CN110760782B - 一种耐磨铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐磨铝合金及其制备方法。该耐磨铝合金包括铝合金基体和镀覆在铝合金基体表面上的耐磨涂层，耐磨涂层包括镀覆在铝合金基体上的Al/Ni打底层，以及镀覆在Al/Ni打底层上的金属陶瓷复合涂层；Al/Ni打底层由以下质量百分比的组分组成：Al 2‑8％，余量为Ni；金属陶瓷复合涂层由以下质量百分比的组分组成：WC 10‑30％，余量为Ni60。该耐磨铝合金，Al/Ni打底层可改善金属陶瓷复合涂层与基体的结合性能，金属陶瓷复合涂层为WC‑Ni基材料，其显著改善了铝合金材料的硬度和耐磨性，提高了铝合金制品的应用范围。

Description

一种耐磨铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于熔融态覆层材料的制备领域，具体涉及一种耐磨铝合金及其制备方法。

背景技术

随着现代工业的发展，各种机械设备对材料轻量化的要求越来越高，铝及铝合金由于密度小，含量丰富，同时具有优良的物理化学性能，在航空航天行业受到广泛应用。但由于铝及其合金材料的硬度低、耐磨性差等缺点其应用受到了一定的限制，每年因为铝合金表面磨损而造成的材料消耗量巨大，探索提高铝合金材料的表面硬度和耐磨性具有至关重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨铝合金，以解决现有铝合金的硬度低、耐磨性差的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述耐磨铝合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明的耐磨铝合金所采用的技术方案是：

一种耐磨铝合金，包括铝合金基体和镀覆在铝合金基体表面上的耐磨涂层，耐磨涂层包括镀覆在铝合金基体上的Al/Ni打底层，以及镀覆在Al/Ni打底层上的金属陶瓷复合涂层；

Al/Ni打底层由以下质量百分比的组分组成：Al 2-8％，余量为Ni；

金属陶瓷复合涂层由以下质量百分比的组分组成：WC 10-30％，余量为Ni60。

本发明提供的耐磨铝合金，通过在铝合金表面镀覆Al/Ni打底层和金属陶瓷复合涂层来提高铝合金材料的硬度和耐磨性，Al/Ni打底层可改善金属陶瓷复合涂层与基体的结合性能，金属陶瓷复合涂层为WC-Ni基材料，其显著改善了铝合金材料的硬度和耐磨性，提高了铝合金制品的应用范围。

为进一步优化涂层的结合性能，改善铝合金材料在耐磨情景下的应用效果，优选的，Al/Ni打底层的厚度为120-160μm，金属陶瓷复合涂层的厚度为280-320μm。

本发明的耐磨铝合金的制备方法所采用的技术方案是：

一种耐磨铝合金的制备方法，包括以下步骤：将铝合金基体在150-250℃预热，采用等离子喷涂法，先在铝合金基体表面制备Al/Ni打底层，然后在Al/Ni打底层上制备金属陶瓷复合涂层；喷涂时，对铝合金基体降温处理至450-550℃。

铝合金与WC与Ni60粉末相比，熔点低，热膨胀系数差异大。以6082-T6铝合金为例，其熔点为570-645℃，热膨胀系数为23.5×10^-6K^-1；WC的熔点为2870℃，热膨胀系数为6.9×10^-6K^-1；Ni60的熔点为1453℃，热膨胀系数为13×10^-6K^-1。

等离子喷涂过程中，喷枪火焰中心温度达到10000℃以上，熔融颗粒高速碰撞基体表面，在产生变形的同时快速冷却凝固，产生微观收缩效应，涂层受到拉应力作用，导致热喷涂涂层一般存在着明显的残余应力。进一步的，铝合金与WC与Ni60粉末的热膨胀系数差异大，与钢、钛合金的热膨胀系数差异小，这也是导致WC-Ni60涂层多在45钢、TC4钛合金上应用的原因。

采用常规等离子喷涂方法无法在铝合金基体上获得WC-Ni60涂层，本发明从喷涂前进行预热、喷涂Ni/Al打底层和喷涂时对铝合金基体进行降温处理三个方面出发，使WC-Ni60涂层在铝合金上的应用成为可能。通过以上环节的合理设置，可降低基体与涂层材料的热膨胀性能差异，大大降低残余应力，从而提高涂层的结合强度，优化涂层质量。

为进一步优化等离子喷涂效果，优选的，等离子喷涂时，电流为480-520A，电压为45-55V。一次气体Ar气的流量为40L/min，二次气体H₂气的流量为1L/min，送分速率为0.45转/分钟。喷涂时，电压电流参数设置过高会导致等离子焰流温度高，导致基体温度过高而引起变形，电压电流参数设置过低则会导致喷涂粉末不易熔化，涂层与基体之间易开裂。

为更方便的实现降温处理，优选的，所述降温处理是将铝合金基体的非喷涂部位与酒精接触，喷涂时通过酒精的蒸发吸热而降低铝合金基体温度。为有效的实现降温处理的工业化应用，优选的，所述降温处理是在铝合金基体的非喷涂部位连接一导热装置，导热装置将热喷涂过程中产生的热量及时导出而降低基体温度。从降温效率方面考虑，优选的，所述导热装置为水冷系统，利用水冷系统中的流动冷却水将热量导出。

为便于打底层的质量，进一步优化打底层与金属陶瓷复合涂层的结合效果，优选的，制备Al/Ni打底层所用的喷涂粉末为铝包镍粉末。

为提高金属陶瓷复合涂层的制备效果，优选的，制备金属陶瓷复合涂层时，将Ni60、WC组成的原料粉混料均匀，然后烘干去除原料粉中的水，之后带热进行等离子喷涂。

为更进一步优化基体与涂层的结合性能，优选的，所述铝合金基体是将待处理铝合金依次经表面清洗、打磨去毛刺、表面粗化处理后制得。其中表面清洗可选择酒精、丙酮等常规试剂；打磨去毛刺可获得相对均匀的基体表面，以保证在喷涂过程中能够得到厚度均匀的涂层；粗化处理利用常规喷砂机即可实现，其可增加表面粗糙度，提高基体附着力，提高涂层与基体之间的结合能力。

附图说明

图1为本发明实施例4(右)和对比例(左)的方法所得铝合金制品的外观对比；

图2为本发明实施例4和对比例的方法所得铝合金上金属陶瓷复合涂层的结合强度对比；

图3为本发明实施例3所得铝合金上金属陶瓷复合涂层的涂层结合面线扫描图；

图4为本发明实施例1-3的耐磨铝合金和铝合金基体(6082-T6)的显微硬度平均值；

图5为本发明实施例1-3的耐磨铝合金的摩擦磨损曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

以下实施例中，Ni60、WC粉末，以及打底层所用铝包镍粉末均为市售商品。原料粉末的纯度在99.9％以上。

Ni60的组成为：C：0.6-0.8％，Cr：16-18％，B：2.5-3.0％，Si：4.0-5.0％，Fe≤5％，其余为Ni。

铝包镍粉末的组成为：Al 5％，Ni 95％。

Ni60和WC粉末的物理化学性能见表1。

表1 Ni60和WC的物理化学性质

一、本发明的耐磨铝合金的具体实施例

实施例1

本实施例的耐磨铝合金，包括铝合金基体和镀覆在铝合金基体表面上的耐磨涂层，耐磨涂层包括镀覆在铝合金基体上的Al/Ni打底层，以及镀覆在Al/Ni打底层上的金属陶瓷复合涂层。Al/Ni打底层的厚度为150μm，金属陶瓷复合涂层的厚度为300μm。

铝合金基体为6082-T6铝合金。

Al/Ni打底层由以下质量百分比的组分组成：Al 5％，余量为Ni；

金属陶瓷复合涂层由以下质量百分比的组分组成：WC 10％，余量为Ni60。

实施例2

本实施例的耐磨铝合金，与实施例1的耐磨铝合金基本相同，区别仅在于：WC20％，余量为Ni60。

实施例3

本实施例的耐磨铝合金，与实施例1的耐磨铝合金基本相同，区别仅在于：WC30％，余量为Ni60。

二、本发明的耐磨铝合金的制备方法的具体实施例

实施例4

本实施例的耐磨铝合金的制备方法，对实施例1的耐磨铝合金的制备进行说明，具体包括以下步骤：

1)表面净化：依次使用酒精、丙酮对铝合金表面进行清洗。

2)表面预加工：打磨去除6082-T6铝合金表面的毛刺，以获得相对均匀的基体表面，以保证在喷涂过程中能够得到厚度均匀的涂层。

3)粗化：利用LU22-8A喷砂机对铝合金基体表面进行喷砂冲刷，增加表面粗糙度，提高基体附着力，提高涂层与基体之间的结合能力。

4)打底层的制备：喷涂前，将铝合金基体在200℃预热5min；

用ZB-80K等离子设备，以铝包镍粉末(在100℃烘干处理，然后带热喷涂)为喷涂粉末，在铝合金基体表面进行等离子喷涂，自然冷却10min后，进入步骤5)进行金属陶瓷复合涂层的制备。

等离子喷涂时，喷涂距离为20cm，具体喷涂参数见表2。

表2等离子喷涂参数

等离子喷涂时，将铝合金基体进行降温处理至450-550℃，以减少等离子喷涂时铝合金基体上的热聚集，降低残余应力，提高结合强度。降温处理采用酒精蒸发吸热法，即将铝合金基体置于酒精中的同时，进行等离子喷涂，等离子喷涂产生的瞬间高温热量被酒精吸收，酒精挥发吸热而将铝合金基体降温至450-550℃，可通过控制酒精的相对用量或者在酒精中的放置时间，来达到以上理想降温区间。

5)金属陶瓷复合涂层的制备：

先用电子称重器对Ni60、WC粉末进行称重，每次配200g的粉末量，然后取300g的紫铜球放在含有水的烧杯中，用超声波清洗仪清洗球15分钟左右(球料比为1.5:1)，最后将配比后的粉末和紫铜球装进瓶子中放在混料机上混料1.5个小时。

将混料之后的原料混合粉末放至保温炉中进行烘干处理，其目的是去除粉末中的水，避免水在喷涂过程中受热膨胀、在粉末沉积时形成气孔，从而使涂层的质量下降。采用517P电加热炉进行烘粉，加热速度为8℃/min，保温温度为100℃，保温时间为60min。等离子喷涂需要在烘干处理之后立刻进行，防止水蒸气再次进入粉末中。

金属陶瓷复合涂层的喷涂过程分两次进行，第一次喷涂完成后，自然冷却10min，再进行第二次喷涂，两次喷涂的喷涂参数同表2一致。

等离子喷涂时，将铝合金基体进行降温处理至450-550℃，具体处理与步骤4)相一致。

实施例5-6

实施例5-6的耐磨铝合金的制备方法，参考实施例4的方法，分别制备得到实施例2、实施例3的铝合金。

在本发明的耐磨铝合金的制备方法的其他实施例中，在等离子体喷涂时，可采用现有水冷系统，其是利用流动冷却水将热量导出，控制铝合金基体降温至450-550℃即可。

三、对比例

对比例的耐磨铝合金，其组成与实施例1相同，具体制备方法与实施例4基本相同，区别仅在于，在等离子体喷涂时，不对铝合金基体进行降温处理。

四、实验例

实验例1

本实验例对实施例4、对比例的方法所得产品的外观进行对比，其结果如图1所示。

由图1可知，由于铝合金基体与涂层材料的膨胀系数差异大，对比例的方法所得制品的成品率低，容易出现涂层开裂现象。实施例4的方法所得制品的涂层平整、均匀致密，成品率高，无涂层开裂现象的发生。

对对比例1的未开裂制品和实施例4的方法所得制品进行结合强度分析，结果如图2所示。由图2可知，对比例1的方法所得制品存在较大的残余应力，其结合强度较低，涂层的结合性能不好，而采用的实施例4的方法可将涂层的结合强度提高4倍以上，显著改善涂层的结合性能。

实验例2

本实验例对实施例3所得产品的涂层结合面进行线扫描，结果如图3所示。

由图3可知，金属陶瓷复合涂层与打底层之间结合紧密，打底层的厚度约为150μm，而涂层的厚度约为300μm。

实验例3

本实验例对实施例1-3和铝合金基体的显微硬度进行分析，检测时，采用HVS-1000A型显微硬度计对涂层和铝合金基体进行显微硬度测试，施加载荷50g，保荷时间15s，检测结果如图4所示。

由图4可知，实施例1-3的金属陶瓷复合涂层的显微硬度的均大于基体(6082-T6铝合金)，涂层的显微硬度随着WC含量的增加而增大。

实验例4

本实验例对实施例1-3的铝合金进行滑动摩擦磨损试验，在定速(400rpm)、定载(7N)的试验条件下，不同实施例的铝合金耐磨性能如图5和表3所示。

表3实施例1-3的金属陶瓷复合涂层的摩擦系数与磨损率

由表3及图5的实验结果可知，金属陶瓷复合涂层的耐磨性随着WC含量的增加逐渐提高，摩擦系数和磨损率均即随着WC含量的增加而减小。

Claims (9)

1.一种耐磨铝合金，其特征在于，包括铝合金基体和镀覆在铝合金基体表面上的耐磨涂层，耐磨涂层包括镀覆在铝合金基体上的Al/Ni打底层，以及镀覆在Al/Ni打底层上的金属陶瓷复合涂层；所述铝合金基体为6082-T6铝合金；

Al/Ni打底层由以下质量百分比的组分组成：Al 2-8%，余量为Ni；

金属陶瓷复合涂层由以下质量百分比的组分组成：WC 10-30%，余量为Ni60；

Al/Ni打底层的厚度为120-160μm，金属陶瓷复合涂层的厚度为280-320μm；

所述耐磨铝合金的制备方法包括以下步骤：将铝合金基体在150-250℃预热，采用等离子喷涂法，先在铝合金基体表面制备Al/Ni打底层，然后在Al/Ni打底层上制备金属陶瓷复合涂层；喷涂时，对铝合金基体降温处理至450-550℃。

2.一种如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铝合金基体在150-250℃预热，采用等离子喷涂法，先在铝合金基体表面制备Al/Ni打底层，然后在Al/Ni打底层上制备金属陶瓷复合涂层；喷涂时，对铝合金基体降温处理至450-550℃。

3.如权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，等离子喷涂时，电流为480-520A，电压为45-55V。

4.如权利要求2或3所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述降温处理是将铝合金基体的非喷涂部位与酒精接触，喷涂时通过酒精的蒸发吸热而降低铝合金基体温度。

5.如权利要求2或3所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述降温处理是在铝合金基体的非喷涂部位连接一导热装置，导热装置将热喷涂过程中产生的热量及时导出而降低基体温度。

6.如权利要求5所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述导热装置为水冷系统，利用水冷系统中的流动冷却水将热量导出。

7.如权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，制备Al/Ni打底层所用的喷涂粉末为铝包镍粉末。

8.如权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，制备金属陶瓷复合涂层时，将Ni60、WC组成的原料粉混料均匀，然后烘干去除原料粉中的水，之后带热进行等离子喷涂。

9.如权利要求2、3、7或8所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝合金基体是将待处理铝合金依次经表面清洗、打磨去毛刺、表面粗化处理后制得。

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