CN105624670B - 铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，涂层由质量百分含量为：碳化钨粉末13%～15%，二硼化钛粉末18%～20%，氧化铈粉末2.0%～4.0%，镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%，镍基合金粉末余量的各组份通过粘结剂调和并激光熔覆于铝合金构件表面形成；其中的镍包二硫化钼粉末中，镍的包覆量为71％～73%；其中的镍基合金由元素C、Cr、Si、B、Fe和Ni组成，各元素质量百分含量为：C 0.75～0.85%，Cr 15～16%，Si 3.5～4.5%，B 3.0～4.0%，Fe 14.5～15.5%，Ni余量。本涂层的耐磨性能高，摩擦系数低，解决了铝合金作为机械设备摩擦构件在高载荷或冲击载荷下的摩擦与磨损问题，使用寿命提高，摩擦能耗降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，用于提高铝合金构件表面的耐磨性能，降低摩擦系数。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度大、导电和导热性优良、成型加工性好等优点，作为重要的轻质金属材料，已被广泛应用于航空航天、海洋船舶、石油化工、汽车工业、武器及军事工程装备等领域，特别在军用领域中，用铝合金代替钢铁可使武器及军工装备轻量化，机动性能更高。然而，铝合金零部件存在硬度低、耐磨性能差且难于润滑等问题。例如，军用桥梁架设中，由于钢−铝摩擦副在高接触应力和干摩擦的恶劣工况下运行，桥梁架设装置中的铝合金构件易产生严重磨损，从而影响架设装置工作的可靠性和服役寿命。为此，对某些铝合金构件需要进行表面强化处理。
传统的铝合金构件表面强化方法主要包括：阳极氧化法、铬酸盐化学氧化法、等离子喷涂法、物理气相沉积、化学气相沉积以及电镀法等。但是，这些传统方法获得的强化层较薄（仅有几百个微米），且其强化层与基材之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，易产生开裂、脱落，不能满足高载、高速、干摩擦等恶劣工况条件下铝合金摩擦构件的实际需要。此外，这些方法还存在着各自的弊端，如阳极氧化法在铝基材上不能形成连续的阳极氧化膜，且氧化膜脆性大，对基材不能起到有效的耐磨作用；铬酸盐的毒性大，严重污染环境和危害人类健康，且涂层性能欠佳；物理气相沉积、化学气相沉积制备工艺复杂，并需要昂贵的仪器设备，难以实施大尺寸铝合金构件的表面处理，并且物理气相沉积的涂层与铝合金基材的结合强度低，而化学气相沉积会引起铝合金基材的热变形；等离子喷涂法，所制备的涂层与铝合金基材难以达到冶金结合，结合强度低，并且造成铝合金基材产生严重的热应力和变形，高载荷和冲击载荷作用下易产生涂层剥落失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，可大幅度提高铝合金构件的耐磨损性能，显著降低其摩擦系数，特别对于高接触应力和干摩擦的恶劣工况下运行的工程设备，解决其铝合金构件摩擦副的磨损问题，提高铝合金构件的使用寿命。
一种铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，其特征在于所述涂层由以下粉状混合物通粘结剂调和后，涂覆于铝合金构件表面并以激光熔覆形成；粉状混合物中各组份的质量百分含量如下：
碳化钨粉末13%～15%，二硼化钛粉末18%～20%，氧化铈粉末2.0%～4.0%，镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%，镍基合金粉末余量；
以上各组份的粉末粒度依次分别为25μm～40μm、8μm～12μm、8μm～15μm、75μm~90μm、44μm～100μm；
所述镍包二硫化钼粉末中，镍的包覆量为71％～73%；
所述镍基合金由元素C、Cr、Si、B、Fe和Ni组成，各元素质量百分含量为：
C 0.75～0.85%，Cr15～16%，Si 3.5～4.5%，B 3.0～4.0%，Fe 14.5～15.5%，Ni余量。
所述粘结剂为聚乙烯醇溶液。
所述涂层厚度为350μm～450μm。
一种权利要求1所述的铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
一．按质量百分数为：粒度25μm～40μm的碳化钨粉末13%～15%、粒度8μm～12μm的二硼化钛粉末18%～20%、粒度8μm～15μm氧化铈粉末2.0%～4.0%、粒度75μm~90μm的镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%和余量为粒度44μm～100μm的镍基合金粉末进行配料，通过球磨将其充分混合，然后加入粘结剂聚乙烯醇溶液，并调制成糊状混合物；
所述镍基合金的元素组成为： C 0.75～0.85%、Cr 15～16%、Si 3.5～4.5%、B 3.0～4.0%、Fe 14.5～15.5%和Ni余量；
所述镍包二硫化钼（Ni-MoS2）粉末中的镍包覆量为71％～73%；
二．激光熔覆，如下步骤：
（1）用金刚砂对铝合金构件表面进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra=10μm～20μm，然后擦洗干净；
（2）所述糊状混合物均匀涂覆在经喷砂处理后的铝合金构件表面，形成厚度为0.45mm～0.55mm的预置层，室温自然干燥；
（3）对干燥的预置层进行激光熔覆处理，工艺参数为：激光功率1.6-1.9kW，光斑直径4mm，扫描速度500 mm·min-1，搭接率40%，激光熔覆后自然冷却，形成厚度为350μm～450μm的耐磨减摩复合涂层。
（4）将熔覆层表面磨削加工至所需精度。
所述表面磨削加工后的熔覆层表面精度达到表面粗糙度Ra=1.25～2.5。
本发明涂层中采用与镍基合金基体和铝合金基材有良好物理化学相容性的TiB2和WC颗粒并优化了两种颗粒的百分含量及其粒度值，二者协同强化作用表现在4个方面：①涂层屈服强度的增量是单用WC或TiB2颗粒的涂层的2.12倍。②在激光熔覆过程中，较细小的TiB2和较粗大的WC增强颗粒产生互为占位作用，二者在镍基合金基体中的分布更均匀致密，使涂层的微观结构强化，可有效阻碍塑性变形、微裂纹的产生与扩展，起到显著的耐磨强化效果。③TiB2和WC颗粒的共同引入，强化了微观应力，解决了其中单一颗粒所存在的团聚现象和应力集中问题，塑性应变分布趋于均匀，抑制了裂纹扩展引起的脆性断裂磨损。④复合涂层中小粒径TiB2主要抵御形变引起的多次塑变磨损；大粒径WC主要阻挡犁削磨损，两种颗粒的尺寸效应，协同强化了耐磨功能。
涂层中的镍包二硫化钼（Ni-MoS2）为固体润滑剂；稀土氧化铈（CeO2）则促进镍基合金的形核能力，起到细化涂层的微观组织，净化晶界作用，使镍基合金基体的晶粒细小而致密；因此，镍包二硫化钼（Ni-MoS2）和稀土氧化铈（CeO2）协同减摩，可显著降低涂层的摩擦系数。
综上所述，本发明耐磨减摩复合涂层通过激光熔覆而与铝合金基材形成高强度的冶金结合，不会产生变形或脱落。涂层具有极高的耐磨性能和低摩擦系数，适用于机械设备中的铝合金摩擦构件，特别是高载荷或冲击载荷、且无法实施润滑的强烈摩擦磨损工况条件下工作的铝合金/铝合金、铝合金/钢铁等机械摩擦副构件，解决了铝合金作为机械设备摩擦构件的摩擦与磨损问题，可大幅度提高摩擦副构件的使用寿命，同时又可降低运转过程中的摩擦能耗，达到节能节材的目标。
附图说明
图1是表面涂覆有耐磨减摩复合涂层的铝合金基材的界面结构镜检图（SEM照片）。
图2是摩擦系数试验曲线。
图3是磨损失重试验曲线。
具体实施方式
实施例1：铝合金摩擦构件耐磨减摩复合涂层的制备
一，材料准备：
（1）碳化钨粉末：烧结团聚粉末，粒度25μm~40μm，市售，上海大豪喷涂材料有限公司生产。
（2）二硼化钛粉末：粒度8μm ~12μm，市售，山东鹏程陶瓷材料有限公司，纯度99%。
（3）氧化铈粉末：粒度8μm~15μm，市售，江西佳润稀土有限公司生产。CeO2含量99.5%，余量为杂质La、Pr、Nd、Sm、Fe、Si、Ca 等元素的氧化物。
（4）镍包二硫化钼（Ni-MoS2）粉末：粒度75μm~90μm。市售，江油核宝纳米材料有限公司生产，是由粒度为2μm～4μm的二硫化钼粉末通过羟基镍分解法进行镍包覆而成。
（5）镍基合金粉末，粒度44μm～100μm，其化学元素组成为（质量分数，wt％）：Cr15.5，B 3.5，Si 4.0，Fe 15.0， C 0.8，Ni余量。市售，上海司太立有限公司生产。
称取上述粉末分别为：碳化钨140克，二硼化钛190克，氧化铈30克，镍包二硫化钼40克，镍基合金600克，用QM-ISP行星轮式球磨机（球磨时间2 h，转速为200 rpm）进行充分混匀，得耐磨减摩组合物。
二．耐磨减摩复合涂层的形成
采用激光表面熔覆技术将上述涂料组合物熔覆在铝合金摩擦构件表面上，工艺过程如下：
（1）先用金刚砂对铝合金摩擦构件表面进行喷砂处理，然后用丙酮擦洗以去除灰尘油污等，喷砂后表面粗糙度Ra=10μm～20μm。
（2）将混合均匀的复合涂层的涂料组合物用聚乙烯醇溶液作为粘结剂将其调制至糊状，在铝合金基材表面均匀刷涂厚度约0.45mm～0.55mm的预置层，再经室温自然干燥3h。
（3）采用CS-TEL-10kW高功率连续CO2激光器对上述已干燥的预置层进行激光熔覆处理，工艺参数为：激光功率1.6-1.9kW，光斑直径4mm，扫描速度500 mm·min-1，搭接率40%，用氩气作为保护气（其流量为18L·min-1）。激光熔覆后自然冷却，最后形成厚度为350μm～450μm的熔覆层。
（4）通过磨削加工，将摩擦构件熔覆层表面加工至所需精度，即表面粗糙度达到Ra=1.25～2.5。
对耐磨减摩复合涂层进行微观组织分析，如图1，其组织结构致密，与铝合金基材结合牢固，涂层的显微硬度达HV 1106.3。
本涂层的制作可直接包含在铝合金构件的制造过程中，在铝合金构件的摩擦副表面制作耐磨减摩复合涂层；也可对已磨损失效的铝合金构件的摩擦副进行修复处理，在其表面制作耐磨减摩复合涂层，以提高其耐摩擦耐磨损性能，延长其使用寿命，降低运转中的摩擦能耗。
实施例2 耐磨减摩复合涂层的性能试验
以GCr15钢球为对摩偶件，在HT-500型球-盘式摩擦磨损试验机上分别对本发明涂层（即实施例1制备耐磨减摩复合涂层）、45#钢、6061高强度铝合金、纯镍基合金涂层四种材料进行摩擦磨损试验。
试验条件为：室温（25℃），空气相对湿度为RH60%，干摩擦，滑动速度为0.25m/s，依次以3N、6N、9N、12N（相应的接触应力分别为：1361MPa、1558MPa、1715MPa、1847MPa、1963MPa）的载荷进行试验，摩擦时间：30min。摩擦磨损试验结果如图2～图3。
四者摩擦系数随载荷的变化曲线如图2所示：本发明涂层的摩擦系数在0.279~0.352之间，比6061铝合金基材的摩擦系数（0.442～0.551）降低了56.5%~58.4%，明显低于45#钢（0.403~0.451）和纯镍基合金涂层（0.389~0.439），比45#钢降低了21.9%～30.8%，比纯镍基合金涂层降低了19.8%～28.2%。
四者磨损失重随载荷的变化曲线如图3所示：本发明涂层的磨损失重为1.6mg~3.4mg，仅为6061铝合金基材（8.0mg～23.6mg）的14.4%~20%，比45#钢（4.7mg～10.6mg）减小了65.9%~67.9%，比纯镍基合金涂层（3.8mg～8.2mg）降低了57.9%~58.5%。
本实施例表明，本发明复合涂层可以显著改善铝合金基材的摩擦学性能，耐磨减摩效果显著。
Claims (5)
1.铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，其特征在于所述涂层由以下粉状混合物通过粘结剂调和后，涂覆于铝合金构件表面并以激光熔覆形成；粉状混合物中各组份的质量百分含量如下：
碳化钨粉末13%～15%，二硼化钛粉末18%～20%，氧化铈粉末2.0%～4.0%，镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%，镍基合金粉末余量；
以上各组份的粉末依次分别为25μm～40μm、8μm～12μm、8μm～15μm、75μm~90μm、44μm～100μm；
所述镍包二硫化钼粉末中，镍的包覆量为71％～73%；
所述镍基合金由元素C、Cr、Si、B、Fe和Ni组成，各元素质量百分含量为：
C 0.75～0.85%，Cr 15～16%，Si 3.5～4.5%，B 3.0～4.0%，Fe 14.5～15.5%，Ni余量。
2.根据权利要求1所述的铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，其特征在于所述粘结剂为聚乙烯醇溶液。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层，其特征在于所述涂层厚度为350μm～450μm。
4.一种权利要求1所述的铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
一． 按质量百分数为：粒度25μm～40μm的碳化钨粉末13%～15%、粒度8μm～12μm的二硼化钛粉末18%～20%、粒度8μm～15μm氧化铈粉末2.0%～4.0%、粒度75μm~90μm的镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%和粒度44μm～100μm的镍基合金粉末为余量进行配料，通过球磨将其充分混合，然后加入粘结剂聚乙烯醇溶液，并调制成糊状混合物；
所述镍基合金的元素组成为：
C 0.75～0.85%、Cr 15～16%、Si 3.5～4.5%、B 3.0～4.0%、Fe 14.5～15.5%和Ni余量；
所述镍包二硫化钼粉末中的镍包覆量为71％～73%；
二．激光熔覆，如下步骤：
（1）用金刚砂对铝合金构件表面进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra=10μm～20μm，然后擦洗干净；
（2）所述糊状混合物均匀涂覆在经喷砂处理后的铝合金构件表面，形成厚度为0.45mm～0.55mm的预置层，室温自然干燥；
（3）对干燥的预置层进行激光熔覆处理，工艺参数为：激光功率1.6-1.9kW，光斑直径4mm，扫描速度500 mm·min-1，搭接率40%，激光熔覆后自然冷却，形成厚度为350μm～450μm的耐磨减摩复合涂层；
（4）将熔覆层表面磨削加工至所需精度。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（4）所述表面磨削加工后的熔覆层表面精度达到表面粗糙度Ra=1.25～2.5。
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Legal Events
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Granted publication date: 20180508 Termination date: 20200317 |
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