CN109136910B - 一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于耐磨材料领域并公开了一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用；一、混合处理：首先，将钛粉及石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合，得到混合物一；再将TiCr‑Cr₃C₂及WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合，得到混合物二；二、电弧熔覆：以氮气作为保护气体,以钨为阴极，以泵体为阳极，以焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；三、激光熔覆：利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，便得到所述的高耐磨涂层材料；本发明的高耐磨涂层材料能显著提高泵体的耐磨性性能和润滑性能，降低泵体运动之间的摩擦系数，减少能源的消耗，延长泵体的使用寿命。

Description

一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用。

背景技术

传统钢铁类零件常因表面磨损失效造成使用寿命缩短、继而会造成巨大的经济损失，在易磨损零件表面制备高硬度、高耐磨性的熔覆层是一种延长使用寿命、修复失效部件的重要途径。通过选择激光熔覆合金，可以提高部件的表面硬度、耐磨性或耐腐蚀性，改善表面机械加工性能，还能修复因磨损而失效的零件，延长其使用寿命；因此，激光熔覆技术在表面处理领域具有良好的发展前景。

理论研究表面，钛合金具有熔点高、密度低、比强度高、耐蚀性优异、生物相容性好等突出优点，但受硬度低、耐磨性差等缺点的制约，一般不能用作重要的摩擦运动副零部件；而泵体表面通常是由高锰钢或其他高强度钢所制成；高锰钢的主要成分为铁和少量的锰，如直接进行激光熔覆得到的耐磨增强相主要为锰的化合物，由于锰的含量少，因此，如果直接进行激光熔覆得到的泵体耐磨性能会很有限。另外，高速运转的泵体需要有足够的润滑性，以降低运动副之间的摩擦力，降低因摩擦消耗的能量，提高泵体的能源效率，然而对于高速运行的泵体如果只使用普通的润滑油脂已不能完全满足使用要求，因此在提高耐摩擦性能的同时提高泵体表面的固体润滑特性也是十分有必要的。所以，如何提供一种泵体的高耐磨涂层材料及其制备方法与应用是近年来泵体的发展方向。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

设计一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为2-5份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合2-8h，得到混合物一；再将摩尔份数为2-4份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合2-8h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度不低于99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

优选的，所述的预处理包括泵体的表面打磨、表面除锈和表面除油，所述的表面打磨和表面除锈采用不低于1000目的水砂纸打磨，所述的表面除油采用无水乙醇、DMF和去离子水各洗涤至少一次；

优选的，所述的WS₂粉末制备方法为：首先，将偏钨酸铵溶解于氨水溶液，并保持溶液温度在60-70℃并向其中持续通入硫化氢气体2-6h；然后，将此混合溶液置于低温环境下12-24h后进行过滤，并将过滤得到的晶体依次用无水乙醇、乙醚清洗数遍，再于50℃烘箱中干燥5h；最后，通过球磨机对其进行粉碎处理便得到所述的WS₂粉末。

优选的，所述二氧化碳激光器的工作条件如下：工作气压为0.4-1.2MPa，激光功率为1-5kW，扫描速度为2-10mm/s，光斑直径为2-6mm，激光能量密度为50-250J/mm³。

设计一种高耐磨涂层材料，采用上述任一项所述的制备方法制备而成。

优选的，所述高耐磨涂层材料的平均显微硬度为1005HV_0.2。

优选的，所述高耐磨涂层材料的耐磨增强相为TiC和TiWC₂，自润滑相为Ti₂CS以及CrS金属硫化物。

设计一种如上所述的一种高耐磨涂层材料的应用，应用于提高泵体运动时的润滑性和耐磨性。

优选的，所述泵体上高耐磨涂层材料的涂覆厚度不超过2mm。

本发明提出的一种高耐磨涂层材料及其制备方法与应用，有益效果在于：

(1)本发明的高耐磨涂层材料中TiCr-Cr₃C₂作为一种陶瓷材料，具有很高的强度、硬度、熔点和极好的热稳定性，本发明将其用作于耐磨增强相，具有优异地抗磨损作用；同时本发明以WS₂作为润滑相，有效地减轻耐磨涂层自身及其对偶件的摩擦磨损，大幅度提高其耐磨寿命；

(2)本发明考虑到泵体表面通常采用高锰钢或其他铁质合金作为材质的实际情况，如果直接进行激光熔覆则激光熔覆的增强相直接与铁进行结合而导致耐磨效果差的缺陷。因此本发明先通过在其表面通过电弧熔覆技术熔覆一层钛和石墨粉，利用钛合金具有比强度高、耐蚀性优异、生物相容性好等突出优点，在起表面进行激光熔覆时便可以与TiCr-Cr₃C₂以及WS₂粉末形成耐磨性及润滑性好的涂层，有利于提高涂层与铁质基质的粘合；

(3)本发明采用激光熔覆具有能量输入密度高、加热和冷却速度快、稀释率低、热变形小等突出特点，可以获得组织细小致密、与基体呈牢固冶金结合的涂层材料，显著提高泵体表面的耐摩擦和润滑性能；

(4)本发明的高耐磨涂层材料能显著提高泵体的耐磨性性能和润滑性能，降低泵体运动之间的摩擦系数，减少能源的消耗，延长泵体的使用寿命。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明实施例5经步骤二处理以后的泵体表面涂层的X射线衍射图谱；

图2为本发明实施例5经步骤二处理以后的泵体与未经步骤二处理以后的泵体的磨损失重对比曲线图；

图3本发明实施例5经步骤三处理以后的泵体表面涂层的X射线衍射图谱；

图4为本发明实施例5经步骤三处理以后的泵体与经步骤二处理以后的泵体的磨损失重对比曲线图；

图5为本发明实施例5制备产品的涂层沿层深方向的显微硬度分布图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明的一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为2份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合2h，得到混合物一；再将摩尔份数为2份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合2h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度为99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

实施例2

本发明的一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为3份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合4h，得到混合物一；再将摩尔份数为3份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合4h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度位99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

实施例3

本发明的一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为4份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合5h，得到混合物一；再将摩尔份数为3份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合5h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度位99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

实施例4

本发明的一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为4份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合6h，得到混合物一；再将摩尔份数为3份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合6h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度为99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

实施例5

本发明的一种高耐磨涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为5份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合8h，得到混合物一；再将摩尔份数为4份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合8h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度为99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

具体的，所述的预处理包括泵体的表面打磨、表面除锈和表面除油，所述的表面打磨和表面除锈采用不低于1000目的水砂纸打磨，所述的表面除油采用无水乙醇、DMF和去离子水各洗涤一次；

具体的，所述的WS₂粉末制备方法为：首先，将偏钨酸铵溶解于氨水溶液，并保持溶液温度在70℃并向其中持续通入硫化氢气体6h；然后，将此混合溶液置于低温环境下24h后进行过滤，并将过滤得到的晶体依次用无水乙醇、乙醚清洗数遍，再于50℃烘箱中干燥5h；最后，通过球磨机对其进行粉碎处理便得到所述的WS₂粉末。

具体的，所述二氧化碳激光器的工作条件如下：工作气压为1.2MPa，激光功率为5kW，扫描速度为10mm/s，光斑直径为6mm，激光能量密度为250J/mm³。

本发明的一种高耐磨涂层材料，采用上述制备方法制备而成，所述高耐磨涂层材料的平均显微硬度为1005HV_0.2，所述高耐磨涂层材料的耐磨增强相为TiC和TiWC₂，自润滑相为Ti₂CS以及CrS金属硫化物。

本发明的一种如上所述的高耐磨涂层材料的应用，应用于提高泵体运动时的润滑性和耐磨性，所述泵体上高耐磨涂层材料的涂覆厚度不超过2mm。

试验分析

采用本发明实施例5的方法以及制备的产物进行如下试验：

1、电弧熔覆涂层的X射线衍射测试

附图1为1.5mm/s速度下经本发明实施例5步骤二处理以后涂层的X射线衍射图谱，由附图1可知：涂层主要由TiC_0.51N_0.12、Fe及少量的TiO₂组成，其中在41°附近出现了较强的TiC_0.51N_0.12衍射峰且在(110)晶面择优生长，说明其含量较高。分析认为，TiC_0.51N_0.12是由分别来自钛粉、石墨和氮气中的Ti、C、N元素反应形成的新相，说明利用电弧熔覆成功制备出了TiCN硬质涂层，在电弧熔覆过程中，氮弧能量将基体、钛和石墨粉融化并将钨极周围的氮气电力，熔化的石墨、钛粉与电离的N发生反应Ti+1/2N₂＝TiN,TiN、TiC化合形成TiCN硬质相。

2、磨损试验对比

取2组样品，第一组设置为对照组，且对照组选用高锰钢基材的泵体，另一组为实验组，实验组选用高锰钢基材的泵体，且该泵体经本发明实施例5步骤一和步骤二处理，利用摩擦试验机对其相同的部位进行摩擦试验。试验每间隔1h，清洁泵体表面后进行称重，然后重复试验，将试验后的数据绘制成如附图2所示的磨损失重对比曲线：由附图2可知，摩擦初期的1-2h，实验组与对照组的磨损失重相接近；随着磨损时间的增加，对照组的磨损量增加，当磨损时间3h时，对照组的磨损失重约为实验组的2倍。磨损失重表明，涂层有较好的耐磨性。

3、高耐磨涂层材料的X射线衍射测试

附图3为本发明实施例5经步骤三激光熔覆处理以后复合涂层的X射线衍射图谱，该涂层主要由1、α-Ti；2、TiC；3、γ-NiCrFeTi；4、TiWC₂；5、Ti₂CS、6、CrS等组成。由于WS₂的分解温度(510℃)及氧化温度(539℃)较低，熔池中的大部分WS₂分解成W和S，之后部分S与Cr元素反应生成CrS,而W与Ti、C结合生成TiWC₂复合碳化物。还有部分S元素和基体析出的Ti、C反应生成Ti₂CS复合硫化物。S元素未能与熔池中的Ni、Ti反应生成其他硫化物，这是因为NiS与TiS的吉布斯生成自由能远高于WS₂及CrS，另外高温熔池中Cr元素含量最高，其次是W，因此WS₂及CrS优先从熔池中析出。Ti优先和W、C反应生成TiC和TiWC₂，剩余的Ti、Ni、Cr和基体中析出的Fe固溶生成γ-NiCrFeTi。

4、磨损试验对比

取2组样品，第一组设置为对照组，且对照组选用高锰钢基材的泵体经本发明实施例5中步骤一至步骤二处理，另一组为实验组，实验组选用高锰钢基材的泵体，且该泵体经本发明实施例5步骤一至步骤三处理，利用摩擦试验机对其相同的部位进行摩擦试验。试验每间隔1h，清洁泵体表面后进行称重，然后重复试验，将试验后的数据绘制成如附图2所示的磨损失重对比曲线：由附图2可知，摩擦初期的1-2h，实验组与对照组的磨损失重相接近；随着磨损时间的增加，对照组的磨损失重越来越多于实验组。磨损失重表明，经步骤三处理以后涂层的耐磨性更佳。

5、显微硬度分析

附图5为本发明实施例5方法所制备产品的涂层沿层深方向的显微硬度分布图。由附图5可知，该涂层具有较高的硬度且分布比较均匀，涂层平均显微硬度1005HV_0.2，约是高锰钢基体的2倍以上，增强相TiC和TiWC₂对涂层硬度的增强起到了重要的作用。由涂层阻止物相以及显微硬度分析结果可以推测，该涂层将具有较好的高温润滑耐磨性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、混合处理：首先，将摩尔份数为2-5份的钛粉以及1份石墨粉进行混合，并用球磨机将其充分混合2-8h，得到混合物一；再将摩尔份数为2-4份的TiCr-Cr₃C₂以及1份的WS₂粉末进行混合，用球磨机将其充分混合2-8h，得到混合物二；

步骤二、电弧熔覆：用甲基纤维素将混合物一调匀并涂覆在经过预处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着，以纯度不低于99.999％的氮气作为保护气体和反应气体,以直径为3.2mm的钨为阴极，以泵体为阳极，以TIG焊机为热源，对泵体实施氮弧熔覆；

步骤三、激光熔覆：用甲基纤维素将混合物二调匀并涂覆在经步骤二处理以后的泵体表面，涂覆结束以后将泵体放入烘干箱中烘干；接着利用二氧化碳激光器在氩气或氮气环境中对其进行激光熔覆，激光结束以后便在泵体表面上得到所述的高耐磨涂层材料。

2.根据权利要求1所述的一种高耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的预处理包括泵体的表面打磨、表面除锈和表面除油，所述的表面打磨和表面除锈采用不低于1000目的水砂纸打磨，所述的表面除油采用无水乙醇、DMF和去离子水各洗涤至少一次。

3.根据权利要求1所述的一种高耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的WS₂粉末制备方法为：首先，将偏钨酸铵溶解于氨水溶液，并保持溶液温度在60-70℃并向其中持续通入硫化氢气体2-6h；然后，将此混合溶液置于低温环境下12-24h后进行过滤，并将过滤得到的晶体依次用无水乙醇、乙醚清洗数遍，再于50℃烘箱中干燥5h；最后，通过球磨机对其进行粉碎处理便得到所述的WS₂粉末。

4.根据权利要求1所述的一种高耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳激光器的工作条件如下：工作气压为0.4-1.2Mpa，激光功率为1-5kW，扫描速度为2-10mm/s，光斑直径为2-6mm，激光能量密度为50-250J/mm³。

5.一种高耐磨涂层材料，其特征在于，采用上述权利要求1至4中任一项所述的制备方法制备而成。

6.根据权利要求5所述的一种高耐磨涂层材料，其特征在于，所述高耐磨涂层材料的平均显微硬度为1005HV_0.2。

7.根据权利要求5所述的一种高耐磨涂层材料，其特征在于，所述高耐磨涂层材料的耐磨增强相为TiC和TiWC₂，自润滑相为Ti₂CS以及CrS金属硫化物。

8.一种如权利要求5至权利要求7任意所述一种高耐磨涂层材料的应用，其特征在于，应用于提高泵体运动时的润滑性和耐磨性。

9.根据权利要求8所述的一种高耐磨涂层材料的应用，其特征在于，所述泵体上高耐磨涂层材料的涂覆厚度不超过2mm。

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