CN113088955B

CN113088955B - 基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层及其制备方法

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Publication number: CN113088955B
Application number: CN202110215183.9A
Authority: CN
Inventors: 刘川; 王剑飞; 严连菊; 林昌华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2041-02-24
Also published as: CN113088955A

Abstract

本发明公开了一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其包括：(1)提供金属基体；(2)以钛合金制品为冲击介质，采用高频冲击方法冲击所述金属基体；冲击过程中，所述钛合金制品经塑性变形、局部破碎后形成的微屑掉落至所述金属基体表面，并在高频冲击机械能与化学能的综合作用下，在所述金属基体表面形成耐蚀耐磨覆层成品；所述钛合金制品中Ti的含量≥60wt％，Fe的含量≤10wt％。本发明还提供了一种金属表面耐蚀耐磨覆层。本发明的制备方法操作简单，适应性强，可有效提升金属基体表面的硬度、耐蚀性和耐磨性。

Description

基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层及其制备方法。

背景技术

为改善复杂金属零部件局部的力学性能，主要是通过表面处理的方法对构件局部进行处理，改善构件薄弱部位的性能，进而提高构件整体的使用性能。一般用喷涂、堆焊、激光熔覆、机械表面研磨等方法来改善局部区域的力学性能，但这些方法通常需在特定的生产条件下开展，操作复杂，损耗高，工艺条件要求苛刻，无法满足复杂工况下的使用要求。

中国专利CN201610184216.7公开了超声喷丸在金属表面合金化中的应用，其在超声冲击处理过程中加入合金化粉末，在将其热处理之后得到了致密的合金层组织。但这种方法容易导致合金层元素分布不均匀，且需在惰性气体氛围中热处理后，方能获得合金层，工艺复杂。中国专利CN201810208541.1公开了一种新型超声冲击金属表面机械合金化的方法其利用杆状合金或纯金属对板状纯金属超声冲击，通过改变超声冲击参数的条件下在板状纯金属表面生成了合金层。但是适用范围限于纯铜、纯银等硬度较低的工业纯金属，生成的新相呈树枝状，分布不均匀，合金层不致密，且由于该方法要求其使用的杆状金属需具有较高的硬度，故其无法在高强钢基体表面形成覆层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其操作简单、灵活，且合金化效率高，得到的覆层分布均匀致密，且硬度高，耐腐蚀性优良。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种金属表面耐蚀耐磨覆层。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其包括：

(1)提供金属基体；

(2)以钛合金制品为冲击介质，采用高频冲击方法冲击所述金属基体；冲击过程中，所述钛合金制品经塑性变形、局部破碎后形成的微屑掉落至所述金属基体表面，并在高频冲击机械能与化学能的综合作用下，在所述金属基体表面形成耐蚀耐磨覆层成品；

所述钛合金制品中Ti的含量≥60wt％，Fe的含量≤10wt％。

作为上述技术方案的改进，所述钛合金制品按照重量百分比计包括以下组分：

Al 1～10％，V 1～10％，Fe 0.1～10％，余量为Ti和不可避免的杂质，其中，杂质的总含量≤0.5％。

Al 4.98％，V 3.78％，Fe 0.24％，余量为Ti和不可避免的杂质，其中，杂质的总含量为0.2％。

作为上述技术方案的改进，所述高频冲击方法为超声冲击法、高能喷丸法、超音速微粒轰击法中的一种或多种。

作为上述技术方案的改进，所述金属基体的材质为低碳钢、高碳钢、不锈钢、铸铁或低合金高强度钢。

作为上述技术方案的改进，所述高频冲击方法为超声冲击法，所述钛合金制品为钛合金冲击针，其包括锥形头部和柱状尾部，所述锥形头部的底面直径为6～12mm；所述柱状杆尾部的直径为3～8mm，长度为25～40mm，底部呈圆弧过渡。

作为上述技术方案的改进，超声冲击枪的移动速度为0.5～3m/min，冲击强度为1～3s/mm²，冲击频率为100～200Hz，冲击枪电源的发生频率为15～35kHz。

作为上述技术方案的改进，当所述金属基体为低合金高强度钢材质时，超声冲击枪的移动速度为0.5～2m/min，冲击强度为1.2～2s/mm²，冲击频率为130～180Hz，冲击枪电源的发生频率为15～25kHz。

作为上述技术方案的改进，步骤(1)包括：

(1.1)提供金属基体，所述金属基体由轧制工艺、铸造工艺、锻造工艺、3D打印工艺或堆焊工艺制成；

(1.2)对所述金属基体表面进行清洗。

相应的，本发明还提供了一种金属表面耐蚀耐磨覆层，其由上述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法制备而得。

实施本发明，具有以下有益效果：

1.本发明采用特定成分的钛合金制品作为冲击介质，采用高频冲击方法对金属基体进行冲击，在冲击过程中，钛合金制品经塑性变形、局部破碎后形成的微屑掉落至金属基体表面，并在高频冲击机械能与化学能的综合作用下，形成耐蚀耐磨覆层。这种耐蚀耐磨覆层分布均匀，组织致密，可有效提升金属基体的表面的硬度、耐蚀性和耐磨性。同时，高频冲击也在金属基体表面引入了有益的压应力，进而提升了金属基体的疲劳强度。

2.本发明采用特定成分的钛合金制品对于金属基体表面破坏小，可有效细化金属基体表面的晶粒，改善其应力分布，有效提升金属基体的各项性能。

3.本发明采用超声冲击法形成耐蚀耐磨覆层，其操作简单，可单人手持操作；且其损耗低，工艺适应性强，可适应于各种复杂的结构的整体或局部改性处理。

附图说明

图1是本发明实施例1中金属基体的表面的SEM图；

图2是本发明实施例2中金属基体表面的SEM图；

图3是本发明实施例2中金属基体截面的SEM图；

图4是本发明实施例2中金属基体截面元素线分布示意图；

图5是本发明实施例2中金属基体覆层的极化曲线图；

图6是本发明实施例3中金属基体表面的SEM图；

图7是本发明实施例3中金属基体表面的SEM图；

图8是本发明对比例1中金属基体表面的SEM图；

图9是本发明对比例2中金属基体界面的元素分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明提供了一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其包括以下步骤：

(1)提供金属基体；

具体的，金属基体的材质为低碳钢、高碳钢、不锈钢、铸铁或低合金高强度钢，但不限于此。本发明中的制备工艺尤其适应于低合金高强度钢。

具体的，本发明中的金属基体可由轧制工艺、铸造工艺、锻造工艺、3D打印工艺、堆焊工艺加工而成。金属基体可为由3D打印工艺(增材制造)形成的材质均一的基体，也可为金属基材+堆焊层/打印层的结构，但不限于此。

具体的，在形成耐蚀耐磨覆层前，对金属基体表面进行清洗，以去除表面油污等杂质。

具体的，钛合金制品中Ti的含量≥60wt％，Fe的含量≤10wt％，这种钛合金冲击介质对金属基体表面(尤其是低合金高强度钢)的破坏小，且能保证覆层与金属基体良好结合。

优选的，钛合金制品按照重量百分比计包括以下组分：Al 1～10％，V 1～10％，Fe0.1～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；其中，Al的含量可为1wt％、2wt％、5wt％、7wt％、9wt％，但不限于此；V的含量可为1wt％、3wt％、5wt％、6wt％、8wt％，但不限于此，Fe的含量可为0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％、1wt％、5wt％、10wt％，但不限于此；杂质的总含量≤0.5wt％。这种类型的钛合金制品更易与低合金高强度钢结合，形成分布均匀、组织致密的覆层。

进一步优选的，钛合金制品按照重量百分比计包括以下组分：Al 4.98％，V3.78％，Fe 0.24％，余量为Ti和不可避免的杂质，其中，杂质的总含量为0.2％。

其中，高频冲击方法可为超声冲击法、高能喷丸法、超音速微粒轰击法中的一种或多种，但不限于此。优选的，选用超声冲击法，通过超声冲击法驱动钛合金制品冲击介质，可使得冲击介质出现高周期脉冲变形，表面疲劳破损产生钛合金颗粒，附着在基体表面，有效提升覆层的均匀性和致密性。

具体的，超声冲击法的工艺参数为：超声冲击枪的移动速度为0.5～3m/min，示例性的为0.5m/min、1m/min、1.2m/min，2m/min，2.5m/min，但不限于此；冲击强度为1～3s/mm²，示例性的可为1.2s/mm²、1.5s/mm²、1.8s/mm²、2s/mm²、2.5s/mm²，但不限于此；冲击频率为100～200Hz，示例性的为110Hz、130Hz、180Hz、190Hz，但不限于此；冲击枪电源的发生频率为15～35Hz，示例性的为18Hz、20Hz、28Hz、34Hz，但不限于此；冲击枪电源的功率为1500～2000W，示例性的为1500W、1700W、1800W，但不限于此。

优选的，当金属基体为低合金高强度钢材质时，超声冲击法的工艺参数为：超声冲击枪的移动速度为0.5～2m/min，冲击强度为1.2～2s/mm²，冲击频率为130～180Hz，冲击枪电源的发生频率为15～25KHz，冲击枪电源的功率为1500W。

具体的，当采用超声冲击法时，冲击介质为冲击针。钛合金冲击针包括锥形头部和柱状尾部，所述锥形头部的底面直径为6～12mm；所述柱状杆尾部的直径为3～8mm，长度为25～40mm，底部呈圆弧过渡。这种形状的钛合金冲击针有利于形成分布均匀的覆层。

相应的，本发明还公开了一种金属表面耐蚀耐磨覆层，其由上述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法制备而得。

下面以具体实施例对本发明进行说明：

实施例1

本实施例提供一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其包括：

(1)提供金属基体(EQ70钢)

(2)以钛合金(Al 5.4％，V 3.2％，杂质0.3％，余量为Ti)冲击针(柱状杆部直径为6mm，长度为30mm，底部呈圆弧过渡，锥形尾部底面直径为12mm)；采用冲击枪对金属基体进行冲击，具体工艺参数为：超声冲击枪移动速度2.4m/min，冲击强度为3s/mm²，冲击频率为100Hz，冲击枪电源的发生频率为20KHz，功率为1800W，冲击时间为20min。

实验结果如图1所示，对覆层上各点进行化学成分分析(EDX)，结果如下表：

采样点	1#	2#	3#	4#
					O	18.42	52.13	48.25	8.65
Al	0.81	2.33	2.45	0.03
					Si	1.06	0.22	0.15	0.50
Ti	1.07	10.88	8.79	0.08
					V	0.06	0.38	0.38	0.00
Mn	1.14	0.65	0.75	1.56
					Fe	77.43	33.41	39.23	89.18

由表中可以看出，在各采样点，均有Ti的存在，证明在经过处理以后，形成了覆层；但各点的Ti含量相对偏低，且波动较大，证明覆层覆盖均匀性相对较差。采用GB/T4340的方法对其表面硬度进行测量，结果表明，其表面硬度为382HV_0.2，相较基体表面硬度270HV_0.2有了较大的提升。

实施例2

(1)提供金属基体(EQ70钢)

(2)以钛合金(Al 4.98％，V 3.78％，Fe 0.24％，杂质0.2％，余量为Ti)冲击针(锥形头部底面直径为6mm；柱状杆尾部直径为4mm，长度为30mm，底部呈弧形过渡)；采用冲击枪对金属基体进行冲击，具体工艺参数为：超声冲击枪移动速度1.5m/min，冲击强度为1.33s/mm²，冲击频率为180Hz，冲击枪电源的发生频率为18kHz，功率为900W，冲击时间为20min。

实验结果如图2～图5所示，对覆层上各点进行化学成分分析(EDX)，结果如下表：

采样点	1#	2#	3#
				O	37.06	47.73	48.22
Al	1.76	2.32	3.43
				Ti	5.02	8.79	20.79
V	0.26	0.49	0.84
				Fe	62.9	40.67	60.44

由表中可以看出，金属基体表面覆盖了Ti、Fe、O等元素的金属间化合物，且Ti元素在各区域分布相对比较均匀。通过扫描电镜线扫描可以看出Ti的最高浓度达到50％(图3、图4)，且在覆层深度方向上Ti、Fe分布均匀，表明Ti、Fe实现了较良好的结合，形成了致密、均匀的覆层。采用GB/T4340的方法对其表面硬度进行测量，结果表明，其表面硬度为535HV_0.2，相较基体表面硬度271HV_0.2有了较大的提升。另外，对其耐腐蚀性能进行分析(电化学工作站，CS2350H，科斯特，中国)，其极化曲线如图5所示，可以看出，其表面耐蚀性相较未覆盖覆层的金属基体有明显提升。

实施例3

本实施例提供一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其与实施例2的区别在于，钛合金冲击针的成分不同。具体的，本实施例中钛合金冲击针的化学成分为：Al 2.5％，V 4.28％，Fe 1.22％，杂质0.3％，余量为Ti

结果如图6和图7所示，从图6中可以看出，在金属基体表面形成了稳定的覆层。从图7可以看出，本实施例中的金属基体的表面耐蚀性有了较显著的提升。

对比例1

本对比例与实施例2的区别在于，钛合金冲击针成分不同。具体的，本对比例中钛合金冲击针的化学成分为：Al 1.4％，V 0.5％，Fe 12.2％，杂质0.1％，余量为Ti。

实验结果如图8所示，对覆层上各点进行化学成分分析(EDX)，结果如下表：

	区域1	区域2
			O	4.32	4.9
Al	0.07	0.23
			Si	0.58	0.61
Ti	0.23	0.2
			V	0.16	0.08
Mn	1.28	0.89
			Fe	93.36	93.08

由表中可以看出，在区域1和区域2内Ti含量均较低，表明金属基体表面未形成稳定、连续的覆层；硬度试验表明，其硬度为284HV_0.2。

对比例2

本对比例与实施例2的区别在于，钛合金冲击针成分不同。具体的，本对比例中钛合金冲击针的化学成分为：Al 13.8％，V 15.6％，Fe 13.8％，杂质0.4％，余量为Ti。

实验结果如图9所示，由图中可以看出，形成的覆层不连续。

以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其特征在于，包括：

（1）提供金属基体；所述金属基体为低合金高强度钢；

（2）以钛合金制品为冲击介质，采用超声冲击法冲击所述金属基体；冲击过程中，所述钛合金制品经塑性变形、局部破碎后形成的微屑掉落至所述金属基体表面，并在高频冲击机械能与化学能的综合作用下，在所述金属基体表面形成耐蚀耐磨覆层成品；其中，超声冲击枪的移动速度为0.5~2m/min，冲击强度为1.2~2s/mm²，冲击频率为130~180Hz，冲击枪电源的发生频率为15~25Hz；

所述钛合金制品为钛合金冲击针，其按照重量百分比计包括以下组分：

Al 1~10%，V 1~10%，Fe 0.1~10%，余量为Ti和不可避免的杂质，其中，杂质的总含量≤0.5%。

2.如权利要求1所述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其特征在于，所述钛合金制品按照重量百分比计包括以下组分：

Al 4.98%，V 3.78%，Fe 0.24%，余量为Ti和不可避免的杂质，其中，杂质的总含量为0.2%。

3.如权利要求1所述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其特征在于，所述钛合金冲击针包括锥形头部和柱状尾部，所述锥形头部的底面直径为6~12mm；所述柱状尾部的直径为3~8mm，长度为25~40mm，底部呈圆弧过渡。

4.如权利要求3所述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法，其特征在于，步骤（1）包括：

（1.1）提供金属基体，所述金属基体由轧制工艺、铸造工艺、锻造工艺、3D打印工艺或堆焊工艺制成；

（1.2）对所述金属基体表面进行清洗。

5.一种金属表面耐蚀耐磨覆层，其特征在于，其由权利要求1~4任一项所述的基于高频冲击方法的金属表面耐蚀耐磨覆层的制备方法制备而得。