CN111500895A - 一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车零件表面修复技术领域，具体涉及一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用。按质量百分数计，所述金属零件表面修复材料的原料组成包括以下组分Cr:10～20％，Si:1～10％，B:1～10％，Cu:1～10％，Mo:1～10％，Fe:0～5％，C:0～3％，WC:1～20％，Ni余量。本发明的金属零件表面修复材料具有优异自熔性能，以其制备的涂层具有优异的高温耐磨损抗腐蚀性能。而且本发明的涂层在厚度达到1.5mm的超厚厚度时，依然具有优异的涂层抗裂性能，这是普通的镍铬合金粉末所达不到的。

Description

一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用
技术领域
本发明涉及汽车零件表面修复技术领域，具体涉及一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发动机中由于磨损产生的故障在各种故障中占有很大比重。由于润滑不良，配对材料欠佳，制造和装配质量差，使用条件的恶化，灰尘和温度的影响，以及交变负荷的作用，都会促使磨损的四种主要形式：磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损在发动机一些主要零件工作过程中有不同程度的出现。
发动机零部件损坏的形式和特点可以得出发动机零部件失效的主要形式为：磨损、腐蚀与疲劳等，它们多发生于表面，或者是先从表面开始，所以提高材料表面性能对延长零部件使用寿命和发挥潜力有着重要的作用。提高材料表面耐磨性的强化方法往往是从提高表面硬度和减少摩擦系数两方面着手。常规提高材料表面抗腐蚀性能的主要方法有。(1)镀铬，因为它在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐及有机酸中非常稳定。(2)氮化，因为它在零部件表层形成稳定性高的相层，对水、潮湿空气、燃烧产物，特别是对硝酸的抗蚀性很高。(3)渗铝、渗硅对酸有良好的抗蚀性。(4)对钢铁零件，如活塞环进行磷化和发蓝处理，它们可以防止腐蚀和减轻机械磨损。目前，喷涂和重熔技术来替代上述常规工艺方式，一方面，喷涂和重熔技术作为增材制造方式的一种，可以解决零部件材料缺失后的修复工艺，这是“氮化，渗铝、渗硅，磷化、发蓝”等工艺是无法完成的；另一方面，喷涂和重熔技术的工艺过程产生的污染处理简单。其制备过程中会产生噪音和粉尘污染，但只要在合规的设施中进行生产，噪音可被有效的阻隔，粉尘可被过滤收集，相比较“镀铬”等电镀工艺产生的水污染处理要经济和容易。
现有的粉末喷涂技术有火焰、电弧、等离子或爆炸喷涂等方法在基材上制备金属或陶瓷涂层；重熔技术有激光、电子束、TIG重熔、火焰重熔、整体加热和感应重熔等。重熔处理通过热源将涂层中易熔的物质熔化，产生的液相有助于扩散过程的强化和渗透，可改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量，从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。以上技术现阶段也存在着一些问题：(1)激光重熔存在的问题主要是其极速加热和冷却的条件下容易使陶瓷涂层等材料产生裂纹，脱落和孔洞等缺陷；由于激光光斑小，对于大面积重熔，需要通过搭接的技术方式完成，会造成涂层性能在硬度等方面的不稳定。(2)电子束重熔和激光重熔有很多相似性，其不足主要体现在电子束加热重熔时必须在真空环境下，因此大件以及深孔的重熔受到很大的限制。(3)钨极氩弧(TIG)重熔相比较其他重熔方式对工件产生的变形影响较大，对于进度要求高的工件修复不适合。(4)感应重熔适用于形状简单的批量零件，形状复杂的零件难以应用。(5)整体加热适用于批量生产且对基体组织性能变化没有严格要求的工件。
发明内容
本发明提出一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用。本发明的修复材料具有优异的自熔性能，制备的涂层具有优异的高温耐磨损抗腐蚀性能，以便于：(1)在汽车零部件生产中引入绿色再制造的概念，以达到节约制造材料和能耗的目的。(2)延长汽车动力系统零部件的使用寿命和保养周期。(3)减少汽车动力系统的故障率。为此，
具体地，为实现上述目的，本发明的技术方案如下所示：
在本发明的第一方面，提供了一种金属零件表面修复材料，按质量百分数计，其原料组成包括以下组分：Cr:10～20％，Si:1～10％，B:1～10％，Cu:1～10％，Mo:1～10％，Fe:0～5％，C:0～3％，WC:1～20％，Ni余量。
本发明中，优选地，所述金属零件表面修复材料的原料组成包括以下组分：按质量百分数计，Cr 16％，Si 4％，B 4％，Cu 3％，Mo 3％，Fe 2.5％，C 0.5％，WC 11％，Ni余量。其中Cr可提高耐蚀性能，B和Si增强涂层的自熔性能，Mo可提高涂层的润滑性进而提高耐磨性能，WC可提高涂层硬度加强其耐磨性能，Ni使涂层在高温条件下具备功能的稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述金属零件表面修复材料为粉末状，其粒度为30-100μm。粉末状的原料便于采用热喷涂的方式将其制备成零件表面的涂层。
本发明的上述金属零件表面修复材料具有优异的耐磨性，其机理为：
(1)弥散强化和固溶强化的作用：粉末中的合金元素一方面熔入γ固溶体中起到固溶强化的作用；另一方面，在冷却过程中会形成(Cr,Fe)7C3、Cr7C3等硬质合金碳化物，这些合金碳化物弥散分布在涂层中起到弥散强化的作用。
(2)通过调整镍基粉末中的WC及Cr元素的配比，可以使其固溶强化和弥散强化作用更为明显，使涂层的显微硬度进一步地增加，从而性能指标体现出更高的耐磨性。
(3)硬质颗粒对涂层耐磨粒磨损性能的影响：在合金涂层中存在较多未熔的合金碳化物硬质颗粒，除其本身有很好的耐磨性外，还能在磨粒磨损过程中起到阻挡犁沟扩展的作用，致使磨痕往往在硬质相处间断，减缓了涂层受磨损的进程。
本发明的第二方面，公开一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)对金属零件表面进行预处理，使零件的金属基体暴露在外，备用；预处理的主要目的是去除零件表面的污渍、油脂、铁锈及氧化皮等，保证涂层的质量。
(2)将步骤(1)最终得到的加热至工件表面80～120℃；然后用氧丙烷高速火焰喷涂方式将金属合金粉末均匀喷涂到工件表面，待火焰喷涂后工件表面涂层厚度检验合格，使用丙烷气体加热涂层到950～1150℃，使其与工件基体表面融合。
进一步地，所述步骤(1)中，先用去油剂清除工件表面的油渍等污染物；再用白刚玉喷砂打磨工件表面，达到粗糙度75～125um；然后去除工件表面氧化皮、铁锈等附着物，达到表面清洁度Sa3.0；
进一步地，所述步骤(1)中，喷涂距离控制在150～200mm，氧气与丙烷的比例为5:1，涂层厚度达到1.5mm以上。
本发明的第三方面，公开所述金属零件表面修复材料在汽车、航空航天等领域中的应用。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的金属零件表面修复材料具有优异自熔性能，以其制备的涂层具有优异的高温耐磨损抗腐蚀性能。而且本发明的涂层在厚度达到1.5mm的超厚厚度时，依然具有优异的涂层结合强度，这是普通的镍铬合金粉末所达不到的。
(2)本发明制作出来的涂层显微硬度可以达到普通镍铬合金粉末所不能达到的HV800-1000。
(3)本发明采用的高速火焰喷涂所制备的涂层与基体金属结合强度高，涂层中存在的硬质颗粒和基体金属结合紧密，可以有效地阻碍磨损运动。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明第一实施例制备的涂层(左图)及金属零件基体(右图)的磨损试验后的表面形貌。
图2是本发明第一实施例制备的涂层剖面在扫描电镜下的显微组织。
图3是本发明第一实施例制备的涂层表面在扫描电镜下的显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
正如前文所述，在金属零部件使用过程中，需要承受高温、冲击、摩擦和腐蚀等等多种作用，必须要有足够的强度、刚度、耐磨性和耐腐蚀性。为此，本发明提出一种金属零件表面修复材料及金属零件表面处理工艺与应用。现根据说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
第一实施例
一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)预处理：先用去油剂清除工件表面的油渍等污染物；再用20目白刚玉喷砂打磨表面，达到粗糙度90um；去除工件表面氧化皮、铁锈等附着物，达到表面清洁度Sa3.0；打磨完成后修复工件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，使零件的金属基体暴露在外，备用；
(2)火焰热喷涂：以下列粉末合金为喷涂用的修复材料(粒度为30-100μm)：按质量百分数计，Cr 16％，Si 4％，B 4％，Cu 3％，Mo 3％，Fe 2.5％，C 0.5％，WC 11％，Ni余量。火焰喷涂具体工艺过程及参数：先加热工件，使工件表面温度达到120℃；然后用氧丙烷高速火焰喷涂方式将金属合金粉末均匀喷涂到工件表面，喷涂距离控制在200mm，氧气与丙烷的比例为5：1，涂层厚度达到1.5mm以上；待火焰喷涂后工件表面涂层厚度检验合格，使用丙烷气体加热涂层到1150℃，使其与工件基体表面融合。
对本实施例在Q235钢零件表面制备的涂层以及Q235钢零件(基体)进行耐磨性测试，结果如图1所示，其中左图为所述涂层在磨损试验后的表面形貌，右图为基体在磨损试验后的表面形貌。可以直观地看出，基体的磨痕深且平直。而涂层上几乎看不到贯穿整张图片的磨痕，多数磨痕都不连续，从中间断开，且磨痕的宽度非常窄，深度非常浅，仔细观察可以发现有些犁沟在一些颗粒处断开，绕开后又继续产生新的磨痕。这说明涂层的耐磨性显著优于基体。
进一步地，从涂层的微观组织来分析耐磨效果，图2和图3分别为电镜下涂层剖面和表面的显微组织图。从图2可以看出，涂层与基体的结合良好，结合区上方为基体金属热影响区，下方为合金涂层区，涂层区有明显的树枝晶生长特征，枝晶发达，枝晶较为细小。从图3可以看出，涂层组织是亚共晶方式结晶，喷涂后涂层在冷却时先析出初生γ树枝晶，在继续冷却到共晶转变后，在初生晶枝间形成细小的共晶体，共晶体也是由更细小γ枝晶及各种化合物相所组成，在涂层中形成了过饱和的固溶体和一些共晶化合物。
进一步地，对本实施例制备的涂层的力学性能、硬度等进行测试。测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002469306470000061
从表1可以看出：本实施例制备的涂层与基体的结合强度大于1000MPa，而且显微硬度达到了800～1000HV。另外，在涂层厚度大于1.5mm的情况下具有优异的抗裂性能。
第二实施例
一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)预处理：先用去油剂清除工件表面的油渍等污染物；再用20目白刚玉喷砂打磨表面，达到粗糙度125um；去除工件表面氧化皮、铁锈等附着物，达到表面清洁度Sa3.0；打磨完成后修复工件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，使零件的金属基体暴露在外，备用；
(2)火焰热喷涂：以下列粉末合金为喷涂用的修复材料(粒度为30-100μm)：按质量百分数计，Cr:10％，Si:1％，B:10％，Cu:10％，Mo:1％，Fe:5％，C:3％，WC:20％，Ni余量。火焰喷涂具体工艺过程及参数：先加热工件，使工件表面温度达到100℃；然后用氧丙烷高速火焰喷涂方式将金属合金粉末均匀喷涂到工件表面，喷涂距离控制在180mm，氧气与丙烷的比例为5:1，涂层厚度达到1.5mm以上；待火焰喷涂后工件表面涂层厚度检验合格，使用丙烷气体加热涂层到950℃，使其与工件基体表面融合。
第三实施例
一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)预处理：先用去油剂清除工件表面的油渍等污染物；再用20目白刚玉喷砂打磨表面，达到粗糙度75um；去除工件表面氧化皮、铁锈等附着物，达到表面清洁度Sa3.0；打磨完成后修复工件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，使零件的金属基体暴露在外，备用；
(2)火焰热喷涂：以下列粉末合金为喷涂用的修复材料(粒度为30-100μm)：按质量百分数计，Cr 20％，Si 10％，B 1％，Cu 1％，Mo 10％，WC 1％，Ni余量。火焰喷涂具体工艺过程及参数：先加热工件，使工件表面温度达到80℃；然后用氧丙烷高速火焰喷涂方式将金属合金粉末均匀喷涂到工件表面，喷涂距离控制在150mm，氧气与丙烷的比例为5:1，涂层厚度达到1.5mm以上；待火焰喷涂后工件表面涂层厚度检验合格，使用丙烷气体加热涂层到1000℃，使其与工件基体表面融合。
第四实施例
一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)预处理：白刚玉喷砂打磨去除Q235钢零件表面的污渍、油脂、铁锈及氧化皮，打磨完成后修复工件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，使零件的金属基体暴露在外，备用；
(2)火焰热喷涂：以Ni60镍基粉末合金为喷涂用的修复材料：按质量百分数计，C0.9％，B 3.2％，Cr 16％，Fe 2.0％，Si 4.0％，Ni余量。
进一步地，对本实施例制备的涂层的力学性能、硬度等进行测试，具体方法同第一实施例。测试结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002469306470000071
从表2可以看出：该涂层的硬度性能低于本发明。该合金粉末硬度方面的性能下降。
第五实施例
一种金属零件表面处理工艺，包括如下步骤：
(1)预处理：白刚玉喷砂打磨去除Q235钢零件表面的污渍、油脂、铁锈及氧化皮，打磨完成后修复工件表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等附着物，使零件的金属基体暴露在外，备用；
(2)火焰热喷涂：以碳化铬粉末合金为喷涂用的修复材料：按质量百分数计，C9.7％，Ni25，Cr余量。
进一步地，对本实施例制备的涂层的力学性能、硬度等进行测试，具体方法同第一实施例。测试结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002469306470000081
从表3可以看出：该涂层的硬度性能优于本发明，但是结合强度远低于本发明。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属零件表面修复材料，其特征在于，按质量百分数计，其原料组成包括以下组分：Cr:10～20％，Si:1～10％，B:1～10％，Cu:1～10％，Mo:1～10％，Fe:0～5％，C:0～3％，WC:1～20％，Ni余量。
2.根据权利要求1所述的金属零件表面修复材料，其特征在于，所述金属零件表面修复材料的原料组成包括以下组分：按质量百分数计，Cr 16％，Si 4％，B 4％，Cu 3％，Mo 3％，Fe 2.5％，C 0.5％，WC 11％，Ni余量。
3.根据权利要求1或2所述的金属零件表面修复材料，其特征在于，所述金属零件表面修复材料为粉末状。
4.根据权利要求3所述的金属零件表面修复材料，其特征在于，所述金属零件表面修复材料的粒度为30-100μm。
5.一种金属零件表面处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对金属零件表面进行预处理，使零件的金属基体暴露在外；
(2)将步骤(1)最终得到的工件加热；然后用氧丙烷高速火焰喷涂方式将金属合金粉末均匀喷涂到工件表面，待火焰喷涂后工件表面涂层厚度检验合格，使用丙烷气体加热涂层，使其与工件基体表面融合。
6.根据权利要求5所述的金属零件表面处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，将所述工件加热至工件表面80～120℃。
7.根据权利要求5所述的金属零件表面处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，将所述涂层加热到950～1150℃。
8.根据权利要求5-7任一项所述的金属零件表面处理工艺，其特征在于，步骤(1)中，先用去油剂清除工件表面的油渍等污染物；再用白刚玉喷砂打磨工件表面，达到粗糙度75～125um；然后去除工件表面氧化皮、铁锈附着物，达到表面清洁度Sa3.0。
9.根据权利要求5-7任一项所述的金属零件表面处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，喷涂距离控制在150～200mm，氧气与丙烷的比例为5:1，涂层厚度达到1.5mm以上。
10.权利要求1-4任一项所述的金属零件表面修复材料在汽车、航空航天领域中的应用。
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