CN108342731A - 一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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    • 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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    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
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Abstract

本发明为一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法。该方法包括以下步骤：将NiCrBSi粉末和TiN粉末进行机械混合，得到混合粉末；其中，NiCrBSi粉末的质量为混合粉末总质量的75％～85％；然后在经过打磨处理的基体上进行等离子熔覆；得到厚度为1～2毫米的镍铬硼硅和氮化钛熔覆层。本发明避免了纯单质元素的使用，具有很好的经济性；得到的熔覆层和基体界面之间形成了新的物相并且界面结合紧密，具有优良的耐磨性能。

Description

一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面涂层技术领域，具体为一种镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)耐磨复合涂层的制备方法。本发明通过等离子熔覆方法制得的涂层具有优良的磨损性能，可以应用于对磨损有很高要求的气缸内壁、柱塞、轧辊等。
背景技术
机械设备的关键摩擦副零部件承受摩擦的损伤，从而引起零部件的过早失效。然而，一些设备中的关键摩擦零部件，如泵、液压系统、阀、齿轮、轴和螺旋桨。其安全性、可靠性和使用寿命在很大程度上取决于它们在恶劣的环境中摩擦的表现，因此当务之急是提高摩擦零部件的摩擦学性能，从而延长这些零部件的使用寿命。
在材料表面制备一种耐磨复合涂层是一种提高零件服役性能的便捷、高效的技术方法。而此时涂层作为零部件的保护或修复层，是工件磨损失效产生的主要部位，从而决定了工件在磨损状态下的服役性能。
因此，对粉末组分的选择以及对应的等离子熔覆工艺成为了关键。镍铬硼硅(NiCrBSi)耐磨涂层因为其具有良好的耐磨损等优异的性能而被广泛采用，该涂层通过组分中含有的Fe和C元素来实现涂层中形成硬质相等目的。但该方法形成的硬质相少且分布不均匀使涂层的硬度不足等不足，且界面结合强度低等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法。本发明利用现有的两种常见镍铬硼硅(其中镍铬硼硅粉末中各种元素的含量自主配置)和氮化钛物料，可以通过调整了粉末组分的组成和配比，采用等离子熔覆方法制备镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)耐磨复合涂层。本发明原料成本低，得到的涂层中，去除了普遍采用的Fe和C元素提高了涂层与基体之间的结合强度，增加了涂层的使用寿命。
本发明的技术方案为：
一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
第一步，配料：
将NiCrBSi粉末和TiN粉末进行机械混合，得到混合粉末；其中，NiCrBSi粉末的质量为混合粉末总质量的75％～85％；镍铬硼硅的粉末粒度为10～60μm；氮化钛的粉末粒度为1～10μm；
其中，NiCrBSi粉末中元素的质量百分组成为Cr为15％～18％、B为2％～3％、Si为2％～4％、Mn为1.5％～2.5％、Re为铈(Ce)元素，含量为0.5％～1％，余量为Ni；
第二步，制备镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)耐磨复合涂层
(1)首先将基体进行调质处理；
(2)对基体表面进行打磨处理；
(3)在经过打磨处理的基体上进行等离子熔覆；其中，混合粉末的送粉口位置距离喷嘴10～15mm，等离子熔覆电流50A，扫描速度为1.0mm/s，送粉速率0.8～1.0L/min，送粉气体为Ar气，送粉气流量为6L/min；得到厚度为1～2毫米的镍铬硼硅和氮化钛熔覆层；
所述的基体为碳素钢、合金钢或者铸铁。
所述的调质处理步骤具体为：首先进行淬火，淬火温度为830～850℃，然后高温回火2～3小时，高温回火温度为550～650℃，调质处理后洛氏硬度达到22～34HRC。
所述的表面打磨处理后基体表面粗糙度(Ra)为1.2～2.4μm。
本发明的有益效果为：
本发明通过以镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末为原料，避免了纯单质元素的使用，具有很好的经济性；得到的熔覆层和基体界面之间形成了新的物相并且界面结合紧密；并且得到的熔覆层界面结合较好，具有优良的耐磨性能：与基体的结合强度高，相同条件下，熔覆层的磨损体积仅是基体的磨损体积是的1/8～1/10。
附图说明
图1为实施例1中的镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的界面结合处SEM图片；
图2为实施例1中的镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的XRD；
图3为实施例1中的镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层和基体的摩擦系数曲线和磨损体积；其中，图3a为基体和熔覆层的摩擦系数曲线，图3b为基体和熔覆层的磨损体积；
图4(a)为实施例1中的基体的表面磨损形貌图片；图4(b)为实施例1中镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的表面磨损形貌图片。
具体实施方式
本发明涉及的NiCrBSi粉料是公知材料，可以市售购得。其中，Cr为15％～18％、B为2％～3％、Si为2％～4％、Mn为1.5％～2.5％、Re为铈(Ce)元素，含量为0.5％～1％，余量为Ni；镍铬硼硅的粉末粒度为10～60μm；
所述的TiN粉末的质量组成为Ti76％,N24％；氮化钛的粉末粒度为1～10μm。
实施例1
本实施例1采用镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末，选用粒径大小为10～60μm的镍铬硼硅(NiCrBSi)粉末，1～10μm的氮化钛(TiN)粉末，这种粉末成分如表1所示。
表1 NiCrBSi的化学成分(质量分数,％)
其中：NiCrBSi粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的80％，TiN粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的20％。Ni、Cr、Mn纯度为99％，Ce、B、Si纯度为99.99％，TiN纯度为99.999％。
NiCrBSi质量为100g，TiN质量为20g。对于NiCrBSi粉末，其中Ni75％,Cr17％,B2.5％,Si3％,Mn2％,Ce0.5％.对于TiN粉末，其中，质量组成为Ti76％,N24％.
其主要步骤包括：对基体45钢表面进行打磨处理→送入起弧离子气体→设备送电→起弧→向等离子流中送入镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末→得到镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层。本方法能有效地制备高结合强度、高耐磨性能的镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层。
镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的制备
第一步，镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)原料的配置
按照以上配比称量镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉料，球磨机进行混合后备用
第二步，镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的制备
(1)用砂纸打磨45钢的表面，使得基体表面粗糙度(Ra)为1.2～2.4μm。
(2)设备送电→送入镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末→起弧→得到镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层(设备名称为PAW-200等离子熔覆实验机)。等离子熔覆参数如下表：
表2 等离子熔覆工艺参数
镍铬硼硅和氮化钛的混合粉末的送粉口位置距离喷嘴10mm；扫描速度为1.0mm/s。
由图1可知，熔覆层和基体界面之间不是机械结合，而是在界面之间形成了新的物相并且界面结合紧密，属于冶金结合。因此，得到的熔覆层界面结合较好，与基体结合强度高；
由图2可知熔覆层的硬质相多，熔覆层中的硬质相TiN，Ti(BN)0.3,Cr2Ti,Ti2Ni,(Fe,Cr)23C6,在磨损的过程中可以起到抗磨的作用，从而有利于熔覆层的磨损性能提高；
由图3a可知熔覆层内部组织结构致密，在磨损过程中致密的组织结构和较多的硬质相会引起摩擦系数小并且稳定。由图4b可知，熔覆层的磨损体积仅仅是基体1/10，磨损体积明显减小。可见，熔覆层的磨损性能优于基体；
由图4(a)和(b)对比可知：基体的表面出现裂纹和剥落现象，熔覆层表面出现犁沟现象，说明熔覆层仅仅发生了塑性变形，并没有发生裂纹和剥落现象。这就说明了熔覆层的磨损性能优于基体。
采用多功能摩擦磨损试验机，实验条件载荷30N，频率10HZ，进行了对基体试样和熔覆层试样进行耐磨性测试，最终得到熔覆层的磨损体积是基体的1/10。
实施例2
本实施例2采用镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末，选用粒径大小为10～60μm的镍铬硼硅(NiCrBSi)粉末，1～10μm的氮化钛(TiN)粉末。其他步骤同实施例1，改变粉末中NiCrBSi和TiN的含量，这种粉末成分如表3所示。
表3 NiCrBSi的化学成分(质量分数,％)
其中：NiCrBSi粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的75％，TiN粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的25％。
其它步骤与实施例1中相同。得到的熔覆层性能接近于实施例1。
实施例3
本实施例3采用镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末，选用粒径大小为10～60μm的镍铬硼硅(NiCrBSi)粉末，1～10μm的氮化钛(TiN)粉末。其他步骤同实施例1，改变粉末中NiCrBSi和TiN的含量，这种粉末成分如表4所示。
表4 NiCrBSi的化学成分(质量分数％)
其中：NiCrBSi粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的85％，TiN粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的15％。
其它步骤与实施例1中相同。得到的熔覆层性能接近于实施例1。
实施例4
本实施例4采用镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末，选用粒径大小为10～60μm的镍铬硼硅(NiCrBSi)粉末，1～10μm的氮化钛(TiN)粉末。此时粉末各个成分配比不变，但是等离子熔覆的工艺参数改变。这种粉末成分如表1所示。
表1 NiCrBSi的化学成分(质量分数,％)
其中：NiCrBSi粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的80％，TiN粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的20％。
其主要步骤包括：对基体45钢表面进行打磨处理→送入起弧离子气体→设备送电→起弧→向等离子流中送入镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末→得到镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层。本方法能有效地制备高结合强度、高耐磨性能的镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层。
镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的制备
第一步，镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)原料的配置
按照以上配比称量镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉料，备用。
第二步，镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层的制备
(1)用砂纸打磨45钢的表面，使得基体表面粗糙度(Ra)为1.2～2.4μm。
(2)设备送电→送入镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末→起弧→得到镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层。等离子熔覆参数如表5所示：
表5 等离子熔覆工艺参数
得到的涂层性能接近于实施例1。
上述实施例说明，本发明得到镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)熔覆层性能优异。其中，实施例1,2,3是改变了粉末的成分，实施例4是改变了等离子熔覆的工艺条件，经过上述的四个实施例对比得出的实施例1中配比为Cr17％，B2.5％，Si3％，Mn2％，Ce0.5％，Ni75％。其中：NiCrBSi粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的80％，TiN粉末的质量占镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)粉末总质量的20％。在氩气流量6L/min-1，电流50A，送粉量1.0L/min效果最佳，熔覆层性能最为优异。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1. 一种镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
第一步，配料
将NiCrBSi粉末和TiN粉末进行机械混合，得到混合粉末；
其中，NiCrBSi粉末的质量为混合粉末总质量的75%~85%；镍铬硼硅的粉末粒度为10～60μm；氮化钛的粉末粒度为1～10μm；
所述的NiCrBSi粉末中元素的质量百分组成为Cr为15%~18%、B为2%~3%、Si为2%~4%、Mn为1.5%~2.5%、Re为铈(Ce)元素，含量为0.5%~1%，余量为Ni；
第二步，制备镍铬硼硅和氮化钛(NiCrBSi+TiN)耐磨复合涂层
（1）首先将基体进行调质处理；
(2) 对基体表面进行打磨处理；
(3) 在经过打磨处理的基体上进行等离子熔覆；其中，混合粉末的送粉口位置距离喷嘴10~15 mm，等离子熔覆电流50A，扫描速度为1.0mm/s，送粉速率0.8~1.0L/min，送粉气体为Ar气，送粉气流量为6 L/min；得到厚度为1～2毫米的镍铬硼硅和氮化钛熔覆层。
2.如权利要求1所述的镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法，其特征为所述的基体为碳素钢、合金钢或者铸铁。
3. 如权利要求1所述的镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法，其特征为所述的调质处理步骤具体为：首先进行淬火，淬火温度为830~850℃，然后高温回火2~3小时，高温回火温度为550~650℃，调质处理后洛氏硬度达到22~34 HRC。
4.如权利要求1所述的镍铬硼硅和氮化钛耐磨复合涂层的制备方法，其特征为所述的表面打磨处理后基体表面粗糙度(Ra)为1.2~2.4μm。
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