CN110484915A - 一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法 - Google Patents

一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，打磨零件内表面后，清洗、干燥；将零件安装在机械涂覆球磨罐中；将一定量的混合粉末和若干硬质合金磨球放入球磨罐中；闭合球磨罐，在惰性气体的保护下，球磨，实现对零件内表面的机械涂覆；混合粉末的组分，包括镍基合金粉末、陶瓷颗粒粉末、Sn粉；把涂覆好的零件放入真空炉中，进行真空无压烧结，在零件内表面形成厚度可达1.2mm、孔隙率5‑25％的减摩耐磨多孔涂层。制备的涂层与零件内表面结合紧密且残余应力小，孔隙连通、分布均匀，在油润滑下具有优异的力学性能和摩擦学性能。本发明适合于包括有色金属在内的多种材质轴套类零件，工艺简单，成本低廉，无环境污染。

Description

一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种涂层的制备方法，具体涉及一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，属于表面工程技术领域。
背景技术
轴套类零件内表面要求具有良好的耐磨性能，在轴套类零件内表面涂覆一层耐磨涂层是提高其耐磨性的常用方法，如涂覆镍基合金层、Al2O3陶瓷层，硬质合金层等，目前所采用的涂覆方法主要有等离子喷涂法、激光熔覆法，电弧喷涂法、堆焊法等。
采用这些涂层及涂覆方法主要存在两方面的问题:
其一，为了保护轴，除了保证轴套类零件内表面耐磨性良好外，还需要轴套类零件内壁表面具有良好的减摩性能，目前采用的方法主要是通过机械加工在轴套类零件内表面加工一些特殊的沟槽来容纳润滑剂但缺点是润滑剂流失较快，不利于轴套类零件与轴之间保持稳定厚度的润滑膜，从而限制了轴套类零件的减摩性能。在轴套类零件内表面制备孔隙连通的多孔涂层可实现减摩，因为多孔涂层能够储存大量的润滑剂，工作时孔隙中的润滑剂受热溢出，形成稳定的润滑膜，并且润滑剂不易流失。但离子喷涂、激光熔覆，电弧喷涂、堆焊等方法的热源工作温度很高，难以找到合适的造孔剂来制备孔隙率可控且孔隙连通的多孔涂层。
其二，上述涂覆方法均属于非平衡热加工，涂层本身及涂层/零件界面的残余应力大，容易导致涂层开裂或脱落，非平衡衡热过程甚至导致零件变形。另外，由于激光熔覆，堆焊等方法对基材的热输入量很大，在有色金属材质的轴套类零件内表面制备涂层时，基材大量熔入涂层中，形成很大的涂层稀释率，弱化了涂层性能并导致不良的涂覆成形。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可同时提高轴套类零件内表面耐磨性和减摩性的减摩耐磨多孔涂层的制备方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，包括以下步骤：
S1：打磨零件的内表面后，清洗、干燥；将零件安装在机械涂覆球磨罐中，保持零件的外表面与球磨罐的内壁贴合；
S2：机械涂覆：将一定量的混合粉末和若干硬质合金磨球放入机械涂覆球磨罐中零件的内圈；闭合球磨罐后，在惰性气体的保护下，球磨，实现对零件内表面的机械涂覆；
所述混合粉末的组分，包括镍基合金粉末、陶瓷颗粒粉末、Sn粉；
S3：真空无压烧结：把涂覆好的零件放入真空炉中，进行真空无压烧结，在零件内表面形成多孔结构的减摩耐磨涂层。
上述步骤S1中机械涂覆球磨罐的罐体主要由底座、罐盖、压紧垫圈组成，罐腔呈“凸”形；底座的内壁与零件的外表面贴合，罐盖与底座闭合并通过压紧垫圈压紧零件的顶部；
进一步的，在底座、罐盖闭合的衔接处设置密封垫圈，厚度为0.2-1mm，增强密封性；
进一步的，上述罐体的高度为零件高度的2-2.5倍，压紧垫圈的厚度为5-10mm。
上述步骤S2中球磨的转速为350-600r/min，球磨时间为12-16h,每球磨10min停转10min；
硬质合金磨球的直径大小包括Ф3mm、Ф6mm、Ф10mm三种，其对应的数量比例为：1.5-2.5:3-4:2-2.5，磨球的总重量为混合粉末总重量的6-10倍。
上述步骤S3真空无压烧结的真空度小于1×10-2Pa，温度大于450℃，比轴套类零件材质熔点低100℃，比镍基合金粉末熔点低50℃，烧结时间为5-8h，随炉冷却。
上述步骤S2中混合粉末的制备，包括以下步骤：
A1、制备镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体：把配比好的镍基合金粉末和陶瓷颗粒粉末放入普通球磨罐中，在惰性气体保护下球磨至中位粒径小于3μm的镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体；
A2、制备混合粉末：将上述的复合粉体和一定量的Sn粉一起放入普通球磨罐中，在惰性气体保护下球磨成均匀的混合粉末。
上述镍基合金粉末、陶瓷颗粒、Sn粉的质量比为：45-92:0-32:8-30配比决定了涂层的硬度、耐磨性和孔隙率；
镍基合金粉末为Ni-Cr-Fe-B-Si合金粉末，各元素质量百分比范围：C 0.2-1.1％，Cr 7.0-21％，Fe<17％，Si 1.6-5.5％，B 3-3.8％，Ni其余；下列常见耐磨镍基合金粉末牌号均可以作为原料混合粉末组成：JN-NiCrBSi、Ni15、Ni17、Ni20、Ni25、Ni35、Ni45、Ni50、Ni55、Ni60；
陶瓷颗粒的材质可以是WC、Al2O3、ZrO2、SiC、TiC、Cr3C2、VC等其中的一种或几种；
Sn粉的作用主要为涂层烧结造孔剂，同时也是涂层烧结促进剂，其粒径要求小于20μm。
上述混合粉末的总量根据零件的内表面积确定，用量为0.008-0.012g/mm2，但总量不小于100g。
上述零件内表面的打磨，按砂纸的目数，从低到高打磨至600目砂纸，然后用无水酒精或丙酮擦拭清洗。
上述步骤S1中零件的材质可以为碳钢或合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金中的任意一种。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，制备工艺主要采用机械涂覆和真空无压烧结相结合的复合工艺，工艺过程不存在零件局部热过程，涂层热应力小；可在轴套类零件内表面获得厚度可达1.2mm的具有多孔结构的陶瓷颗粒增强镍基减摩耐磨涂层，涂层的孔隙率在5-25％范围内可调控，颗粒增强相在0-35％范围内可调控。
机械涂覆属于冷成形工艺，对零件没有热作用，涂层稀释率为零，适合在包括有色金属在内的各种材质轴套类零件内表面制备涂层，设备简单，不受轴套类零件内径空间的限制。
采用Sn粉作为造孔剂，除了通过真空无压烧结时液化与蒸发造孔外，还有利于机械涂覆层的成形与涂层烧结强度的提高；通过调整Sn在原料混合粉末中的含量及高能球磨混粉，可以实现孔隙率可调控且孔隙连通，保证了油润滑下涂层的良好减摩性能；涂层主成分为陶瓷颗粒增强的耐磨镍基合金，保证了涂层的耐磨性能。
通过真空无压烧结，首先是形成多孔结构，机械涂覆涂层中含有组分Sn，Sn的熔点为232℃，由于烧结的温度远高于Sn的熔点，烧结过程中Sn液化并且在真空条件下大部分蒸发，机械涂覆涂层中原Sn组分所占据的地方形成孔隙。组分Sn液化后除了大部分蒸发外，还有少部分通过液相渗透及与Ni之间的冶金反应，提高涂层的烧结强度。其次，真空烧结过程促进了涂层与零件内表面之间的元素扩散，加强涂层/基体之间的冶金结合，同时也促进涂层颗粒之间的冶金结合。烧结过程中，零件整体均匀加热与冷却，零件和涂层的残余应力小。
本发明的工艺方法对材料的利用率高、设备简单、投资少、无污染、易于实现工业化生产，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1是本发明的涂层的制备方法的流程图。
图2是机械涂覆球磨罐的结构与机械涂覆原理示意图。
图3是轴套类零件减摩耐磨多孔涂层的截面金相图。
图4是轴套类零件减摩耐磨多孔涂层的表面扫描电镜图片。
附图中标记的含义如下：
图1：1、机械涂覆球磨罐，2、零件，3、底座，4、罐盖，5、密封垫圈，6、压紧垫圈，7、硬质合金磨球，8、混合粉末，9、压紧装置，10、底盘，11、涂层；
图4：12、镍基合金基体相，13、WC颗粒增强相，14、涂层中的孔隙。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，包括以下步骤：
S0：根据轴套类零件的材质、尺寸及涂层要求，预备涂层的混合粉末原料和机械涂覆球磨罐：
S01：预备混合粉末：
A0：确定耐磨镍基合金粉末及陶瓷颗粒粉末的材质，并确定原料中镍基合金粉末、陶瓷颗粒及Sn粉三种组分的配比：45-92:0-32:8-30；
镍基合金粉末为Ni-Cr-Fe-B-Si合金粉末，各元素质量百分比范围：C 0.2-1.1％，Cr 7.0-21％，Fe<17％，Si 1.6-5.5％，B 3-3.8％，Ni其余；下列常见耐磨镍基合金粉末牌号均可以作为原料混合粉末组成：JN-NiCrBSi、Ni15、Ni17、Ni20、Ni25、Ni35、Ni45、Ni50、Ni55、Ni60；
陶瓷颗粒的材质可以是WC、Al2O3、ZrO2、SiC、TiC、Cr3C2、VC等其中的一种或几种；
Sn粉的粒径要求小于20μm。
A1、把配比好的镍基合金粉末和陶瓷颗粒粉末放入普通球磨罐中，在氩气保护下进行长时间的高能球磨，球磨制得中位粒径小于3μm的镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体；
A2、按质量比，将制备的耐磨镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体和Sn粉一起放入普通球磨罐中，在氩气保护下进行短时间的高能球磨，制得混合均匀的耐磨镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体+Sn粉的混合粉末。
S02：预备机械涂覆球磨罐(根据轴套类零件的尺寸定制)：
机械涂覆球磨罐的罐体高度为零件高度的2-2.5倍，由底座、罐盖、压紧垫圈和密封垫圈组成；罐腔呈“凸”形；底座的内壁与零件的外表面贴合，之间；罐盖与底座闭合，闭合的衔接处设置厚度为0.2-1mm的密封垫圈，同时，罐盖内壁的转折处通过厚度为5-10mm的橡胶压紧垫圈压紧零件的顶部；
S1：零件的内表面打磨至600目砂纸后，用无水酒精或丙酮擦拭清洗，干燥；将零件安装在机械涂覆球磨罐中，保持零件的外表面与机械涂覆球磨罐的内壁贴合；
S2：机械涂覆：根据零件的内表面积，按0.008-0.012g/mm2的用量，但总量不小于100g，将混合粉末放入机械涂覆球磨罐中的零件内圈中，再放入直径分别为Ф3mm、Ф6mm、Ф10mm的硬质合金磨球若干，对应的数量比例为：1.5-2.5:3-4:2-2.5，磨球的总重量为混合粉末重量的6-10倍。盖上罐盖，压紧装置压紧球磨罐盖，罐体通过密封垫圈密封，零件通过橡胶压紧垫圈压紧固定，通入氩气保护，启动球磨机，球磨罐在高能球磨机底盘的带动下以350-600r/min的转速高能球磨，球磨时间为12-16h,每球磨10min停转10min；
在硬质合金磨球反复的机械撞击、剪切作用下，球磨罐中的镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体+Sn粉的混合粉末与零件内表面之间发生机械嵌合和物理扩散，耐磨镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体+Sn粉的混合粉末逐渐在轴套类零件内表面上沉积，形成机械涂覆涂层。
S3：真空无压烧结：把机械涂覆好的零件放入真空度小于1×10-2Pa真空炉中，进行真空无压烧结，温度大于450℃，比轴套类零件材质熔点低100℃，比镍基合金粉末熔点低50℃，烧结时间为5-8h，随炉冷却；在轴套类零件内表面形成多孔结构的减摩耐磨涂层。
零件的材质可以为碳钢或合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金中的任意一种。
实施例1
轴套零件的材质为紫铜，内径100mm，高度100mm，厚10mm，内表面积为31400mm2，要求涂层硬度大于HRC20，孔隙率10-14％，涂层厚0.8-1.2mm。
球磨罐结构如图2所示，罐体的高度为220mm，橡胶密封垫圈厚度为0.5mm，橡胶压紧垫圈的厚度为5mm。
原料混合粉末总量为：31400*0.010＝314(g)。
选择耐磨镍基合金粉末牌号为Ni25，Ni25的质量百分比组成：C 0.1％，Cr 0，Fe≤8％，Si 3.5％，B 1.5％，Ni余量；选择陶瓷颗粒粉末的材质为WC。
原料混合粉末中Ni25粉末、WC粉末及Sn粉等三种组分的配比为：(Ni250.85WC0.15)0.84Sn0.16，其中，Ni25粉末粒径小于50μm；WC粉末粒径小于5μm；Sn粉粒径小于20μm，纯度大于99.5％。
根据原料混合粉末总量和原料混合粉末中各组分的配比，计算需要Ni25粉末224g，WC粉末40g，Sn粉50g。
把224g Ni25粉末和40g WC粉末一起放入球磨罐中，在氩气保护气氛下进行高能球磨，转速为300r/min，球料比为10:1，球磨时间12h，获得264g颗粒中位粒径小于3μm的Ni25/WC复合粉体。
把264g Ni25/WC复合粉体和50g Sn粉一起放入普通球磨罐中，在氩气保护，转速300r/min，球料比10:1的条件下，短时间高能球磨30min，获得混合均匀的314g Ni25/WC复合粉体+Sn粉的混合粉末。
对于机械涂覆，采用6:1的球料比，复合粉末总量为314g，磨球重量为1884g。磨球材质为硬质合金，准备的磨球为：150个Ф3mm的磨球，224个Ф6mm的磨球，188个Ф10mm的磨球。
把314g混合粉末倒入机械涂覆球磨罐中，再放入配置好的硬质合金磨球，盖上并压紧罐盖后通入氩气保护。在转速450r/min下高能球磨15h，每球磨10min停转10min，球磨过程中实现对轴套类零件内表面的机械涂覆。
把机械涂覆好的轴套类零件放入真空度小于1×10-2Pa的真空炉中，以10℃/min升温至900℃摄氏度，保温5h，保温结束后，随炉冷却。
零件涂层截面形貌见图3，涂层厚度约1mm，平均孔隙率约12％，涂层表层的孔隙率大于其深层的孔隙率；涂层表面形貌如图4所示，WC颗粒增强13相在镍基合金基体相12中均匀分布，涂层中的孔隙14分布均匀。涂层的硬度、摩擦系数及磨损量如表1所示。
实施例2
轴套零件的材质为低碳钢Q235，内径100mm，高度100mm，厚10mm，内表面积为31400mm2，要求涂层硬度大于HRC45，孔隙率10-14％，涂层厚0.8-1.2mm。
采用与实施例1相同的参数，选择耐磨镍基合金粉末牌号为Ni60，Ni60的质量百分比组成：C 0.8％，Cr 16％，Fe≤15％，Si 4.5％，B 3.5％，Ni余量；选择陶瓷颗粒粉末的材质为WC。
原料混合粉末中Ni60粉末、WC粉末及Sn粉等三种组分的配比为：(Ni600.8WC0.2)0.84Sn0.16，其中，Ni60粉末粒径小于50μm；WC粉末粒径小于5μm；Sn粉粒径小于20μm，纯度大于99.5％。
原料混合粉末中含Ni60粉末211g，WC粉末53g，Sn粉50g。
制备的涂层厚约1mm，孔隙率约13％，涂层的硬度、摩擦系数及磨损率如表1所示。
实施例3
轴套零件的材质为紫铜，内径100mm，高度100mm，厚10mm，内表面积为31400mm2，要求涂层硬度大于HRC20，孔隙率18-25％，涂层厚0.8-1.2mm。
采用与实施例1相同的参数，选择耐磨镍基合金粉末牌号为Ni25，Ni25的质量百分比组成：C 0.1％，Cr 0％，Fe≤8，Si 3.5％，B 1.5％，Ni余量；选择陶瓷颗粒粉末的材质为WC。
原料混合粉末中Ni25粉末、WC粉末及Sn粉等三种组分的配比为：(Ni250.85WC0.15)0.73Sn0.27，其中，Ni25粉末粒径小于50μm；WC粉末粒径小于5μm；Sn粉粒径小于20μm，纯度大于99.5％。
原料混合粉末中含Ni25粉末195g，WC粉末34g，Sn粉85g。制备的涂层厚度约1.2mm，孔隙率约20％，涂层的硬度、摩擦系数及磨损率如表1所示。
实施例4
轴套零件的材质为低碳钢Q235，内径100mm，高度100mm，厚度10mm，内表面积为31400mm2，要求涂层硬度大于HRC45，孔隙率18-25％，涂层厚度0.8-1.2mm。
采用与实施例1相同的参数，选择耐磨镍基合金粉末牌号为Ni60，Ni60的质量百分比组成：C 0.8％，Cr 16％，Fe≤15％，Si 4.5％，B 3.5％，Ni余量；选择陶瓷颗粒粉末的材质为WC。
原料混合粉末中Ni60粉末、WC粉末及Sn粉等三种组分的配比为：(Ni600.8WC0.2)0.73Sn0.27，其中，Ni60粉末粒径小于50μm；WC粉末粒径小于5μm；Sn粉粒径小于20μm，纯度大于99.5％。
原料混合粉末中含Ni60粉末183g，WC粉末46g，Sn粉85g。
制备的涂层厚度约1.1mm，孔隙率约22％，涂层的硬度、摩擦系数及磨损率如表1所示。
按照GB/T 12444-2006对涂层进行磨损试验，试验结果如表1所示：
表1
试验条件：
干摩擦，负荷50N，线速度0.42m/s，试验时间30min；
油润滑，32#抗磨液压油，负荷500N，线速度0.42m/s，试验时间60min；
对磨件：GCr15，HRC60，粗糙度Ra≤0.4。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打磨零件的内表面后，清洗、干燥；将零件安装在机械涂覆球磨罐中；
S2：机械涂覆：将一定量的混合粉末和若干硬质合金磨球放入机械涂覆球磨罐中零件的内圈；闭合球磨罐后，在惰性气体的保护下，球磨，实现对零件内表面的机械涂覆；
所述混合粉末的组分，包括镍基合金粉末、陶瓷颗粒粉末、Sn粉；
S3：真空无压烧结：把涂覆好的零件放入真空炉中，进行真空无压烧结，在零件内表面形成多孔结构的减摩耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中机械涂覆球磨罐的罐体主要由底座、罐盖、压紧垫圈组成，罐腔呈“凸”形；底座的内壁与零件的外表面贴合，罐盖与底座闭合并通过压紧垫圈压紧零件的顶部。
3.根据权利要求2所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述罐体的高度为零件高度的2-2.5倍，压紧垫圈的厚度为5-10mm。
4.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述步骤S2中球磨的转速为350-600r/min，球磨时间为12-16h,每球磨10min停转10min；
硬质合金磨球的直径大小包括Ф3mm、Ф6mm、Ф10mm三种，其对应的数量比例为：1.5-2.5:3-4:2-2.5，磨球的总重量为混合粉末总重量的6-10倍。
5.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述步骤S3真空无压烧结的温度大于450℃，比轴套类零件材质熔点低100℃，比镍基合金粉末熔点低50℃，烧结时间为5-8h，随炉冷却。
6.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述步骤S2中混合粉末的制备，包括以下步骤：
A1、制备镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体：把配比好的镍基合金粉末和陶瓷颗粒粉末放入普通球磨罐中，在惰性气体保护下球磨至中位粒径小于3μm的镍基合金/陶瓷颗粒复合粉体；
A2、制备混合粉末：将上述的复合粉体和一定量的Sn粉一起放入普通球磨罐中，在惰性气体保护下球磨成均匀的混合粉末。
7.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述镍基合金粉末、陶瓷颗粒粉末、Sn粉的质量比为：45-92:0-32:8-30，
且Sn粉的粒径小于20μm。
8.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述混合粉末的总量根据零件的内表面积确定，用量为0.008-0.012g/mm2，但总量不小于100g。
9.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述零件内表面的打磨，按砂纸的目数，从低到高打磨至600目砂纸，然后用无水酒精或丙酮擦拭清洗。
10.根据权利要求1所述的一种于轴套类零件内表面制备减摩耐磨多孔涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中零件的材质可以为碳钢或合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金中的任意一种。
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