CN114262888A - 一种钢表面原位陶瓷减磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢表面原位陶瓷减磨涂层及其制备方法，减磨涂层包括钢基体，钢基体表面具有由石墨烯、MoS2、Al2O3和ZrO2组成的陶瓷涂层；将钢表面经抛光后，采用激光熔化沉积工艺在其表面沉积纳米TiC增强的Al‑Zr合金，在氩气中进行退火处理，形成FeAl扩散层；然后在含Na2MoO4和Na2S的硅酸盐水溶液中进行微弧氧化处理，在激光熔化沉积Al‑Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。本发明增强了涂层与钢基体间的结合强度，且在Al2O3、ZrO2陶瓷的减磨与石墨烯/MoS2的润滑作用，显著提高钢的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于钢表面涂层，尤其涉及一种钢表面原位陶瓷减磨涂层及其制备方法。
背景技术
钢因具有良好的力学性能及廉价的特点而被广泛应用于机械装备制造领域。模具钢因拥有优良的淬透性、抗热裂性能以及抗氧化性能的特点，被广泛用于制造热作模具（如H13钢）。但因其服役过程中常经受高温及冲击载荷作用，导致其重要的工作面易产生裂纹以及发生疲劳磨损等失效情况。调质钢因具有良好的淬透性及综合力学性能，在工程零件制造领域应用尤为广泛。如40CrMo、42CrMo等被广泛应用于制造螺栓、键轴及活塞杆等服役期间伴有磨损及承受交变载荷的零件。活塞杆作为汽车减振器的核心运动零件，需在滑动摩擦环境下服役，故常对其表面通过镀铬工艺处理，但常因受冲击载荷作用使镀铬层产生裂纹和磨粒磨损失效，导致密封部位发生泄漏，且镀铬会引发系列环境污染问题。表面改性技术为提高钢耐磨性提供了一种途径，如，工业生产中广泛应用的渗碳、渗氮工艺通过在钢表面形成高硬度氮化物、碳化物层来提高零件的耐磨性和使用寿命，但渗透层较薄，难以满足长时间的磨损要求，且工艺处理周期长，制造周期长，一定程度限制了钢耐磨性能的提升。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种钢表面原位陶瓷减磨涂层；本发明的另一目的是提供该减磨涂层的制备方法。
技术方案：本发明的一种钢表面原位陶瓷减磨涂层，包括钢基体，所述钢基体表面具有由石墨烯、MoS2、Al2O3和ZrO2组成的陶瓷涂层；所述陶瓷涂层是通过钢表面Al-Zr合金层在Na2MoO4、Na2S与石墨烯的混合水溶液经微弧氧化原位形成。
本发明还保护一种钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）对钢基体进行预处理，然后在丙酮中超声清洗，除油待用；
（2）将铝粉、锆粉混合，采用激光熔化沉积工艺，在氩气保护下对加热处理后的钢基体进行表面沉积，得到Al-Zr合金层，使合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置一定浓度的Na2MoO4、Na2S、Na2SiO3、NaOH、石墨烯的混合水溶液；
（4）将步骤（2）的具有Al-Zr合金层的钢基体置于步骤（3）的混合溶液中，利用超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
进一步的，所述步骤（2）中，钢基体加热处理的温度为250~350℃。
进一步的，所述步骤（2）中，混合的方式为通过氩气保护将一定流量比的铝粉、锆粉送至混粉器中进行混合。
进一步的，铝粉与锆粉的流量比为4~10：1。流量比具体是指单位时间内所通过铝粉与锆粉的质量之比。
进一步的，所述步骤（3）中，Na2MoO4、Na2S、Na2SiO3、NaOH和石墨烯的质量比为6~10：10~20：6~15：1~1.5：0.1~1。
进一步的，所述步骤（4）中，超声场频率为20～40 kHz，功率为80～120W；微射流流量为1～4m3·h-1。
进一步的，所述步骤（4）中，微弧氧化恒压电位为280～380 V。
进一步的，所述步骤（1）中，预处理是指将钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面。
进一步的，所述钢基体为模具钢、不锈钢或调质钢中的任意一种。
本发明的制备原理为：本发明依据钢在服役过程中耐磨性能需求，基于激光熔化沉积表面改性原理，对抛光后的钢进行加热，并在其表面进行沉积铝锆合金涂层，因钢基体加热及激光熔化沉积过程中的热积累双重影响下，涂层中Al与钢中Fe元素间相互扩散而在合金层与钢基体间形成FeAl扩散层，增强涂层及钢基体间的冶金结合强度；另一方面，因激光熔化沉积工艺的快速熔化/凝固特性，增加了涂层凝固的冷却速率及形核率，从而细化了涂层的组织，同时该工艺基于金属完全熔化机制，能显著提高涂层的致密性；再者，考虑到轻合金涂层表面的微弧氧化特点及石墨烯密度小的物性特征，在含Na2MoO4、Na2S与石墨烯的硅酸盐水溶液中进行超声场辅助微射流微弧氧化处理，在铝锆合金涂层进行表面选择性微弧氧化，且在超声场的辅助激励作用增加了石墨烯在微弧氧化涂层中的分散性，同时因细小组织及高致密度能弱化选择性放电行为，有利于形成稳定的放点弧光，进而提高微弧氧化膜层的致密性及均匀性；同时微弧氧化过程中原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层，增强了涂层与钢基体间的结合强度，且在Al2O3、ZrO2陶瓷的减磨与石墨烯/MoS2的润滑作用，显著提高钢的耐磨性能。
本发明采用超声场辅助微射流微弧氧化工艺，在Al-Zr合金层表面进行选择性微弧氧化，且在超声场的辅助激励作用增加了石墨烯在微弧氧化涂层中的分散性，同时因细小组织及高致密度能弱化选择性放电行为，有利于形成稳定的放点弧光，原位制备具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层，在原位多相陶瓷的强化与石墨烯/MoS2的自润滑作用下，提高了涂层的强度，且陶瓷相拥有较高的耐磨性以及MoS2在摩擦过程中形成层状摩擦层，有效降低了钢的摩擦系数及磨损率，进而显著提高钢的耐磨性
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明采用激光熔化沉积工艺在钢表面沉积铝锆合金涂层，因钢基体加热及激光熔化沉积过程中的热积累双重激励，促使Al/Fe间的扩散而在涂层与钢基体间形成FeAl扩散层，增强涂层及钢基体间的冶金结合强度；同时，激光熔化沉积工艺具有较高的冷却速率及完全熔化成形机制，增加了涂层结晶的形核率，细化涂层晶粒以及提高涂层的致密性，进而抑制了涂层在微弧氧化过程中选择性弧光放点行为，提高了微弧氧化膜层的致密性及均匀性。另一方面，采用超声场辅助微射流微弧氧化工艺在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层，其中石墨烯/MoS2相能均匀分散在Al2O3与ZrO2涂层中，且形成较强的冶金结合界面，上述界面强度的增强能显著降低涂层在摩擦过程中的粘附，避免涂层因界面强度弱而产生的剥落与失效，从而提高材料的耐磨性。
附图说明
图1是实施例1制得钢表面原位陶瓷减磨涂层横截面结构；
图2是实施例1-4制得的钢表面原位陶瓷减磨涂层的磨损率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
（1）将H13钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面，在丙酮中超声清洗10min除油待用；
（2）通过氩气保护作用将流量比为4：1的铝粉与锆粉送至混粉器中进行混合，采用激光熔化沉积工艺，钢基体加热温度为250℃，在氩气保护环境下在上述步骤中的钢表面沉积Al-Zr合金层，且在合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置浓度为6g/L Na2WO4、10g/L Na2S、6g/LNa2SiO3、1g/L NaOH、0.1g/L石墨烯的混合水溶液；
（4）对上述步骤中（2）的H13钢Al-Zr合金层置于步骤（3）的水溶液中，利用超声场频率为20 kHz，功率为80W、微射流流量为1m3·h-1、恒压电位为280 V的超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
从图1可发现，其中，1表示石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层；2表示FeAl扩散层；3表示钢基体；H13钢表面原位减磨涂层的横截面结构包含石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层，FeAl扩散层以及H13钢基体；同时可发现该减磨涂层、FeAl扩散层及钢基体间的界面结合良好，无明显缺陷。
实施例2
（1）将H13钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面，在丙酮中超声清洗10min除油待用；
（2）通过氩气保护作用将流量比为10：1的铝粉与锆粉送至混粉器中进行混合，采用激光熔化沉积工艺，钢基体加热温度为300℃，在氩气保护环境下在上述步骤中的钢表面沉积Al-Zr合金层，且在合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置浓度为6g/L Na2WO4、10g/L Na2S、6g/LNa2SiO3、1g/L NaOH、0.1g/L石墨烯的混合水溶液；
（4）对上述步骤中（2）的H13钢Al-Zr合金层置于步骤（3）的水溶液中，利用超声场频率为20 kHz，功率为80W、微射流流量为1m3·h-1、恒压电位为280 V的超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
实施例3
（1）将H13钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面，在丙酮中超声清洗10min除油待用；
（2）通过氩气保护作用将流量比为10：1的铝粉与锆粉送至混粉器中进行混合，采用激光熔化沉积工艺，钢基体加热温度为300℃，在氩气保护环境下在上述步骤中的钢表面沉积Al-Zr合金层，且在合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置浓度为10g/L Na2WO4、20g/L Na2S、15g/LNa2SiO3、1.5g/L NaOH、1g/L石墨烯的混合水溶液；
（4）对上述步骤中（2）的H13钢Al-Zr合金层置于步骤（3）的水溶液中，利用超声场频率为20 kHz，功率为80W、微射流流量为1m3·h-1、恒压电位为280 V的超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
实施例3制备的H13钢表面原位陶瓷减磨涂层在室温下摩擦系数的平稳值约为0.2，低于单一采用激光熔化沉积的Co基Stellite6-Cr3C2-WS2的最优摩擦系数（约0.35）以及铝合金表面含WS2的微弧氧化涂层的最优摩擦系数（约0.25）。
实施例4
（1）将H13钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面，在丙酮中超声清洗10min除油待用；
（2）通过氩气保护作用将流量比为10：1的铝粉与锆粉送至混粉器中进行混合，采用激光熔化沉积工艺，钢基体加热温度为300℃，在氩气保护环境下在上述步骤中的钢表面沉积Al-Zr合金层，且在合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置浓度为10g/L Na2WO4、20g/L Na2S、15g/LNa2SiO3、1.5g/L NaOH、1g/L石墨烯的混合水溶液；
（4）对上述步骤中（2）的H13钢Al-Zr合金层置于步骤（3）的水溶液中，利用超声场频率为40kHz，功率为120W、微射流流量为4m3·h-1、恒压电位为380 V的超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
从图2中可发现实施例1-4的钢表面原位陶瓷减磨涂层的磨损量在2.75～5.2×10-6 mm3/N•m范围，低于铝合金表面含TiC陶瓷微弧氧化涂层的最优磨损率（约6.76）×10-6mm3/N•m，这是因为通过激光熔化沉积工艺在钢表面Al-Zr合金层经超声场辅助微射流微弧氧化工艺成形具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层既具有提高硬度及强度的多相陶瓷在摩擦过程中塑性变形困难，难以产生摩擦粘附，显著提高其耐磨性；同时原位石墨烯/MoS2相也具有自润滑、界面冶金结合强度高的优点，在摩擦过程中形成层状摩擦层，减小涂层与摩擦副间的粘附磨损，从而提高钢的耐磨性，进一步说明本发明提供的钢表面原位陶瓷减磨涂层的成形方法能有效提高钢的耐磨性。
对比例1
具体制备工艺同实施例1，不同之处在于，包括步骤（2）中不采用对钢基体加热温度250℃，直接在H13钢表面激光熔化沉积Al-Zr合金层，以及超声场辅助微射流微弧氧化工艺制备陶瓷涂层。
对比例2
具体制备工艺同实施例1，不同之处在于，步骤（4）中不采用超声场辅助微射流微弧氧化工艺，直接采用恒压电位为280 V的微弧氧化工艺，得到微弧氧化的陶瓷涂层。
将对比例1-2得到的微弧氧化耐磨涂层，并进行耐磨性能对比。对比例1中不采用对钢基体加热温度250℃处理，其Al-Zr合金层与H13钢基体界面间无扩散层，界面结合能力降低，在摩擦过程中，因往复加载的摩擦力作用，导致合金层在其与钢基体界面处脱落，造成涂层过早失效，且造成涂层的磨损率增大（8.1×10-6 mm3/N•m）。对于对比例2中不采用超声场辅助微射流微弧氧化工艺处理，因石墨烯密度小，造成石墨烯与原位MoS2相在Al2O3/ZrO2陶瓷涂层的分散性差，致使摩擦过程中摩擦力不均匀，进而导致区域性粘度磨损的形成，加剧涂层的磨损（7.6×10-6 mm3/N•m），因此可以说明本发明中Al-Zr合金层/钢界面出形成的FeAl扩散层以及超声场辅助微射流微弧氧化工艺的激励分散特性，提高了涂层的耐磨性。
Claims (10)
1.一种钢表面原位陶瓷减磨涂层，其特征在于：包括钢基体，所述钢基体表面具有由石墨烯、MoS2、Al2O3和ZrO2组成的陶瓷涂层；所述陶瓷涂层是通过钢表面Al-Zr合金层在Na2MoO4、Na2S与石墨烯的混合水溶液经微弧氧化原位形成。
2.一种权利要求1所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对钢基体进行预处理，然后在丙酮中超声清洗，除油待用；
（2）将铝粉、锆粉混合，采用激光熔化沉积工艺，在氩气保护下对加热处理后的钢基体进行表面沉积，得到Al-Zr合金层，使合金层与钢基体间形成FeAl扩散层；
（3）配置一定浓度的Na2MoO4、Na2S、Na2SiO3、NaOH、石墨烯的混合水溶液；
（4）将步骤（2）的具有Al-Zr合金层的钢基体置于步骤（3）的混合溶液中，利用超声场辅助微射流微弧氧化工艺进行氧化处理，在Al-Zr合金层表面原位形成具有润滑功能石墨烯/MoS2复合强化的耐磨Al2O3/ZrO2陶瓷涂层。
3.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，钢基体加热处理的温度为250~350℃。
4.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，混合的方式为通过氩气保护将一定流量比的铝粉、锆粉送至混粉器中进行混合。
5.根据权利要求4所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：铝粉与锆粉的流量比为4~10：1。
6.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，Na2MoO4、Na2S、Na2SiO3、NaOH和石墨烯的质量比为6~10：10~20：6~15：1~1.5：0.1~1。
7.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，超声场频率为20～40 kHz，功率为80～120W；微射流流量为1～4m3·h-1。
8.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，微弧氧化恒压电位为280～380 V。
9.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，预处理是指将钢采用砂纸打磨及金刚石研磨膏抛光至镜面。
10.根据权利要求2所述的钢表面原位陶瓷减磨涂层的制备方法，其特征在于：所述钢基体为模具钢、不锈钢或调质钢中的任意一种。
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