CN106555148A - 一种梯度复合耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

一种梯度复合耐磨涂层的制备方法 Download PDF

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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

本发明公开了一种梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100‑160℃下干燥；(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.1‑0.3mm；(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN‑NiB‑Si3N4混合粉末，得到TiN‑NiB‑Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.2‑0.6mm。所述复合涂层能够提高基体的耐磨性能。

Description

一种梯度复合耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层的制备方法。
背景技术
磨损是金属零件失效的三种主要原因(磨损、腐蚀和疲劳)之一。它所造成的经济损失是十分巨大的，如美国1981年公布的数字，每年由于磨损而造成的损失高达1000亿美元。其中材料消耗约为200亿美元，相当于材料年产量的7％。由于材料耐磨性较差，我国大量基础零件的损失寿命普遍大幅度低于国外先进产品的水平，因此直接及间接的经济损失也是十分惊人的。
仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力、和建材五个工业部门不完全的统计，每年仅由于磨料磨损而需要补充的备件就达100万吨钢材，相当于15～20亿人民币。又如机械工业每年所用的钢材，约有一半是消耗在备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的，如约40％的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，约30％的锅炉钢管是由于腐蚀磨损失效的。
在冶金矿山生产中，机械的工况和使用环境十分恶劣，磨损失效是机械失效的主要原因。以液浆泵为例，它是用来抽取的洗矿后剩下的尾矿砂泥浆，泥浆中含有部分硬度较髙的精矿砂、沙砾以及较大的石块，而且其中还含有硫等腐蚀性的物质，加之运送泥浆时需要较高的压头，因此泵中流体的速度很高。具有较大的冲击力。这些工况条件决定了渣浆泵在使用时即要能承受多种形式的磨损，又要有很高的机械韧性和强度，因而对泵过流部件的材质提出了很高的要求。然而单一材料的性能很难满足这种即要有很高的机械强度，又要有能耐磨、耐腐的要求。
热喷涂工艺及复合材料的产生，为解决这个问题开辟了一片新的前景。例如，将耐磨陶瓷材料喷涂在耐冲击的金属材料上，将两种材料取长补短，优势互补，可以满足机械设备日益提高的机械负荷和对抗磨损性的苛刻要求。
热喷涂复合耐磨涂层能否成功的关键在于耐磨性，然而喷涂材料与涂层的性质有很大的差异，所以，只能根据喷涂材料既有性质进行选材，至于耐磨涂层的耐磨性需要大量的性能试验验证。耐磨涂层质量除了与喷涂材料有关，还受到喷涂工艺与涂层结构的影响，这涉及涂层的结合强度和残余热应力，高结合强度与低残余热应力是热喷涂工艺的最终目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种梯度复合耐磨涂层的制备方法，所述复合涂层能够提高基体的耐磨性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：
(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；
(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.1-0.3mm；
(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN-NiB-Si3N4混合粉末，得到TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.2-0.6mm。
本发明所述的TiN-NiB-Si3N4混合粉末，其为纳米级，二者以10-3:0.5-2:1的重量比混合。
所述NiB粉末，Ni:B的原子比为5-2:1。
本发明采用TiN具有高硬度、低摩擦系数、高粘着强度、化学稳定性好、良好的导电性和与钢铁材料的热膨胀系数相近等优点，从而被广泛应用于机械、材料、化工、电子、冶金等领域。
本发明的所述大气等离子喷涂设备，是本领域的已知技术，其工艺条件的确定，可以根据本领域的现有技术，或者有限次试验进行确定，本发明不再就其进行限定。
大气等离子喷涂是所有的热喷涂工艺中灵活性最强的一个，它可以产生足够的能量熔化任何材料。喷涂方式可分为大气等离子、大气保护等离子、真空等离子和水稳等离子喷涂等。喷涂设备主要由喷枪、送粉器、直流电源、控制系统、热交换器和管路系统组成。由于等离子喷涂使用粉末作为涂层原料，在等离子喷涂工艺中可以使用的涂层材料的数量几乎是无限的。在阳极(喷嘴)和阴极(电极)之间点燃高频电弧，在其间流动的工艺气体(通常为氩气、氮气、氢气和氦气的混合物)被离子化为热等离子气体的羽流，从而超过太阳表面6,600℃至16,600℃的温度。当涂层材料被注入到气体羽流后，材料被熔化并被射向靶基体。
使用的工艺气体与电极上施加的电流共同控制工艺产生的能量。由于可以对每种气体和所用电流进行精确的调节，所以涂层结果可以重复和预测。同时，材料被射入羽流的地点和角度以及喷枪到靶的距离也可被控制，从而能高度灵活地产生恰当的材料喷涂参数，扩大熔化的温度范围。
等离子喷枪与靶部件的距离、喷枪和部件的相对速度以及部件冷却(通常借助集中在靶基体的空气喷射的帮助)，一般将部件的喷涂温度控制在38℃至260℃。
优选的，本发明所述的基材为渣浆泵的叶轮或壳体。即：
所述NiCrAl底层材料是市售产品，本领域技术人员可以购买得到，或者自己加工制备得到。例如，按照1-3:1-3:1-3的原子比复配得到。
本发明采用TiN-NiB-Si3N4联用，并在基底表面和所述梯度复合涂层之间设置NiCrAl中间涂层，使得涂层耐磨耐腐蚀，且与结合力强。
本发明采用大气等离子喷涂工艺，相较于其他热喷涂工艺，特别适合用于本发明的渣浆泵叶轮和壳体等不规则部件，且所述工艺与本发明的特定材料配合，得到的涂层坚固牢靠，耐腐蚀耐磨。
将本发明得到的梯度复合耐磨涂层基体置于水沙混合物中，进行旋转磨损试验，经过24小时后，称重，并与磨损前的重量进行比较，磨损损失率低于0.001％，说明本发明制备得到的复合涂层耐磨且与基体结合紧密牢固。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种渣浆泵的叶轮或壳体TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：
(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；
(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.1mm；
(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN-NiB-Si3N4混合粉末，二者比例为10:0.5:1，得到TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.2mm。
实施例2
一种渣浆泵的叶轮或壳体TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：
(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；
(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.3mm；
(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN-NiB-Si3N4混合粉末，比例为10:2:1，得到TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.6mm。
实施例3
一种渣浆泵的叶轮或壳体TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：
(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；
(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.2mm；
(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN-NiB-Si3N4混合粉末，二者比例为5:1:1，得到TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.4mm。
将实施例1-3得到的梯度复合耐磨涂层基体置于水沙混合物中，进行旋转磨损试验，经过24小时后，称重，并与磨损前的重量进行比较，磨损损失率低于0.01％，说明实施例1-3制备得到的复合涂层耐磨且与基体结合紧密牢固。

Claims (2)

1.一种梯度复合耐磨涂层的制备方法，其包括：
(1)将基材表面进行喷砂粗化处理；
(2)分别用丙酮和乙醇洗涤基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大气等离子喷涂设备，对所述基材表面进行等离子喷涂NiCrAl过渡层，所述过渡层厚度为0.1-0.3mm；
(4)在过渡层上采用大气等离子喷涂TiN-NiB-Si3N4混合粉末，得到TiN-NiB-Si3N4梯度复合耐磨涂层，所述梯度复合耐磨涂层厚度为0.2-0.6mm；
所述的TiN-NiB-Si3N4混合粉末，其为纳米级，以10-3:0.5-2:1的重量比混合；
所述NiB粉末，Ni:B的原子比为5-2:1。
2.如权利要求1所述的梯度复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的基材为渣浆泵的叶轮或壳体。
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覃峰等: "《陶瓷/金属复合耐磨涂层的微观结构与磨损性能分析》", 《中国表面工程》 *

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