CN105821459B - 一种在不锈钢表面制备硼化物涂层的方法 - Google Patents

一种在不锈钢表面制备硼化物涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于不锈钢表面改性处理技术领域，特别涉及一种TiB2/C耐蚀涂层的制备工艺。将不锈钢基体作高能微弧合金化设备的阴极，将沉积电极作高能微弧合金化设备的阳极，在氩气保护下进行高能微弧合金化沉积，在基底表面获得涂层。通过对TiB2粉末掺杂碳粉后制备的TiB2/C涂层致密性提高，且高能微弧合金化工艺促进了涂层与基体呈冶金结合，脆性降低，表面无明显缺陷，在高温，酸性等苛刻条件下，对基体可提供长期有效保护。

Description

一种在不锈钢表面制备硼化物涂层的方法
技术领域
本发明属于不锈钢表面改性处理技术领域，特别涉及一种TiB2/C耐蚀涂层的制备工艺。
背景技术
二硼化钛(TiB2)作为过渡金属基陶瓷，具有优良的热稳定性、抗氧化性、硬度、耐磨损性及导电性能，一直被认为是最有潜力得到广泛应用的硼化物陶瓷，如导电陶瓷材料，抗磨材料，切削工具等领域，都是二硼化钛(TiB2)典型应用行业。鉴于二硼化钛(TiB2)具有硬度高、耐磨性好等特点，众多研究人员将其用来作为涂层材料来提高金属基体的表面硬度，改善其耐磨性能，他们通过热喷涂、激光熔覆、脉冲电极沉积等技术方法在金属表面获得TiB2基涂层材料，在既不改变金属材料本身的良好塑性、韧性等性能下，又提高了金属的表面硬度、磨损强度、抗氧化以及导电性，从而进一步拓宽了金属材料的应用范围。
在诸多TiB2涂层制备技术中，激光熔覆技术方法的优势在于通常可以实现金属基体与陶瓷涂层的冶金结合，从而使得所获得的涂层在高温潮湿等环境下不易脱落、失效等。然而由于激光熔覆过程中加热和冷却速率极快，熔覆层与基体间热膨胀系数的差异，容易导致熔覆涂层局部形成微裂纹或变形等缺点，对涂层的致密性造成不利，这在从某种程度上制约了涂层更大的发挥。
其次，二硼化钛(TiB2)本身脆性大，导致涂层应力集中、易于开裂，这些缺陷往往会导致腐蚀介质渗透，影响其使用性能。
高能微弧合金化(HEMAA)是一种简单易控且成本低的表面处理技术，能够在金属表面沉积陶瓷涂层，设备不如激光设备昂贵，易于工业化应用推广，是目前陶瓷涂层制备中非常有应用前景的技术，然而目前却很少有报道关于采用高能微弧合金化技术制备金属硼化物涂层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：激光熔覆、等离子喷涂等传统表面处理技术对制备的二硼化钛(TiB2)涂层的致密性不利，易形成微裂纹或变形；二硼化钛(TiB2)涂层脆性高，与基体结合不牢固，易于剥落，不易在金属表面沉积；
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
提供一种在不锈钢表面制备二硼化钛涂层的方法：将经过表面处理后的不锈钢基体作高能微弧合金化设备的阴极，将沉积电极作高能微弧合金化设备的阳极，在氩气保护下进行高能微弧合金化沉积，在基底表面获得致密微晶化的TiB2涂层，克服了陶瓷硼化物脆性大，不易在金属表面沉积的缺点，提高了不锈钢的硬度和耐磨性能，
其中，选用牌号为304L或316L的不锈钢基底，其表面处理为：依次采用400、2000#SiC砂纸打磨并用丙酮除油；
沉积电极为TiB2沉积电极或TiB2/C沉积电极，
TiB2沉积电极的制备方法为：将TiB2粉末压制成型，随后在高温下烧结制备得到电极，
TiB2/C沉积电极的制备方法为：TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为95.0～98.0wt.％，碳粉为2.0～5.0wt.％，再球磨后压制成型，随后在高温下烧结制备得到电极，
其中，球磨采用行星式球磨机，研磨介质为氧化锆球，其中大球、中球、小球比例为1:2:4，球磨机转速为200r/min，球磨时间为2h，
将球磨干燥后的TiB2粉末装入钢模压制成型，压力为6～7MPa，时间为2～5min，
高温烧结过程在氩气保护下进行，首先经1.5h从室温(25℃)升至450℃，随后经2h从450℃升温至1600℃，再经1.5h从1600℃升温至1900℃，在1900℃下保温4h后，自然冷却至室温(25℃)；
高能微弧合金化沉积在氩气侧吹保护下进行，氩气流速为15L/min，沉积前调节高能微弧合金化设备的工艺参数，其中，沉积电压控制在85±5V；沉积频率控制在600±200Hz；沉积电流脉宽控制在400±200μs，输出功率为1100±200W，
沉积时间为3～5min，沉积过程中保持电极匀速旋转(转速为1100r/min)，且不断保持电极相对于基体均匀移动，保证涂层均匀性。
本发明的有益效果在于：通过高能微弧合金化设备制备的TiB2涂层脆性降低，与基体呈冶金结合，且均匀致密，表面无明显缺陷，在高温，酸性等苛刻条件下，对基体可提供长期有效保护；通过对TiB2粉末掺杂碳粉制备TiB2/C复合陶瓷电极，在保留TiB2优异综合性能的基础上，提高了其导电性，减少了沉积TiB2涂层形成的裂纹，涂层的致密性提高。
附图说明
图1为不锈钢304L基体材料与形成的TiB2/C涂层材料在0.3MH2SO4+2ppmF溶液中腐蚀极化曲线，如图中可见相对于基体，形成的TiB2/C涂层腐蚀电位升高。
图2为碳掺杂前后形成的TiB2涂层表面形貌，图a为无碳掺杂，图b为碳掺杂改性的涂层，
纯TiB2涂层相对于TiB2/C涂层表面有明显裂纹，TiB2掺杂碳后表面缺陷减少，涂层光滑、平整。
具体实施方式
实施例1
(1)不锈钢基体表面预处理
将304L不锈钢切割成长×宽×高为10mm×10mm×5mm的样品，并在预磨机上依次采用400、2000#SiC砂纸逐级打磨去除表面氧化层，然后放入丙酮溶液中除油清洗3min，用去离子水清洗并干燥；
(2)TiB2沉积电极的制备
将纯TiB2粉末装入钢模，7MPa压力下保压4min压制成型，随后将压制成型后的TiB2在氩气保护下，首先经1.5h从室温(25℃)升至450℃，随后经2h升温至1600℃，再经1.5h从1600℃升温至1900℃，在1900℃下保温4h后，自然冷却至室温；
(3)将经过步骤(1)表面处理后的304L不锈钢连接高能微弧合金化装备阴极，将步骤(2)中制备的TiB2沉积电极连接高能微弧合金化设备阳极，调节高能微弧冷焊机设备的沉积电压控制为85V、沉积频率为700Hz、沉积电流脉宽为500μs、冷焊机输出功率为1100W，
沉积过程在氩气侧吹保护下进行，保持这期间氩气流量为15L/min，沉积过程中保持电极匀速旋转(转速为1100r/min)，且不断保持电极相对于基体均匀移动，保证涂层均匀性，沉积3min后获得一层厚度为18μm的TiB2涂层，涂层表面有明显的裂纹，如附图2中a所示。
实施例2
(1)不锈钢基体表面预处理
具体操作同实施例1；
(2)TiB2/C沉积电极的制备
TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为98.0wt.％，碳粉为2.0wt.％，
再球磨后压制成型，球磨采用行星式球磨机，研磨介质为氧化锆球，其中大球、中球、小球比例为1:2:4，调节球磨机转速为200r/min，球磨时间为2h；将球磨干燥后的TiB2/C粉末装入钢模，7MPa压力下保压4min压制成型；
随后将压制成型后的TiB2/C在氩气保护下，首先经1.5h从室温(25℃)升至450℃，随后经2h升温至1600℃，再经1.5h从1600℃升温至1900℃，在1900℃下保温4h后，自然冷却至室温(25℃)；
(3)高能微弧合金化沉积
将经过步骤(1)表面处理后的304L不锈钢连接高能微弧合金化装备阴极，将步骤(2)中制备的TiB2/C沉积电极连接高能微弧合金化设备阳极，调节高能微弧冷焊机设备的沉积电压控制为85V、沉积频率为600Hz、沉积电流脉宽为400μs、冷焊机输出功率为1000W，
沉积过程在氩气侧吹保护下进行，保持这期间氩气流量为15L/min，沉积过程中保持电极匀速旋转(转速为1100r/min)，且不断保持电极相对于基体均匀移动，保证涂层均匀性，沉积4min后获得一层厚度为18μm的TiB2/C涂层，但涂层表面仍有少许裂纹。
实施例3
(1)不锈钢基体表面预处理
具体操作同实施例1，
此时，不锈钢基体在0.3MH2SO4+2ppmF溶液中腐蚀极化曲线如附图1中所示；
(2)TiB2/C沉积电极的制备
TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为96.0wt.％，碳粉为4.0wt.％，球磨、压制成型、烧结工艺同实施例2；
(3)高能微弧合金化沉积
具体操作同实施例2，
沉积4min后获得一层18μm厚且均匀致密的TiB2/C涂层，涂层表面无明显缺陷(如附图2中b所示)，且在酸性条件下对基体提供很好的保护，TiB2/C涂层在0.3MH2SO4+2ppmF溶液中腐蚀极化曲线如附图1中所示。
取三片本实施例中最终获得的TiB2/C涂层样片夹在垫上布料的虎钳上，然后对试片做90°弯曲(若弯曲一次没有出现裂纹，则增加次数)，结果显示，在进行4次90°弯曲测试后，三片试样表面才开始出现裂纹，表明高能微弧合金化沉积能够降低涂层脆性。
实施例4
(1)不锈钢基体表面预处理
具体操作同实施例1；
(2)TiB2/C沉积电极的制备
TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为95.0wt.％，碳粉为5.0wt.％，球磨、压制成型、烧结工艺同实施例2；
(3)高能微弧合金化沉积
将经过步骤(1)表面处理后的304L不锈钢连接高能微弧合金化装备阴极，将步骤(2)中制备的TiB2/C沉积电极连接高能微弧合金化设备阳极，调节高能微弧冷焊机设备的沉积电压控制为85V、沉积频率为700Hz、沉积电流脉宽为500μs、冷焊机输出功率为1500W，
沉积过程在氩气侧吹保护下进行，保持这期间氩气流量为15L/min，沉积过程中保持电极匀速旋转(转速为1100r/min)，且不断保持电极相对于基体均匀移动，保证涂层均匀性，沉积4min后获得一层厚度为20μm且均匀致密的TiB2/C涂层，涂层表面无明显缺陷，在酸性条件下对基体提供很好的保护。
取三片本实施例中最终获得的TiB2/C涂层样片夹在垫上布料的虎钳上，然后对试片做90°弯曲(若弯曲一次没有出现裂纹，则增加次数)，结果显示，在进行4次90°弯曲测试后，三片试样表面才开始出现裂纹，表明高能微弧合金化沉积能够降低涂层脆性。
对比实施例1
(1)不锈钢基体表面预处理
具体操作同实施例1；
(2)TiB2/C粉末的制备
TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为96.0wt.％，碳粉为4.0wt.％，
再采用行星式球磨机对其球磨，研磨介质为氧化锆球，其中大球、中球、小球比例为1:2:4，调节球磨机转速为200r/min，球磨时间为2h；
(3)采用步骤(2)中得到的TiB2/C粉末，于经过步骤(1)预处理的不锈钢基体表面进行等离子喷涂，得到18μm厚的TiB2/C涂层，
其中，等离子喷涂工艺参数为：喷涂距离为100mm，喷涂功率为80kW，氩气流速为40L/min，氢气流速为15L/min，送粉率30g/min。
取三片本实施例中最终获得的TiB2/C涂层样片夹在垫上布料的虎钳上，然后对试片做90°弯曲(若弯曲一次没有出现裂纹，则增加次数)，结果显示，未完成一次弯曲测试时，三片试样涂层均出现了断裂现象。
对比实施例2
步骤(1)、(2)、(3)与对比实施例1相同，
(4)在氮气保护下，对上述步骤(3)中得到的涂层进行激光重熔处理，激光熔覆功率为80W/mm2；频率8Hz；电流脉宽4μs；电流220A；扫描速率3mm/s，保护气体氮气流速为15L/min。
取三片本实施例中最终获得的TiB2/C涂层样片夹在垫上布料的虎钳上，然后对试片做90°弯曲(若弯曲一次没有出现裂纹，则增加次数)，结果显示，完成1次弯曲测试后，三片试样表面均出现了裂纹。

Claims (5)

1.一种在不锈钢表面制备TiB2/C涂层的方法，其特征在于：所述制备方法为，将经过表面处理后的不锈钢基体作高能微弧合金化设备的阴极，将沉积电极作高能微弧合金化设备的阳极，在氩气保护下进行高能微弧合金化沉积，在基体表面获得涂层，
高能微弧合金化沉积在氩气侧吹保护下进行，氩气流速为15L/min，沉积前调节高能微弧合金化设备的工艺参数，其中，沉积电压控制在85±5V；沉积频率控制在600±200Hz；沉积电流脉宽控制在400±200μs，输出功率为1100±200W；
所述沉积电极为TiB2/C沉积电极，
所述TiB2/C沉积电极的制备方法为，TiB2、碳粉经80目过滤网筛取后，将TiB2粉末与碳粉掺杂混合均匀，其中TiB2粉末为95.0~98.0 wt.%，碳粉为2.0~5.0 wt.%，再球磨后压制成型，随后在高温下烧结制备得到电极。
2.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备TiB2/C涂层的方法，其特征在于：所述不锈钢基体为304L或316L不锈钢基体，其表面处理为，依次采用400、2000#SiC砂纸打磨并用丙酮除油。
3.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备TiB2/C涂层的方法，其特征在于：球磨采用行星式球磨机，研磨介质为氧化锆球，其中大球、中球、小球比例为1:2:4，球磨机转速为200r/min，球磨时间为2h。
4.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备TiB2/C涂层的方法，其特征在于：将球磨干燥后的TiB2粉末与碳粉的混合物装入钢模压制成型，压力为6~7MPa，时间为2~5min。
5.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备TiB2/C涂层的方法，其特征在于：烧结过程在氩气保护下进行，首先经1.5h从室温升至450℃，随后经2h从450℃升温至1600℃，再经1.5h从1600℃升温至1900℃，在1900℃下保温4h后，自然冷却至室温。
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