cr与石墨的比例而实现可控制备。
2.涂层与基体结合力高，因为它不是单纯地在基体表面沉积金属化合物涂层，而是有过渡层的产生，当脉冲等离子体刚开始轰击基体材料表面时，会产生离子注入效应，并可以溅射出基体材料的原子和离子，从而使等离子体也可以与基体材料发生化学反应，在界面处形成化合物过渡层，使薄膜与基体的结合力得到保证；
3.不同于PVD和CVD技术，涂层制备过程不必抽真空，因此涂层制备成本低；
4.由于放电通道极小，对整个液体而言，其整体温度并不高，因此，可在常温下制备涂层，基体不会产生变形。
附图说明
图1 为本发明的原理示意图。
其中：1. 工具电极，2. 液相介质正十二烷，3. 脉冲电源，4. 工件电极，5. 金属化合物耐磨涂层。
图2为本发明的实例1所制备的涂层截面组织图。
图3为本发明的实例1所制备的涂层的X射线衍射图谱。
具体实施方式
实施例1
本发明的原理示意图如图1所示，制备过程在普通电火花成型机床上进行，液相介质正十二烷；放电电极采用金属Cr粉与石墨混分烧结而成的工具电极1，金属Cr粉:石墨C粉的比例为91：9；被沉积基体即工件电极4为45＃碳钢。沉积面积为80mm2，本发明Cr-C金属化合物耐磨涂层的制备方法，包括有下列步骤：
1）粉体烧结块体工具电极1及工件电极4置入液相介质正十二烷2中；
2）将脉冲电源3的阳极与粉体烧结块体工具电极1连接，将脉冲电源3的阴极与工件电极4连接；
3）接通脉冲电源3，粉体烧结块体工具电极1在液相介质中放电而释放出的Cr金属离子和非金属C离子，它们与液相介质正十二烷2中电离出来的非金属C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成Cr-C金属化合物耐磨涂层5，并沉积在工件电极4的表面。
上述粉体烧结块体工具电极1是采用金属Cr粉、石墨粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成粉末烧结体电极，本试验采用电极成型压力200MPa，电极直径φ10mm。金属Cr粉体与石墨粉重量比为91：9，Cr粉体粒度为45μm， 石墨粉的粒度为10μm，工具电极1的孔隙率为25%。
上述粉体烧结块体工具电极1与工件电极4之间的间距为40μm。
上述脉冲电源3为直流脉冲电源，其直流脉冲电源的峰值电流为12A，脉冲宽度为16μs。加工时间15min。
本实施例中，合成Cr-C金属化合物耐磨涂层5的累计沉积时间为15min。结果获得涂层厚度为约25μm.以Cr7C3为主要物相的涂层。涂层截面组织如图2所示。X射线衍射图谱如图3所示。
实施例2
当制备步骤与实施例1相同，仅峰值电流I/A变更为18A, 金属Cr粉体与石墨粉重量比为 94：6 时，涂层中的主要Cr-C化合物类型则为：Cr23C6。
实施例3
当制备步骤与上述实施例1相同，仅峰值电流I/A变更为10A, 金属Cr粉体与石墨粉重量比为 88：12 时，涂层中的主要Cr-C化合物类型则为：Cr3C2。
Claims (6)
1.一种Cr-C金属化合物耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
1）将金属Cr粉体与石墨粉按比例混合烧结而成的块体工具电极（1）及工件电极（4）置入液相介质正十二烷（2）中；
2）将脉冲电源（3）的阳极与工具电极（1）连接，将脉冲电源（3）的阴极与工件电极（4）连接；
3）接通脉冲电源（3），工具电极（1）在液相介质中放电而释放出的Cr离子及C离子，它们与液相介质正十二烷（2）中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成Cr与C的金属化合物耐磨涂层（5），并沉积在工件电极（4）的表面。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中，上述工具电极（1）采用金属Cr粉体与石墨粉按重量比85～95:5～15混合，混合粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述粉体中所用金属Cr粉纯度为99.0%，粒度35～45μm，石墨粉的粒度≦30μm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中，上述工具电极（1）的制备工艺为：在金属Cr粉体与石墨粉的混合粉体中加入质量分数为0.01%硬脂酸锌，并滴取适量酒精，机械搅拌30分钟；混合粉体经100℃真空干燥1h后置于压制模具内，经200MPa压结成型后于真空烧结炉中烧结成形，工具电极的保持有20～30%的孔隙率。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中，上述工具电极（1）与工件电极（4）之间的间距为30～50μm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，上述脉冲电源（3）为直流脉冲电源，其峰值电流10～30A，脉冲宽度8～25μs，加工时间15～20min。
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