CN111676439A - 一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，首先按照涂层的成分配比称取氧化铬陶瓷颗粒和低熔点添加剂，并混合均匀，然后通过大气等离子喷涂技术在喷砂处理后的夹钳表面制备高性能耐磨涂层。本发明克服了传统的数控冲床浮动夹钳利用燕尾槽结构会造成板料在夹持过程中局部变形等问题。混合粉末中低熔点玻璃粉添加剂具有独特的“球形”结构，使其流动性更好，堆积形成的休止角更小，有利于混料更加均匀，基料与填料可以充分密实，极大改善制备涂层的致密度，有效克纯氧化铬涂层在使用过程中存在的问题，使得涂层摩擦学性能更优、服役寿命更长、制备成本更低，且喷涂过程对数控冲床浮动夹钳基体热影响小，不会改变基体本身的组织与形状。

Description

一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及热喷涂技术、表面工程及材料科学领域，特别涉及一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法。
背景技术
磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式，其中由摩擦所导致的磨损是数控冲床浮动夹钳失效的主要原因。因此，在夹钳设计时应当综合考虑夹钳生产材料的选取和加工工艺的优化，以延长其连续工作时间。同时，数控冲床浮动夹钳通常采用燕尾槽结构，以增加夹持板材时的摩擦阻力。但是，传统的燕尾槽结构在使用过程中存在一定的局限性，如当夹持力较小时，板料相对于夹钳会发生位移；而但夹持力较大时，会出现板料在夹持过程中出现局部变形等问题，影响生产过程及最终产品质量。
表面涂覆涂层是提高数控冲床浮动夹钳表面耐磨性能中最有效、最常用的一种方法。目前，陶瓷材料由于具有较高的化学稳定性、硬度和强度等优点，在耐磨涂层的研究中扮演了重要的角色，其中氧化物陶瓷材料由于制备方法简单，性能优良，从而成为目前研究最多，应用最广的涂层材料。因此，采用氧化物陶瓷涂层代替传统的燕尾槽结构可有效避免上述问题的产生，延长数控冲床浮动夹钳的服役寿命，极大改善产品质量，提高生产效率。
由于具有良好的耐热性和化学稳定性，高的机械强度等优势，氧化铬陶瓷涂层表现出优异的耐磨性能。如：
广东省新材料研究所、广州粤有研表面工程有限公司提出了搅拌桶及其制造方法（发明专利申请公布号CN 110158016 A），其公开了在搅拌桶的内壁和/或其搅拌轮表面制备氧化铬陶瓷涂层，涂层制备方法采用等离子喷涂技术。该技术方案由于热失重的原因，涂层于基体结合强度较低，从而造成涂层脱落。同时，氧化铬的韧性较低，当涂层受到持续压应力的作用时，在涂层的孔隙、夹杂物以及晶界处会形成裂纹源，裂纹扩展会导致涂层在服役过程中发生断裂。因此，纯氧化铬陶瓷涂层已无法满足目前的使用要求，氧化铬基复合涂层成为发展趋势。
又如：江苏固格澜栅防护设施有限公司提出了一种高硬度高耐磨防腐涂层及其制备方法（发明专利申请公布号CN107739539 A），其公开了涂层原料为氧化铬和氧化铝颗粒，涂层的制备方法为等离子喷涂技术。该技术所采用的微米级的添加相在高温条件下会因晶粒长大而出现涂层性能下降和失效的问题。
再如：常熟市大生机械厂提出的一种强制式混凝土搅拌机叶片（发明专利申请公布号CN102990780A），公开了一种氧化铬/氧化铝/氧化钛/氧化硅复合梯度耐磨涂层，涂层的制备方法为等离子喷涂技术。该技术方案所采用的添加相不能与氧化铬基材形成良好的冶金结合，颗粒间结合界面强度低，从而导致涂层在服役过程中容易出现颗粒剥落现象。
以上案例仅仅通过向氧化铬基材中添加增强颗粒提高涂层的摩擦学性能，制备涂层的微观结构达不到本专利的致密度，故对涂层耐磨性能的提升幅度有限。
发明内容
本发明的目的是克服传统的数控冲床浮动夹钳利用燕尾槽结构会造成板料在夹持过程中局部变形等问题，提供一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法。本发明涂层性能的提高除了与增强相的弥散强化有关之外，主要是由于所添加的球形玻璃粉具有独特的“球形”结构，使其流动性更好，堆积形成的休止角更小，有利于混料更加均匀，基料与填料可以充分密实，极大改善制备涂层的致密度，有效克服纯氧化铬涂层在使用过程中存在的问题，显著提高了复合涂层的摩擦学性能。
本发明提供的一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）按照涂层的成分配比称取氧化铬陶瓷颗粒和球形玻璃粉（低熔点添加剂），并将其混合均匀，得到混合粉末；
（2）对待喷涂的数控冲床浮动夹钳表面进行喷砂粗化处理；
（3）以上述混合粉末为原料，在经喷砂粗化处理后的数控冲床浮动夹钳表面进行大气等离子喷涂处理，制备高性能耐磨复合涂层。
进一步的，步骤（1）中，复合涂层的成分配比如下：80wt%氧化铬陶瓷颗粒、20wt%球形玻璃粉末添加剂。
进一步的，步骤（1）中，将称取的两种粉末倒入罐装容器中，以转速为300r/min的球磨参数球磨3h，球磨完毕后，于100 ℃下干燥2h。
进一步的，步骤（2）中，数控冲床浮动夹钳可以是钢质或其他复合材料基体制成的。
进一步的，步骤（2）中，喷砂粗化处理后的数控冲床浮动夹钳表面粗糙度不低于Ra7.0。
具体的，喷砂处理的数控冲床浮动夹钳表面用无水乙醇或丙酮进行超声波清洗，然后采用24目的棕刚玉沙对该夹钳基材表面进行喷砂处理得到。
进一步的，步骤（3）中，等离子喷涂工艺参数：喷涂距离为150 mm,等离子气流H2流量为5 L/min, Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压50 V，喷枪移动速度为200 mm/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂4次。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1）本发明提供的喷涂复合粉末中含有低熔点球形玻璃粉添加剂，由于其具有独特的“球形”结构，使其流动性更好，堆积形成的休止角更小，有利于混料更加均匀，基料与填料可以充分密实，极大改善制备涂层的致密度。
2）本发明提供的氧化铬/球形玻璃粉复合涂层中的球形玻璃粉和氧化铬基体形成良好的界面结合，减少了涂层中的孔隙和裂纹等缺陷。
3）本发明提供了一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，为针对具体服役工况调控复合涂层微观结构提供了新的思路。
本发明提供的一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，实现了复合涂层微观结构的调控，极大改善制备涂层的致密度，有效克服纯氧化铬涂层在使用过程中存在的问题，显著提高了夹钳表面的摩擦学性能。同时，本发明可有效避免传统燕尾槽结构存在的缺陷，延长夹钳的更换周期，保证加工过程动态平稳性，实现高质量、高效率的生产要求，充分发挥数控冲床的效能。
附图说明
图1为本发明所提供的等离子喷涂涂层形成原理示意图；
图2为实施例1中数控冲床浮动夹钳基材、氧化铬涂层以及氧化铬/球形玻璃粉复合涂层的显微硬度比较图；
图3为实施例1中氧化铬涂层与氧化铬/球形玻璃粉复合涂层的磨痕深度比较图；
图中，1喷枪、2送粉管、3焰流、4熔融颗粒、5涂层、6数控冲床浮动夹钳基材。
具体实施方式
为了便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实例对本发明进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。
本发明所采用的等离子喷涂原理图如图1所示：喷枪1、送粉管2选用径向送粉方式将氧化铬陶瓷颗粒/球形玻璃粉的混合粉末送入焰流中心。由等离子弧的焰流3产生的热源加热混合粉末，形成熔融颗粒4，复合涂层5沉积在数控冲床浮动夹钳6的表面。
本发明所用粉末、仪器设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。
实施例1：
一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，按如下步骤进行：
1）、用丙酮对数控冲床浮动夹钳表面进行超声清洗以去除油污锈渍等杂质，清洗完成后立刻烘干防止生锈。
2）、用粒度24目的棕刚玉砂对待喷涂的数控冲床浮动夹钳表面进行喷砂粗化处理以提高涂层与基体间的结合强度，要求粗化后表面粗糙度不低于Ra 7.0。
3）、所述喷涂用混合粉末的组分（质量百分比）为：氧化铬陶瓷粉末：80%；球形玻璃粉：20%。
4）、将按照复合涂层的成分配比称取氧化铬陶瓷颗粒和球形玻璃粉末倒入罐装容器中，以转速为300 r/min的球磨参数球磨3 h，球磨完毕后，于100 ℃下干燥2 h。
5)、将干燥好的混合粉末倒入送粉管中，调节送粉气流使得粉末刚好送入等 离子弧的焰流中心。大气等离子喷涂的工艺参数为：喷涂距离为150mm,等离子 气流H2流量为5L/min,Ar流量为50L/min，电流为500A，电压50V，喷枪移 动速度为200mm/s，每次向下移动3mm，重复喷涂4次。最终在喷砂粗化处理 的数控冲床浮动夹钳表面沉积厚度约350-400μm的复合涂层。
6）、经检测，制备的复合涂层组织致密，孔隙率为1%，远低于纯氧化铬涂层的12%。
7）、制备涂层的硬度分布均匀，其中氧化铬/玻璃粉复合涂层的维氏硬度可达到1800 HV0.1，远高于数控冲床浮动夹钳基材的硬度，如图2所示，图中，A曲线为氧化铬涂层的显微硬度，B曲线为氧化铬/玻璃粉复合涂层的显微硬度。
8）、对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为5mm的Si3N4球，载荷10 N，频率4Hz，磨痕长度5 mm，总摩擦时间3 h。
结果表明，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/玻璃粉复合涂层的摩擦系数为(0.58)和磨损率为(2.38×10-7 mm3/N·m)，复合涂层的耐磨性能优于纯氧化铬涂层，涂层的磨痕宽度和深度明显小于纯氧化铬涂层，如图3所示，图中，A曲线为喷涂氧化铬涂层的宽度和深度，B曲线为氧化铬/玻璃粉复合涂层的宽度和深度。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：步骤3）中的低熔点添加剂为氧化锂。
为了保证氧化锂与氧化铬混合均匀，以实施例1中的步骤4）进行混粉。在步骤6）中，涂层的孔隙率为8%，远低于纯氧化铬涂层的12%。在步骤7）中，HV0.1维氏硬度为1550。在步骤8）中，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/氧化锂复合涂层的摩擦系数(0.69)和磨损率(4.06×10-6 mm3/N·m)。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：步骤3）中的低熔点添加剂为氧化铝。
为了保证氧化铝与氧化铬混合均匀，以实施例1中的步骤4）进行混粉。在步骤6）中，涂层的孔隙率为4%，远低于纯氧化铬涂层的12%。在步骤7）中，HV0.1维氏硬度为1630。在步骤8）中，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/氧化铝复合涂层的摩擦系数(0.72)和磨损率(5.32×10-6 mm3/N·m)。
实施例4：
与实施例1的不同之处在于：步骤3）中的低熔点添加剂为氧化硅。
为了保证氧化硅与氧化铬混合均匀，以实施例1中的步骤4）进行混粉。在步骤6）中，涂层的孔隙率为6%，远低于纯氧化铬涂层的12%。在步骤7）中，HV0.1维氏硬度为1660。在步骤8）中，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/氧化硅复合涂层的摩擦系数(0.68)和磨损率(4.16×10-6 mm3/N·m)。
实施例5：
与实施例1的不同之处在于：步骤3）中的低熔点添加剂为氧化钾。
为了保证氧化钾与氧化铬混合均匀，以实施例1中的步骤4）进行混粉。在步骤6）中，涂层的孔隙率为3%，远低于纯氧化铬涂层的12%。在步骤7）中，HV0.1维氏硬度为1540。在步骤8）中，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/氧化钾复合涂层的摩擦系数(0.71)和磨损率(3.96×10-6 mm3/N·m)。
实施例6：
与实施例1的不同之处在于：步骤3）中的低熔点添加剂为氧化纳。
为了保证氧化纳与氧化铬混合均匀，以实施例1中的步骤4）进行混粉。在步骤6）中，涂层的孔隙率为5%，远低于纯氧化铬涂层的12%。在步骤7）中，HV0.1维氏硬度为1270。在步骤8）中，喷涂的氧化铬涂层的摩擦系数为0.78、磨损率为8.132×10-6 mm3/N·m，远高于氧化铬/氧化纳复合涂层的摩擦系数(0.75)和磨损率(6.46×10-6 mm3/N·m)。
由上述实施例可知，采用实施例1制得的复合涂层，效果最佳。其采用的混合粉末中低熔点玻璃粉添加剂具有独特的“球形”结构，使其流动性更好，堆积形成的休止角更小，有利于混料更加均匀，基料与填料可以充分密实，极大改善制备涂层的致密度，有效克纯氧化铬涂层在使用过程中存在的问题，使得涂层摩擦学性能更优、服役寿命更长、制备成本更低，且喷涂过程对数控冲床浮动夹钳基体热影响小，不会改变基体本身的组织与形状。

Claims (10)

1.一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）按照涂层的成分配比称取氧化铬陶瓷颗粒和低熔点添加剂，并将其混合均匀，得到混合粉末；
（2）对待喷涂的数控冲床浮动夹钳表面进行喷砂粗化处理；
（3）以上述混合粉末为原料，在经喷砂粗化处理后的数控冲床浮动夹钳表面进行大气等离子喷涂处理，制备高性能耐磨复合涂层。
2.如权利要求1所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述复合涂层的成分配比如下：80wt%氧化铬陶瓷颗粒、20wt%低熔点添加剂。
3.如权利要求1或2所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述低熔点添加剂为球形玻璃粉。
4. 如权利要求1所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，按照复合涂层的成分配比称取氧化铬陶瓷颗粒和球形玻璃粉末，并将其混合均匀的过程如下：将称取的两种粉末倒入罐装容器中，以转速为300r/min的球磨参数球磨3h，球磨完毕后，于100 ℃下干燥2h。
5.如权利要求1所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述数控冲床浮动夹钳由复合材料基体制成。
6.如权利要求5所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述数控冲床浮动夹钳为钢质材料制成。
7.如权利要求1所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，喷砂粗化处理后的数控冲床浮动夹钳表面粗糙度不低于Ra 7.0。
8.如权利要求1或7所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，喷砂处理的数控冲床浮动夹钳表面通过无水乙醇或丙酮进行超声波清洗，然后采用24目棕刚玉砂对该夹钳表面进行喷砂处理得到。
9.如权利要求1所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，根据喷涂粉末的物理特性选取优化大气等离子喷涂工艺参数，如下：喷涂距离为150 mm,等离子气流H2流量为5 L/min, Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压50 V，喷枪移动速度为200 mm/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂4次。
10.如权利要求1或7所述一种数控冲床浮动夹钳表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，该数控冲床浮动夹钳表面制备涂层的显微硬度高达1800 HV0.1。
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