CN106756717A

CN106756717A - 一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法

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Publication number: CN106756717A
Application number: CN201710046376.XA
Authority: CN
Inventors: 肖金坤; 刘黎明; 张超; 李大玉; 张伟
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2017-01-22
Filing date: 2017-01-22
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2037-01-22
Also published as: CN106756717B

Abstract

本法发明公开了金属材料技术领域内的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其先采用气雾化方法制备Cu‑Ni‑Sn‑Nb合金粉末；再将合金粉末热喷涂在设有镍包铝打底层的基体表面，经时效处理后，获得附着在基体表面的高强耐磨铜镍锡合金涂层。本发明可用于高强度恶劣环境下使用的导轨、轴承、轴瓦等表面强化，在保证基体材料表面具有Cu‑Ni‑Sn合金优异性能基础上，大大节约了原材料，缩短了生产周期，提高了生产效率，获得的合金涂层具有强度高、耐磨性好的优点。

Description

一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法。

背景技术

铜镍锡合金（如Cu15Ni8Sn）作为一种条幅分解强化型合金，既具有较强韧性，又具有优良的耐磨耐腐蚀性，在高负载、高速以及酸性环境下的使用性能均优于铍铜和铝青铜。采用热喷涂技术在基体表面喷涂一层Cu-Ni-Sn涂层同样具备合金的优异性能，因此，开发这种涂层在保护或修复零部件方面具有广阔的应用前景。

热喷涂是一种重要的表面强化技术，利用某种热源如电弧、燃烧火焰、等离子等将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，再借助焰流本身或高速的气流使颗粒雾化并喷射到基体表面，沉积形成不同功能的表面层。采用不同热喷涂方式制备的Cu-Ni-Sn涂层具有不同的组织和微观结构，涂层结构和涂层厚度可以在一定程度内进行调控。

Cu-Ni-Sn合金具有优异的耐磨耐蚀性能和较强的力学性能，非常适合用作热喷涂材料，保护或者修复表面要求耐磨耐蚀的零部件，甚至可以直接在工件表面制备合金涂层来替代导轨、轴套或者轴瓦，不仅可以提高工件的紧凑度、减轻重量还能提高装配精度，并降低成本。

目前Cu-Ni-Sn合金及其线材、带材、棒材的制备以及采用热喷涂方法制备CuAl、CuNi、CuNiIn等铜合金涂层已有相关报道和应用，但这些方法存在浪费原料、制备步骤复杂、成本高、生产效率低或者涂层效果不理想等问题，以至于Cu-Ni-Sn合金材料无法大规模产业化生产使用。

CN105256171A发明一种铜镍锡合金棒材及其制备方法，可用于制造重型装备的轴承、轴套、轴瓦及其它耐磨部件。该方法首先采用气雾化法制备合金粉末，然后经冷等静压成型、真空烧结和锭坯包套制备合金锭坯，在通过热挤压、冷旋锻以及最后的时效处理最终得到Cu-Ni-Sn合金棒材。此发明有效避免了在铸造过程中容易产生的Sn偏析问题，合金棒材综合性能优于铍青铜。

CN102146533A涉及一种铜镍锡合金带材的配方及生产工艺。合金由以下重量百分比成分组成：镍19-21%、锡4-6%、锆0.01-0.05%、其余为铜。此发明工艺包括：配料、熔炼、脱氧、转炉保温、水平连铸、固溶处理、铣面、粗轧、厚纵剪、再结晶退火、清洗、精轧、多级时效处理、矫直分切等步骤。其主要优点体现于生产过程污染小，流程短，生产效率高，省去热轧步骤直接进行冷轧但依然保证合金带坯的质量。最终获得的铜镍锡合金性能接近铍青铜。

CN104233179A是一种耐磨热喷涂复合铜铝合金涂层的制备方法。喷涂选用的粉末是铜铝合金中掺杂自熔性合金粉末，经过球磨研磨均匀后筛分粒径范围15-35 μm的混合粉备用。喷涂前首先需要对基体表面进行喷砂粗化，然后采用外热方式对工件表面进行250-300℃预热，在喷涂混合粉末前需先喷一层40 μm以下的镍包铝打底层，以增加涂层与基体的结合强度。将喷涂后的涂层重熔处理再置于350-550℃保温1-2 h时效处理，冷却后得到耐磨复合铜铝合金涂层。

发明内容

本专利提供一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，使其能在基体表面快速制备该涂层，使得导轨、轴承、轴瓦等表面得到强化。

为此，本发明提供的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用气雾化方法制备Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末；所述Cu-Ni-Sn-Nb合金中，各组分的重量百分含量分别为：镍14.5-15.5%，锡7.5-8.5%，铌0.2-1.0%，余量为铜；

（2）筛分出粒径23-75 μm的Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末；

（3）将Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末置于烘箱中干燥备用；

（4）对待喷涂基体表面进行喷砂粗化处理；

（5）采用热喷涂的方式在基体表面喷涂镍包铝打底层；

（6）采用热喷涂方式将Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末喷涂在镍包铝打底层表面获得涂层，涂层厚度为100-500 μm；

（7）将喷涂后的基体整体置于真空热处理炉中，进行时效处理后，在空气中冷却，从而获得附着在基体表面的高强耐磨铜镍锡合金涂层。

步骤（3）中烘箱温度90-110℃，烘干时间为1.8-2.2 h。步骤（4）中基体材料包括不锈钢、铸铁或铝合金。步骤（5）中打底层的厚度为50-60 μm。步骤（6）中热喷涂方式包括氧乙炔火焰喷涂、亚音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。步骤（7）中时效温度为360-380℃，时间为1.8-2.2 h。

本发明的优点和效果在于：

1）适量的铌加入后能够起到细化铜镍锡合金晶粒的作用，使得涂层韧性得以提高。

2）利用本发明的方法得到的涂层具有较大硬度和良好的耐磨性；镍包铝打底层与基体、涂层之间的界面连接牢靠，不易撕裂和剥脱，镍包铝打底层在热喷涂时，与Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末形成的熔融颗粒具有良好的相容性，能够使两者良好地熔接在一起。

3）铜镍锡合金能够在较低温度下发生调幅分解，采用本合金制备的涂层能够在不影响基体材料的组织结构和工件形状的温度下进行时效处理，从而显著提高涂层的硬度和耐磨性能。

4）热喷涂工艺简单，生产效率高，可直接在工件表面制备合金涂层来替代导轨、轴套或者轴瓦的精磨加工，同时有效节省材料成本。传统的耦合件的精磨加工中，一旦磨损过量，会直接导致工件报废，而采用本发明的方法，则可以使得工件再生，对磨损过量的工件可以修复。

相比于CN105256171A中的铜镍锡合金棒材的应用，本专利不论在材料使用成本还是可行性方面都有很大优势，基体材料可以是普通不锈钢，只需要在表面喷涂一层Cu-Ni-Sn-Nb涂层便可具有CN105256171A中所要求的性能，且未沉积粉末可回收再喷涂，提高能源利用率。

相比于CN102146533A中介绍的铜镍锡合金带材生产工艺，本专利采用热喷涂工艺，操作简单可行，无需CN102146533A所需的复杂生产工艺流程，可大规模生产，且制备过程中不发生化学反应，有利于节约能源保护环境。

相比于CN104233179A，本专利采用不同热喷涂工艺制备铜镍锡涂层，可根据不同场合具体所需性能制备不同结构的涂层，例如多孔、耐磨、减摩、耐腐蚀。且相对于CN104233179A制备的铜铝复合涂层，本专利制备材料种类更为明确，应用更为具体。

本发明可用于高强度恶劣环境下使用的导轨、轴承、轴瓦等表面强化，在保证基体材料表面具有Cu-Ni-Sn合金优异性能基础上，大大节约了原材料，缩短了生产周期，提高了生产效率，获得的合金涂层具有强度高、耐磨性好的优点。

附图说明

图1为本发明所提供的热喷涂涂层形成原理示意图。

图2为实施例1热喷涂Cu15Ni8SnNb涂层的XRD图谱。

图3为实施例1中Cu15Ni8SnNb热喷涂涂层与Cu15Ni8SnNb合金块材的磨痕深度比较图。

图中，1喷枪、2送粉管、3焰流、4熔融颗粒、5涂层、6基体。

具体实施方式

本发明所采用的热喷涂原理图如图1所示：喷枪1、送粉管2选用径向送粉方式将铜镍锡合金粉末送入焰流中心、由不同喷枪的焰流3产生的热源（火焰、电弧、等离子弧等）加热铜镍锡合金粉末，在焰流3的前方形成熔融颗粒4，铜镍锡涂层5沉积在不锈钢基体6的表面设置的镍包铝打底层上。

实施例1

一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，按如下步骤进行：

（1）采用气雾化方法制备Cu15Ni8SnNb合金粉末；在该Cu15Ni8SnNb合金中，各组分的重量百分含量分别为：镍15%，锡8%，铌1%，余量为铜；

（2）称取300 g通过气雾化法制备获得的Cu15Ni8SnNb合金粉末；筛分出粒径23-75 μm的Cu15Ni8SnNb合金粉末；对应的筛目数为200-400目；合金粉末筛分的目的在于控制粒径范围后，实际上是控制了其在热喷涂时，合金粉末能够均匀地被熔融，以利于热喷涂，因此需将其中大颗粒和过细的粉末筛掉，同时，合金粉末优选为球形粉末，在焰流吹动下，其运行轨迹稳定，单个颗粒的质量分布均匀，利于均衡受热；

（3）将Cu15Ni8SnNb合金粉末置于烘箱中干燥备用；烘箱温度90-110℃，烘干时间为1.8-2.2 h；以增加粉末的流动性，避免在送粉过程中发生堵塞；

（4）对待喷涂基体表面进行刚玉喷砂粗化处理；使得基体表面形成若干微小的凹坑；基体材料为不锈钢；

（5）采用热喷涂的方式在基体表面喷涂镍包铝粉末获得镍包铝打底层；打底层的厚度为50-60 μm；

（6）采用热喷涂方式将Cu15Ni8SnNb粉末喷涂在镍包铝打底层表面获得涂层，具体做法是将干燥好的合金粉末放入送粉器，送粉量调为15 g/min送入等离子焰流中心，沉积在打底层的表面形成200 μm厚的Cu15Ni8SnNb涂层。喷涂距离为120 mm，等离子气流H₂流量4 L/min，Ar流量50L/min，电流500 A，电压55 V；喷枪平移速度为200 m/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂5次；

（7）将喷涂后的基体整体置于真空热处理炉中，在370℃条件下进行时效处理2 h后，在空气中冷却，从而获得附着在基体表面的高强耐磨铜镍锡合金涂层。

本发明实施例1中，在对应的步骤中可以控制如下参数，步骤（1）的Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末中，各组分的重量百分含量分别为镍14.5-15.5%，锡7.5-8.5%，铌0.2-1.0%，余量为铜；在步骤（3）中烘箱温度90-110℃，烘干时间为1.8-2.2 h。步骤（5）中打底层的厚度为50-60 μm。步骤（7）中时效温度为360-380℃，时间为1.8-2.2 h。

经测试，最终获得涂层HV_0.1维氏硬度可达280。

将制备得到的Cu15Ni8SnNb涂层通过X射线衍射XRD分析相成分。结果如图2所示，涂层主要存在α-Cu、Sn等相，与合金的相成分相同，表明在喷涂过程中没有发生相变。

对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行同材质的Cu15Ni8SnNb块材摩擦实验。其中负载5 N、速度10 mm/s、磨痕长度8 mm、总滑动距离20m。结果表明，喷涂的Cu15Ni8SnNb涂层的磨损率为1.62×10^-3mm³/N·m，低于合金块材的2.85×10^-3mm³/N·m，涂层的耐磨性优于合金块材，涂层磨痕深度明显小于合金材料，如图3所示，图中，A曲线为Cu15Ni8SnNb块材磨损曲线，B曲线为Cu15Ni8SnNb涂层的磨损曲线。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤6中采取的热喷涂方式是氧乙炔火焰喷涂，火焰生成气为氧气4 bar、乙炔0.7 bar，喷涂距离为180 mm，枪平移速度300 mm/s，平移间距3 mm，重复喷涂5次，送粉速度25 g/min，最终获得厚度约300 μm、硬度约为250 HV_0.1的涂层。

进行球盘摩擦磨损实验中，相同摩擦实验条件下，喷涂的Cu15Ni8SnNb涂层的磨损率为3.54×10^-3mm³/N·m，高于合金块材的2.85×10^-3mm³/N·m。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤6中采取的热喷涂方式是亚音速火焰喷涂，火焰生成气为氧气和乙炔，调节乙炔流量至0.8 bar左右后增大氧气流量，使燃烧焰流变成白色氧化焰，同时通入1.2 bar的压缩空气以冷却喷枪并加速火焰喷射速度。喷涂距离为200 mm，枪平移速度300 mm/s，平移间距3 mm，送粉速度30 g/min，重复喷涂5次，最终获得厚度约300 μm、硬度约为300 HV_0.1的涂层。

进行球盘摩擦磨损实验中，相同摩擦实验条件下，喷涂的Cu15Ni8SnNb涂层的磨损率为1.85×10^-3mm³/N·m，低于合金块材的2.85×10^-3mm³/N·m。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤6中采取的热喷涂方式是超音速火焰喷涂，火焰生成气为煤油和氧气，调节煤油压力到1.2 MPa、氧气压力 1.6 MPa、压缩空气0.2MPa，送粉速度50 g/min，喷涂距离为300 mm，枪平移速度300 mm/s，平移间距5 mm，重复喷涂5次，最终获得厚度约400 μm、硬度约为350 HV_0.1的涂层。

进行球盘摩擦磨损实验中，相同摩擦实验条件下，喷涂的Cu15Ni8SnNb涂层的磨损率为1.16×10^-3mm³/N·m，低于合金块材的2.85×10^-3mm³/N·m。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中制备的Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末，其成分由以下重量百分比元素组成：镍15%、锡7.5%、铌0.75%，其余为铜。涂层厚度为100 μm，硬度约为290 HV_0.1，相同摩擦实验条件下，喷涂的Cu-Ni-Sn-Nb合金涂层的磨损率为1.50×10^-3mm³/N·m。

实施例6

与实施例1不同之处在于步骤（1）Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末中各组分的重量百分含量分别为，镍14.5%，锡8.5%，铌0.2%，余量为铜。

实施例7

与实施例1不同之处在于步骤（1）Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末中各组分的重量百分含量分别为镍15.5%，锡7.5%，铌1.0%，余量为铜。

实施例8

与实施例1不同之处在于步骤（1）Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末中各组分的重量百分含量分别为，镍15%，锡7.5%，铌0.5%，余量为铜。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。例如，基体材料也可以是铸铁、铝合金等材料。热喷涂方式包括氧乙炔火焰喷涂、亚音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。

Claims

1.一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（2）筛分出粒径23-75 μm的Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末；

（3）将Cu-Ni-Sn-Nb合金粉末置于烘箱中干燥备用；

（4）对待喷涂基体表面进行喷砂粗化处理；

（5）采用热喷涂的方式在基体表面喷涂镍包铝打底层；

2.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（3）中烘箱温度90-110℃，烘干时间为1.8-2.2 h。

3.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（4）中基体材料包括不锈钢、铸铁或铝合金。

4.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（5）中打底层的厚度为50-60 μm。

5.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（6）中热喷涂方式包括氧乙炔火焰喷涂、亚音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂或电弧喷涂。

6.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（7）中时效温度为360-380℃，时间为1.8-2.2 h。