CN110434327A - 一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层及其制备方法，1)采用金属作为包覆材料，金属陶瓷颗粒作为被包覆材料，用金属包覆金属陶瓷颗粒制成喷涂粉末原料；其中，作为包覆材料的金属与作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒所用的金属相同或热物理性能相近；2)采用热喷涂方法将步骤1)制得的喷涂粉末原料加热至作为包覆材料的金属相完全熔化或接近完全熔化的状态，形成被包覆材料的金属陶瓷颗粒芯部不熔化的半熔粒子，碰撞金属基体后喷涂沉积在金属基体表面形成金属陶瓷涂层，即高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层。本发明将为高性能长寿命高粗糙度可再生的金属基耐磨涂层制备提供一种新方法。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，涉及一种耐磨涂层的制备方法，尤其是一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
耐磨涂层广泛应用于石油化工、航空航天、舰船等现代化工业及军事领域，是提高金属材料构件表面耐磨损性能、提高产品质量与寿命的重要方法。以硬质陶瓷相与具有良好塑性和韧性的金属相构成的金属陶瓷复合涂层为当前应用最为广泛的耐磨涂层体系。以最具代表性的WC-Co硬质合金涂层为例，该涂层不仅具有高的硬度与耐磨损性能，且具有一定的韧性，是一种优异的常用耐磨涂层。
传统的硬质合金耐磨涂层尽管具有优异的耐磨损性能，然而其表面粗糙度相对较低，并且在磨损过程中，其表面粗糙度不断下降，使其表面摩擦系数不断降低。而在一些特殊领域，如大型舰船飞行甲板，其表面耐磨涂层不仅需要具有优异的耐磨损性能，且需要优异的防滑性能，即表面需要具有较高的粗糙度和摩擦系数。同时，在服役过程中，表面摩擦系数应不随服役时间而变化，要求具有较长的服役寿命。而如上所述，传统的硬质合金涂层难以同时满足上述性能要求。
因此，通过材料及工艺设计，开发具有高表面粗糙度、高摩擦系数、且表面粗糙度稳定的新型长寿命耐磨涂层对于满足如舰船飞行甲板防滑涂层等特殊领域应用具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层及其制备方法，能够使耐磨涂层不仅具有优异的耐磨损性能，且表面粗糙度和表面摩擦系数在摩擦磨损过程中不随时间变化而变化，保证较长的服役寿命，从而有效解决传统耐磨涂层表面粗糙度低且表面摩擦系数不断降低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，包括以下步骤：
1)采用金属作为包覆材料，金属陶瓷颗粒作为被包覆材料，用金属包覆金属陶瓷颗粒制成喷涂粉末原料；
其中，作为包覆材料的金属与作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒所用的金属相同或热物理性能相近；
作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒为由致密的金属粘接相(金属陶瓷中的金属)将陶瓷颗粒相粘结在一起构成牢固的的金属陶瓷颗粒；
2)采用热喷涂方法将步骤1)制得的喷涂粉末原料加热至作为包覆材料的金属相完全熔化或接近完全熔化的状态，形成被包覆材料的金属陶瓷颗粒芯部不熔化的半熔粒子，碰撞金属基体后喷涂沉积在金属基体表面形成金属陶瓷涂层，即高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层。
优选地，步骤2)中，热喷涂操作时，作为包覆材料的金属熔化后与被包覆材料金属陶瓷颗粒中的金属粘接相形成冶金结合，并填充在未熔化的金属陶瓷颗粒形成的孔隙中，形成致密的金属-金属陶瓷复合涂层。
优选地，作为包覆材料的金属占金属和被包覆金属陶瓷颗粒总质量的30％～45％；作为包覆材料的金属选用Ni、NiCo、或NiCr合金；且作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒具有近球形形貌，颗粒尺寸为30～150μm。
优选地，作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒为Co基WC金属陶瓷颗粒，Co基WC金属陶瓷颗粒中Co的质量分数为5％～17％；
或者为NiCr基Cr3C2金属陶瓷颗粒，NiCr基Cr3C2金属陶瓷颗粒中NiCr的质量分数为15％～25％。
优选地，金属基体包括铁基合金、钢材、不锈钢、铝合金、铜或Ni基合金，使用时金属基体的表面经清洁及喷砂粗糙化处理。
优选地，金属陶瓷颗粒的硬度大于Hv1000，且其硬度显著大于金属基体的硬度。
优选地，步骤1)中，采用机械合金法或水热还原法制备金属包覆金属陶瓷颗粒的喷涂粉末原料。
优选地，步骤2)中，热喷涂方法为等离子喷涂、普通火焰喷涂或超音速火焰喷涂。
本发明还公开了采用上述的制备方法制得的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层，其特征在于，该耐磨涂层具有粗糙的表面结构：在磨损过程中，金属被优先磨损，金属陶瓷颗粒无磨损，以半球结构凸浮于涂层表面，保证涂层表面的高粗糙度，实现磨损过程中原位再生。
优选地，该耐磨涂层厚度在0.15～5mm范围内可调。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的制备方法，采用金属作为包覆材料、金属陶瓷颗粒作为被包覆材料制成的喷涂粉末原料，经热喷涂法喷涂在金属基体表面，喷涂时作为包覆材料的金属完全熔化，而包覆于其内部的金属陶瓷颗粒芯部几乎不熔化，从而形成的半熔粒子在碰撞金属基体后喷涂沉积在金属基体表面形成耐磨涂层。本发明将为高性能长寿命高粗糙度可再生的金属基耐磨涂层制备提供一种新方法。
经本发明方法制得的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层，以具有较好韧性的包覆层金属相熔化后凝固形成对金属陶瓷颗粒强化相的粘接相，以未熔或表面微熔的大尺度金属陶瓷颗粒为硬质增强相，与传统的金属陶瓷耐磨涂层相比，不仅具有高的粗糙度及高的摩擦系数，且涂层在磨损过程中，当金属陶瓷颗粒整体剥落后，露出的金属相因其低硬度而优先磨损，使得涂层中的近表面层的硬质金属陶瓷粒子以近半球形结构凸浮出涂层表面，从而保持粗糙表面结构特征，使得涂层粗糙度具有可再生性，结合稳定的高摩擦系数特征，从而大幅度提高耐磨涂层的使用寿命，扩大了本发明耐磨涂层的使用范围，使得本发明提供的耐磨涂层在材料加工、航空航天、能源动力、船舶制造等领域广泛使用。
进一步地，本发明制得的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层中的金属基体是硬度显著小于芯部金属陶瓷的金属合金，而金属陶瓷相为硬度超过Hv1000以上的硬质合金。
附图说明
图1为采用Ni作为包覆层，采用WC-12Co硬质合金作为核芯颗粒制备的核壳结构粉末；其中，a为粉末表面形貌；b为粉末断面结构。
图2为本发明的涂层沉积过程示意图。
图3为采用图1所示粉末制备的涂层；其中，a为涂层表面形貌；b为涂层断面结构。
图4为涂层摩擦磨损过程及涂层粗糙度再生示意图。
图5为Ni(WC-12Co)涂层耐磨损测试过程中涂层表面形貌的变化；其中，a为磨损50次后；b为磨损500次后。
图6为Ni(WC-12Co)涂层摩擦系数随摩擦次数的变化；其中，a为静摩擦系数；b为动摩擦系数。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，包括以下步骤：
1)采用机械合金化的方法或水热还原法，制备金属包覆金属陶瓷颗粒的硬质核壳结构复合粉末，其中，包覆层金属与被包覆的金属陶瓷中的金属具有相同或相近的热物理性能，被包覆的金属陶瓷为由金属相牢固的将陶瓷颗粒相致密的粘结在一起构成的硬质耐磨金属陶瓷；
2)采用热喷涂方法将金属包覆核壳结构粉末加热至包覆层金属相完全熔化或接近完全熔化的状态，形成被包覆硬质金属陶瓷芯部颗粒几乎不熔化的半熔粒子，碰撞基体后喷涂沉积在金属基体表面形成高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层。
所述的金属陶瓷芯部颗粒为由粘结相金属将陶瓷颗粒致密的粘结在一起构成，具有近球形的形貌；颗粒尺寸在30-150μm之间的任意粒度尺寸范围的金属陶瓷。
所述的硬质合金的金属陶瓷为Co基WC金属陶瓷(又称硬质合金)，其中Co的质量分数为5～17％；或NiCr基Cr3C2金属陶瓷，NiCr的质量分数为15-25％。
所述的包覆金属的质量分数为30％～45％，选用Ni、NiCo、或NiCr合金。
所述的热喷涂方法为等离子喷涂、或普通火焰喷涂、或超音速火焰喷涂。
所述的金属基体包括铁基合金(或普通合金钢，或不锈钢)、铝合金、铜、Ni基合金。
所述的表面为经清洁处理后，并经过表面喷砂粗糙化处理后的表面。
本发明提供的高粗糙度可再生的高摩擦耐磨涂层，由硬度相对较低的金属作为粘接相及硬度较高的未熔或半熔硬质合金颗粒作为耐磨相组成。其中，硬质合金相的硬度超过Hv1000以上，该耐磨涂层的厚度根据不同的使用场合可制作成0.15mm～5mm。
下面结合具体的实施例以及附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一，以平均粒径为0.2-0.6μm的Ni作为金属包覆层原料，以30-100μm WC-12Co作为被包覆材料的硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨3h，制备具有核壳结构的Ni(WC-12Co)包覆粉末。包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层Ni熔化而WC-12Co中部分Co熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。Ni作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的WC-12Co颗粒粘连在一起形成致密涂层，即高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层。
图2所示为采用上述包覆粉末制备复合涂层的沉积过程示意图。
实施例1制备的Ni(WC-12Co)包覆粉末典型形貌如图1所示，其中图1(a)为粉末表面形貌，图1(b)为粉末断面微观结构。从图1(a)可以看出，包覆粉末呈近球形，从图1(b)看出Ni包覆层厚度均匀，为5-7μm，与硬质合金颗粒结合良好。
实施例1制备的复合涂层微观结构如图3所示，其中图3(a)为涂层表面形貌，图3(b)为涂层断面组织结构。从图3(a)可以看出，沉积涂层表面粗糙，呈现大量的半球颗粒凸浮表面。图3(b)表明涂层内部存在大量的球形及近球形WC-12Co颗粒。同时，涂层结合强度测试结果表明，涂层与基体间结合强度超过54MPa，表明涂层与基体，及涂层内部具有高的结合强度。
对实施例1制得的涂层的摩擦磨损行为进行了测试，图4所示为该涂层的摩擦磨损过程及表面高粗糙度再生的过程示意图。磨损过程中，涂层表面的硬质合金颗粒在脱落剥离后将会露出金属粘接相，由于金属粘接相硬度较低，将被迅速磨损使得近表面的硬质合金颗粒再次凸起外浮，保证涂层表面粗糙度与初始状态相似。图5所示为参照涂层摩擦磨损测试MIL-PRF-24667B(SH)标准的钢缆磨损测试过程中，磨损50次和500次后涂层的表面形貌，其中，图5(a)为磨损50次后表面形貌，图5(b)为磨损500次后表面形貌。对比图5(a)和(b)发现，涂层在磨损过程中表面形貌几乎没有发生变化，和图3(a)所示原始形貌相当。表面粗糙度测试结果表明，磨损50次和500次后的涂层表面粗糙度分别为27.1和27.6μm，表明了涂层表面高粗糙度的可再生性。图6所示为在磨损测试过程中，涂层的静摩擦系数和动摩擦系数分别在干态、油态和海水态下随摩擦次数的变化。涂层的摩擦系数在磨损过程中几乎未发生变化且大于1.0，进一步表明涂层的高粗糙度可再生性。
实施例2
步骤一，以平均粒径为0.4-0.7μm的NiCo作为金属包覆层原料，以30-100μm WC-5Co作为硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨3h制备具有核壳结构的NiCo(WC-12Co)包覆粉末。包覆层质量分数为30％～40％。
步骤二，以高铬马氏体不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层NiCo熔化而WC-12Co部分熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。NiCo作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的WC-12Co颗粒粘连在一起形成致密涂层。
实施例3
步骤一，以平均粒径为0.8-1.2μm的NiCr作为金属包覆层原料，以70-150μm WC-12Co作为硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨4h制备具有核壳结构的NiCr(WC-12Co)包覆粉末。包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，以高锰钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层NiCr熔化而WC-12Co部分熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。NiCr作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的WC-12Co颗粒粘连在一起形成致密涂层。
实施例4
步骤一，以平均粒径为0.2-0.6μm的Ni作为金属包覆层原料，以50-150μm，NiCr含量为25％的NiCr-Cr2C3作为硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨3h制备具有核壳结构的Ni(NiCr-Cr2C3)包覆粉末。包覆层质量分数为25％～40％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层Ni熔化而NiCr-Cr2C3部分熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。Ni作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的NiCr-Cr2C3颗粒粘连在一起形成致密涂层。
实施例5
步骤一，以平均粒径为0.4-0.7μm的NiCo作为金属包覆层原料，以40-100μm，NiCr含量为25％的NiCr-Cr2C3作为硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨3h制备具有核壳结构的NiCo(NiCr-Cr2C3)包覆粉末。包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层NiCo熔化而NiCr-Cr2C3部分熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。NiCo作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的NiCr-Cr2C3颗粒粘连在一起形成致密涂层。
实施例6
步骤一，以平均粒径为0.8-1.2μm的NiCr作为金属包覆层原料，以40-100μm，NiCr含量为25％的NiCr-Cr2C3作为硬质合金颗粒。以直径3mm不锈钢作为球磨介质，球料比10:1-15:1，Ar作为保护气体，球磨3h制备具有核壳结构的NiCr(NiCr-Cr2C3)包覆粉末。包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层NiCr熔化而NiCr-Cr2C3部分熔化形成半熔粒子，并沉积涂层。NiCo作为金属粘接相及填充相，将球形及近球形的NiCr-Cr2C3颗粒粘连在一起形成致密涂层。
实施例7
步骤一，通过水热还原法在以70-150μm WC-10Co作为硬质合金颗粒的表面制备厚度约为7μm的Ni包覆层，包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，在结构钢基体首先喷涂一层耐腐蚀Ni基合金涂层，然后采用大气等离子喷涂将Ni包覆WC-10Co喷涂在耐腐蚀镍基合金表面，形成高粗糙度的高摩擦系数的耐磨硬质耐磨金属陶瓷涂层。
实施案例8
步骤一，通过水热还原法在以50-120μm NiCr-Cr2C3颗粒作为硬质合金颗粒的表面制备厚度约为～6μm的Ni20Cr包覆层，包覆层质量分数为30％～45％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，包覆层NiCr熔化NiCr-Cr2C3部分熔化形成半熔粒子，喷射向基体并沉积涂层，沉积制备高粗糙度的NiCr-Cr2C3金属陶瓷涂层。
实施例9
步骤一，通过水热还原法在以45-100μm NiCr-Cr2C3颗粒作为硬质合金颗粒的表面制备厚度约为～6μm的Ni包覆层，包覆层质量分数为30％～40％。
步骤二，以316L不锈钢为基体，采用大气等离子喷涂制备涂层，形成包覆层Ni熔化而NiCr-Cr2C3几乎不熔化的半熔粒子，喷射向基体并沉积涂层，沉积制备高粗糙度的镍基NiCr-Cr2C3金属陶瓷涂层。
综上所述，本发明所制备的金属-金属陶瓷耐磨涂层，以具有较好韧性的包覆层金属相熔化后凝固形成粘接相，以未熔或表面微熔的大尺度金属陶瓷颗粒为硬质增强相。本发明实现的金属-金属陶瓷复合涂层中的金属基体是硬度显著小于芯部金属陶瓷的金属合金，而金属陶瓷相为硬度超过Hv1000以上的硬质合金；在涂层发生磨损过程中，即使当硬质合金颗粒从涂层表面剥落后，外露的金属相由于较低的硬度而优先磨损，使得金属陶瓷粒子几乎不磨损，从而以半球形结构又凸浮出涂层表面，保证了涂层表面的高粗糙度，即所谓的表面粗糙度实现磨损过程中原位再生。因此，与传统的金属陶瓷耐磨涂层相比，该涂层一直可以保持粗糙表面结构特征，从而保持高的摩擦系数。同时，凸浮表面的硬质合金颗粒具有高硬度和高的强韧性，从而使得涂层具有优异的耐磨损性能。此外，包覆层金属熔化沉积后与芯部金属陶瓷中的粘结相形成强冶金连接、使得金属陶瓷粒子根植于金属基体相中，在磨损过程中金属陶瓷颗粒不易发生脱落，结合稳定的高摩擦系数特征，从而大幅度提高耐磨涂层的使用寿命，扩大了本发明耐磨涂层的使用范围，使得本发明提供的耐磨涂层在材料加工、航空航天、能源动力、船舶制造等领域广泛使用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用金属作为包覆材料，金属陶瓷颗粒作为被包覆材料，用金属包覆金属陶瓷颗粒制成喷涂粉末原料；
其中，作为包覆材料的金属与作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒所用的金属相同或热物理性能相近；
作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒为由致密的金属粘接相将陶瓷颗粒相粘结在一起构成牢固的的金属陶瓷颗粒；
2)采用热喷涂方法将步骤1)制得的喷涂粉末原料加热至作为包覆材料的金属相完全熔化或接近完全熔化的状态，形成被包覆材料的金属陶瓷颗粒芯部不熔化的半熔粒子，碰撞金属基体后喷涂沉积在金属基体表面形成金属陶瓷涂层，即高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，步骤2)中，热喷涂操作时，作为包覆材料的金属熔化后与被包覆材料金属陶瓷颗粒中的金属粘接相形成冶金结合，并填充在未熔化的金属陶瓷颗粒形成的孔隙中，形成致密的金属-金属陶瓷复合涂层。
3.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，作为包覆材料的金属占金属和被包覆金属陶瓷颗粒总质量的30％～45％；作为包覆材料的金属选用Ni、NiCo、或NiCr合金；且作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒具有近球形形貌，颗粒尺寸为30～150μm。
4.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，作为被包覆材料的金属陶瓷颗粒为Co基WC金属陶瓷颗粒，Co基WC金属陶瓷颗粒中Co的质量分数为5％～17％；
或者为NiCr基Cr3C2金属陶瓷颗粒，NiCr基Cr3C2金属陶瓷颗粒中NiCr的质量分数为15％～25％。
5.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，金属基体包括铁基合金、钢材、不锈钢、铝合金、铜或Ni基合金，使用时金属基体的表面经清洁及喷砂粗糙化处理。
6.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，金属陶瓷颗粒的硬度大于Hv1000，且其硬度显著大于金属基体的硬度。
7.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，步骤1)中，采用机械合金法或水热还原法制备金属包覆金属陶瓷颗粒的喷涂粉末原料。
8.根据权利要求1所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层制备方法，其特征在于，步骤2)中，热喷涂方法为等离子喷涂、普通火焰喷涂或超音速火焰喷涂。
9.采用权利要求1～8中任意一项所述的制备方法制得的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层，其特征在于，该耐磨涂层具有粗糙的表面结构：在磨损过程中，金属被优先磨损，金属陶瓷颗粒无磨损，以半球结构凸浮于涂层表面，保证涂层表面的高粗糙度，实现磨损过程中原位再生。
10.如权利要求9所述的高粗糙度可再生的高摩擦系数耐磨涂层，其特征在于，该耐磨涂层厚度在0.15～5mm范围内可调。
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