CN108383529B - 一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法 - Google Patents

一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法 Download PDF

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Abstract

一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法，是将SiC粉、钠长石粉、Si粉、Al2O3粉、PMMA粉、PVB按照一定配比和程序进行混合制成功能结构原始粉末，将Ag‑Cu‑Ti金属钎料和PVB混匀制成连接层粉末；以钢材为基体，依次铺覆连接层粉末和多孔结构陶瓷原始粉末，选区激光烧结粉末层形成预制体，将预制体放入真空烧结炉中进行烧结，获得以钢材为基体的具有功能结构的摩擦表面。本发明简化了多孔陶瓷和钢材基体的连接步骤，直接在钢材基体上制备了多孔陶瓷功能表面，由于陶瓷本身的高耐磨特性以及多孔陶瓷能储存润滑油和磨屑，极大地提升了钢材的抗磨损能力，钢材基体和功能表面之间通过金属钎料连接层进行高强度连接，陶瓷层不易剥落。

Description

一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法
技术领域
本发明属于功能表面制造领域，具体涉及一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法。
背景技术
现有机械零部件主要由钢材制成，广泛存在耐磨性较差的问题。新型耐磨合金能在一定程度上提升耐磨性能，但往往存在成本较高，制造难度大等缺点，目前难以替代传统钢材广泛使用。钢材表面渗碳等表面处理方法在提升表面硬度、耐磨性的同时，能保持芯部钢材的韧性，提升钢材的综合性能，但提升程度有限。
陶瓷具有高强高耐磨特性，在钢材表面构筑陶瓷层能极大地改善摩擦表面的耐磨性能。在金属表面构筑陶瓷层的方法主要是，分别制造相匹配的金属构件和陶瓷构件，再通过钎焊将两者装配在一起，不仅工序复杂，且由于陶瓷可塑性差，难以在形状较为复杂的金属零部件表面构筑陶瓷功能结构。直接在金属表面高温熔覆陶瓷颗粒，由于所需温度过高难以形成孔隙率可控的多孔陶瓷层，且陶瓷层容易开裂或剥落。多孔陶瓷内部存在均匀可控的多孔结构，作为摩擦表面时，能储存润滑油以及磨屑，以降低表面磨损率，可用于构筑摩擦表面的功能结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单有效，能直接在钢材表面构筑多孔结构陶瓷层的方法，以解决机械零部件表面耐磨性能差的问题。
本发明之方法包括以下步骤：
(1)基体预处理：将熔点大于1200℃的钢材基体依次用丙酮/石油醚、无水乙醇超声清洗，去除表面油污，氮气吹干。
(2)多孔结构陶瓷原材料的制备：
a.按质量比100:5～20:10～50称取粒径为0.2～20μm的SiC粉末、粒径为0.5～20μm的烧结助剂、无水乙醇，其中烧结助剂是钠长石粉、Si粉、Al2O3粉质量比为2～3:1～2:1～2；
b.将步骤a中的混合原料在尼龙球磨罐中进行球磨混匀得到混合浆料，磨球材质为SiC，球磨8～30h后，添加质量浓度为5％的PVB乙醇溶液，继续球磨1～2h；其中，粘结剂PVB的质量为SiC质量的1～3％；
c.将混合浆料通入喷雾干燥塔中进行干燥，其中进口空气温度150～250℃，出口空气温度100℃～125℃，空塔气速0.2～0.5m/s；
d.按SiC质量的10～40％向步骤c得到的混合粉末中添加粒径为20～80μm的PMMA微粉，然后进行机械混合制成多孔结构陶瓷原始粉末。
(3)金属钎料预处理：选取焊接温度在960～1050℃的Ag～Cu～Ti钎料，与质量浓度为5％的PVB乙醇溶液混合得混合浆料，其中PVB的质量为金属钎料质量的1～3％，将混合浆料在尼龙球磨罐中球磨8～15h，磨球材质为SiC，球磨后的浆料在100～140℃真空干燥箱中干燥2～8h。
(4)粉层铺覆：在预处理后的钢材基体上依次铺覆10～100μm厚经预处理的金属钎料粉末、50～300μm厚的多孔结构陶瓷原始粉末，得到预制体。
(5)激光烧结成形：对粉末层进行选区激光烧结，激光烧结工艺参数为：CO2激光器，预制体预热温度40～60℃，激光功率10～25W，光斑直径0.1～0.4mm，扫描间距0.05～0.2mm，扫描速度1000～3000mm/s。
(6)摩擦表面的生成：将经过激光烧结表面成型的预制体放入真空度为6×10～2～2×10～2Pa的真空烧结炉中，以1～3℃/min速度升温到500～600℃，保温1～3h，以3～5℃/min的速度升温到850～950℃，保温1～3h，以10～20℃/min的速度升温到960～1050℃，保温10min，以5～15℃/min的速度降温至350～500℃，停止加热，自然冷却到室温，形成以钢材为基体、以金属钎料为连接层、以多孔陶瓷为表面功能结构的摩擦表面。
所述步骤(5)中粉层激光烧结形成多孔陶瓷功能结构的素坯，同时通过熔化粘结剂使金属钎料连接层实现钢材基体和多孔陶瓷层的初步连接。
所述步骤(6)中通过低温真空烧结同时形成多孔陶瓷功能结构和金属钎料连接层，实现钢材基体和多孔陶瓷层的牢固连接。
所述的PVB的中文名称是聚乙烯醇缩丁醛。
本发明的有益效果：
1、本发明能直接在熔点大于1200℃的钢材表面直接构筑多孔陶瓷功能结构。首先，在金属基体上依次铺覆金属钎料粉末和多孔结构陶瓷原始粉末后，利用激光扫描熔融固化粘结剂PVB，使多孔陶瓷层成形，同时还能增加金属钎料层与金属基体以及陶瓷层的连接力。然后将预制体放入真空烧结炉中烧结，最终形成多孔陶瓷功能结构，同时通过金属钎料实现多孔陶瓷层与金属基体之间的高强度连接。本发明提供的方法能避免常规方法分别制造金属、陶瓷构件，再装配连接在一起而导致的工序复杂的问题；同时能避免多孔陶瓷构件可塑性低导致的与金属基体装配时匹配性差的问题。
2、在摩擦表面构筑多孔陶瓷功能结构时，引入金属钎料形成的连接层，能避免因直接在金属基体上熔覆陶瓷颗粒而导致的连接强度低、陶瓷层容易剥落的问题。
3、陶瓷材料本身具有高耐磨特性，而多孔陶瓷内部均匀可控的孔能够储存润滑油和磨屑，因此在钢材基体表面构筑多孔陶瓷层能极大地提升摩擦表面的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明具有功能结构摩擦表面的示意图。
图2为本发明摩擦表面制造的工艺流程图。
图3为本发明摩擦表面功能结构的SEM图。
具体实施方式
实施例1：
如图2所示，按照如下步骤进行摩擦表面的构筑。
(1)基体预处理：将45#钢基体1依次用丙酮/石油醚、无水乙醇超声清洗，去除表面油污，氮气吹干。
(2)多孔结构陶瓷原材料的制备：
a.按质量比100:5:10称取SiC粉、烧结助剂、无水乙醇，其中烧结助剂钠长石粉、Si粉、Al2O3粉质量比为2:1:1。其中，SiC粉末粒径为0.2～1μm，烧结助剂粉末粒径为0.5～1μm。
b.将步骤a中的混合原料在尼龙球磨罐中进行球磨混匀，磨球材质为SiC，球磨10h后，添加质量浓度为5％的PVB乙醇溶液，继续球磨1h。其中，粘结剂PVB的质量为SiC质量的1％。
c.将混合浆料通入喷雾干燥塔中进行干燥，其中进口空气温度200℃，出口空气温度100℃，空塔气速0.2m/s。
d.按SiC质量的20％向步骤c得到的混合粉末中添加粒径为20μm的PMMA微粉，然后进行机械混合制成多孔结构陶瓷原始粉末。
(3)金属钎料预处理：称取金属钎料质量1％的PVB，溶于无水乙醇配制成质量浓度为5％的PVB溶液，与72Ag～28Cu～3Ti金属钎料粉末混合，将混合浆料在尼龙球磨罐中球磨8h，磨球材质为SiC，球磨后的浆料在120℃真空干燥箱中干燥2h。
(4)粉层铺覆：在预处理后的金属基体上依次铺覆20μm厚经预处理的金属钎料粉末、60μm厚的多孔结构陶瓷原始粉末，得到预制体。
(5)激光烧结成形：对粉末层进行选区激光烧结，激光烧结工艺参数为：CO2激光器，预制体预热温度50℃，激光功率15W，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，扫描速度2500mm/s。
(6)摩擦表面的生成：将经过激光烧结表面成型的预制体放入真空度为5×10～2Pa的真空烧结炉中，以2℃/min速度升温到500～600℃，保温3h，以3℃/min的速度升温到900℃，保温2h，以10℃/min的速度升温到980℃，保温10min，以5℃/min的速度降温至400℃，停止加热，自然冷却到室温，得到以钢材为基体1、金属钎料为连接层2，多孔陶瓷为功能结构层3的具有功能结构的摩擦表面。图3为摩擦表面多孔陶瓷功能结构的SEM图，该摩擦表面功能结构层的显孔隙率为28.4％，抗压强度为85MPa，耐磨性比金属基体高12倍以上。
实施例2：
本实施例与实施例1不同在于步骤a中SiC：烧结助剂质量比为100:10，SiC粉末粒径为2～8μm。步骤d中PMMA微粉质量为SiC粉末的30％。步骤(4)中金属钎料粉末层厚度40μm，多孔结构陶瓷原始粉末层厚度为100μm。步骤(5)中激光功率为20W。其他步骤与实施例1相同，得到摩擦表面功能结构层的显孔隙率为37.6％，抗压强度为73MPa，耐磨性比金属基体高11倍以上。
实施例3：
本实施例与实施例1不同在于步骤a中SiC：烧结助剂质量比为100:15，SiC粉末粒径为10～20μm。步骤d中PMMA微粉质量为SiC粉末的40％。步骤(4)中金属钎料粉末层厚度80μm，多孔结构陶瓷原始粉末层厚度为160μm。步骤(5)中激光功率为25W。其他步骤与实施例1相同，得到摩擦表面功能结构层的显孔隙率为45.8％，抗压强度为67MPa，耐磨性比金属基体高9倍以上。
如图1所示，本发明之方法制备的具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面包括有基体1、连接层2和功能结构层3，基体1是钢材，连接层2是金属钎料，功能结构层3是多孔陶瓷。活性金属钎料熔化能部分浸入多孔陶瓷层，增大二者接触面积，缓解残余应力，同时形成更强的结合。

Claims (4)

1.一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、基体预处理：将熔点大于1200℃的钢材基体依次用丙酮/石油醚、无水乙醇超声清洗，去除表面油污，氮气吹干；
2)、多孔结构陶瓷原材料的制备：
a.按质量比100:5～20:10～50称取粒径为0.2～20μm的SiC粉末、粒径为0.5～20μm的烧结助剂、无水乙醇，其中烧结助剂是钠长石粉、Si粉、Al2O3粉质量比为2～3:1～2:1～2；
b.将步骤a中的混合原料在尼龙球磨罐中进行球磨混匀得到混合浆料，磨球材质为SiC，球磨8～30h后，添加质量浓度为5％的PVB乙醇溶液，继续球磨1～2h；其中，粘结剂PVB的质量为SiC质量的1～3％；
c.将混合浆料通入喷雾干燥塔中进行干燥，其中进口空气温度150～250℃，出口空气温度100℃～125℃，空塔气速0.2～0.5m/s；
d.按SiC质量的10～40％向步骤c得到的混合粉末中添加粒径为20～80μm的PMMA微粉，然后进行机械混合制成多孔结构陶瓷原始粉末；
3)、金属钎料预处理：选取焊接温度在960～1050℃的Ag～Cu～Ti钎料，与质量浓度为5％的PVB乙醇溶液混合得混合浆料，其中PVB的质量为金属钎料质量的1～3％，将混合浆料在尼龙球磨罐中球磨8～15h，磨球材质为SiC，球磨后的浆料在100～140℃真空干燥箱中干燥2～8h；
4)、粉层铺覆：在预处理后的钢材基体上依次铺覆10～100μm厚经预处理的金属钎料粉末、50～300μm厚的多孔结构陶瓷原始粉末，得到预制体；
5)、激光烧结成形：对粉末层进行选区激光烧结，激光烧结工艺参数为：CO2激光器，预制体预热温度40～60℃，激光功率10～25W，光斑直径0.1～0.4mm，扫描间距0.05～0.2mm，扫描速度1000～3000mm/s；
6)、摩擦表面的生成：将经过激光烧结表面成型的预制体放入真空度为6×10-2 ～ 2×10-2 Pa的真空烧结炉中，以1～3℃/min速度升温到500～600℃，保温1～3h，以3～5℃/min的速度升温到850～950℃，保温1～3h，以10～20℃/min的速度升温到960～1050℃，保温10min，以5～15℃/min的速度降温至350～500℃，停止加热，自然冷却到室温，形成以钢材为基体、以金属钎料为连接层、以多孔陶瓷为表面功能结构的摩擦表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法，其特征在于：所述步骤5)中粉末层激光烧结形成多孔陶瓷功能结构的素坯，同时通过熔化粘结剂使金属钎料连接层实现钢材基体和多孔陶瓷层的初步连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面的构筑方法，其特征在于：所述步骤6)中通过低温真空烧结同时形成多孔陶瓷功能结构和金属钎料连接层，实现钢材基体和多孔陶瓷层的牢固连接。
4.权利要求1所述方法制成的具有多孔结构陶瓷层的摩擦表面，其特征在于：包括有基体(1)、连接层(2)和功能结构层(3)，基体(1)是钢材，连接层(2)是金属钎料，功能结构层(3)是多孔陶瓷。
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