CN115074720A - 轻质合金表面耐磨处理方法 - Google Patents
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- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
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Abstract
本公开涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及一种轻质合金表面耐磨处理方法。本公开提供的轻质合金表面耐磨处理方法，包括以下步骤：步骤S100、将FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合得到用于冷喷涂的混合粉末；步骤S200、将基体表面预处理；步骤S300、在经过预处理的基体表面采用冷喷涂的方法喷涂混合粉末，以使在所述基体的表面形成涂层。本公开实施例利用FeCrB硬度相对较高以及铝合金具有良好耐腐蚀性能的优点，将其充分均匀混合，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层。
Description
技术领域
本公开涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及一种轻质合金表面耐磨处理方法。
背景技术
目前轻质合金(如铝合金、镁合金和钛合金等)由于其轻质高强的特点被广泛应用于汽车工业、电子电力、石油钻井及航空航天等领域。与传统钢铁材料相比，采用轻质合金能够明显降低设备自重，从而减少能源消耗及碳排放，实现绿色可持续发展的目标。
但是目前轻质合金在服役过程中存在的问题主要是表面磨损及腐蚀。例如镁合金由于其化学性质和电化学活性高，在大气中特别是环境潮湿及沿海地区使用时易发生腐蚀，铝合金虽然能够在表面生成致密氧化膜使其有一定的耐腐蚀性，但是其硬度较低，耐磨损性较差，导致其使用寿命无法满足服役要求。
为了提高轻质合金表面性能，目前已有相关的表面强化技术得到应用，例如化学转化法、阳极氧化法、微弧氧化、电镀、化学镀、热喷涂、激光强化及气相沉积技术等。随着上述工艺能够暂时解决轻质合金表面耐磨防腐蚀的问题，但是仍然存在下述问题：(1)电镀及阳极氧化等工艺复杂、能耗大、污染严重；(2)微弧氧化所制备的涂层厚度有限，仅约10μm，涂层表面多孔，继续增厚成本居高不下；(3)气相沉积设备所投入成本较高；(4)铝合金对激光反射率高；(5)热喷涂涂层结合强度较低、孔隙率偏高，喷涂过程中对基体由额外热量输入，易导致氧化及高的残余拉应力。因此，目前需要一种新的表面处理工艺，在轻质合金表面实现耐磨功能的基础上，还能减少工序、避免对环境的污染、设备投入成本低且所制备涂层有高结合强度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种轻质合金表面耐磨处理方法。
本公开提供了一种轻质合金表面耐磨处理方法，包括以下步骤：
步骤S100、将FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合得到用于冷喷涂的混合粉末；
步骤S200、将基体表面预处理；
步骤S300、在经过预处理的基体表面采用冷喷涂的方法喷涂混合粉末，以使在所述基体的表面形成涂层。
作为本发明所述方法的优选技术方案，所述FeCrB堆焊合金粉末的粒度范围为1μm～100μm；
和/或，所述铝合金粉末的粒度范围为1μm～50μm。
作为本发明所述方法的优选技术方案，所述FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合的方法包括造粒、球磨或机械混合。
作为本发明所述方法的优选技术方案，以体积百分比计，所述铝合金粉末的含量不低于20％，其余为FeCrB堆焊合金粉末和不可避免的杂质。
作为本发明所述方法的优选技术方案，所述基体表面预处理的方法包括喷砂、喷丸、砂纸打磨、超声波清洗或脱脂。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤S300中，所述冷喷涂采用的压力为0.4MPa～6.0MPa，预热温度为25℃～500℃。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤S300中，所述冷喷涂采用的喷涂距离为6mm～50mm，移枪速率为10mm/min～2000mm/min。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤S300中，所述冷喷涂所采用的工作气体为氦气、氮气、压缩空气或氩气中的一种或至少两种的组合。
作为本发明所述方法的优选技术方案，在所述冷喷涂过程中，采用激光辅助或微粒子喷丸原位微锻的方法以促进混合粉末与基体间结合
作为本发明所述方法的优选技术方案，还包括步骤S400、在喷涂完毕后，采用搅拌摩擦焊的方式对涂层进行处理。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开实施例提供的轻质合金表面耐磨处理方法，包括以下步骤：步骤S100、将FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合得到用于冷喷涂的混合粉末；步骤S200、将基体表面预处理；步骤S300、在经过预处理的基体表面采用冷喷涂的方法喷涂混合粉末，以使在基体的表面形成涂层。本公开实施例利用FeCrB硬度相对较高以及铝合金具有良好耐腐蚀性能的优点，将其充分均匀混合，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本公开实施例所述轻质合金表面耐磨处理方法的流程图；
图2为采用本公开实施例所述轻质合金表面耐磨处理方法得到的涂层的SEM图；
图3为采用本公开实施例所述轻质合金表面耐磨处理方法得到的涂层与基体结合强度测试后的结果。
图4为不同粉末配比所制备涂层及微弧氧化样品磨损后的宏观形貌图；
图5为不同粉末配比所制备涂层及微弧氧化样品的磨损率对比图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
FeCrB合金是一种低成本、高硬度及耐磨性的新型合金材料，采用气雾化所制备的粉末也广泛应用于热喷涂、等离子堆焊、激光熔敷等领域。部分铝合金如6系铝合金具有良好耐腐蚀性能的铝合金，且其硬度相对较低，因此可采用冷喷涂装置能制备出涂层。本公开实施例利用FeCrB合金与铝合金两种粉末的优势，将其充分均匀混合，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层，在轻质合金表面实现耐磨功能的基础上，还能减少工序、避免对环境的污染、设备投入成本低且所制备涂层有高结合强度。
如图1所示，本公开实施例提供的轻质合金表面耐磨处理方法，包括以下步骤：步骤S100、将FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合得到用于冷喷涂的混合粉末；步骤S200、将基体表面预处理；步骤S300、在经过预处理的基体表面采用冷喷涂的方法喷涂混合粉末，以使在基体的表面形成涂层。本公开实施例利用FeCrB硬度相对较高以及铝合金具有良好耐腐蚀性能的优点，将其充分均匀混合，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层，在轻质合金表面实现耐磨功能的基础上，还能减少工序、避免对环境的污染、设备投入成本低且所制备涂层有高结合强度。
需要说明的是，此处的FeCrB堆焊合金粉末材料应为Fe-Cr-B系堆焊合金材料。
本公开采用FeCrB堆焊合金粉末，由于FeCrB堆焊合金粉末价格相对较低廉，因此可以利用FeCrB堆焊合金粉末价格低的优势，节约成本。
作为本发明方法的优选技术方案，FeCrB堆焊合金粉末的粒度范围为1μm～100μm，可以增强FeCrB与铝合金颗粒的结合以及增强FeCrB与基体的结合，提高结合强度，进而提高基体的耐磨性能。
作为本发明方法的优选技术方案，铝合金粉末的粒度范围为1μm～50μm。可以增强铝合金与FeCrB颗粒的结合以及增强铝合金与基体的结合，提高结合强度，进而提高基体的耐磨性能。
作为本发明方法的优选技术方案，FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合的方法包括造粒、球磨或机械混合，使FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末充分混合均匀，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层。
作为本发明方法的优选技术方案，以体积百分比计，所述铝合金粉末的含量不低于20％，其余为FeCrB堆焊合金粉末和不可避免的杂质，使得FeCrB合金颗粒作为硬质相，而铝合金粉末作为粘结相，并采用冷喷涂技术在基体表面制备致密、硬质颗粒分布均匀的耐磨复合涂层。
作为本发明方法的优选技术方案，基体表面预处理的方法包括喷砂、喷丸、砂纸打磨、超声波清洗或脱脂，可以提高基体与涂层的结合强度。
作为本发明方法的优选技术方案，步骤S300中，冷喷涂采用的压力为0.4MPa～6.0MPa，预热温度为25℃～500℃。
作为本发明方法的优选技术方案，步骤S300中，冷喷涂采用的喷涂距离为6mm～50mm，移枪速率为10mm/min～2000mm/min。
作为本发明方法的优选技术方案，步骤S300中，冷喷涂所采用的工作气体为氦气、氮气、压缩空气或氩气中的一种或至少两种的组合。
作为本发明方法的优选技术方案，在冷喷涂过程中，采用激光辅助或微粒子喷丸原位微锻的方法以促进混合粉末与基体间结合，可以提高基体与涂层的结合强度。
作为本发明方法的优选技术方案，还包括步骤S400、在喷涂完毕后，采用搅拌摩擦焊的方式对涂层进行处理，可以增强颗粒间的结合。
实施例1
采用低压便携式冷喷涂装置，在Al5053合金表面制备耐磨蚀涂层，采用的粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比5:4混合，喷涂采用压缩空气作为加速介质，压力为0.6MPa，预热温度为400℃，喷涂距离10mm，移枪速度为200mm/s，制备出厚度约100μm的复合涂层，结果如图2所示。涂层结合强度约47.7MPa，结果图3所示。
从图2可知，所制备的复合涂层致密，孔隙率<1％，硬质FeCrB颗粒被紧密包裹；图3表明涂层剥离处为基体与涂层的界面处，a和b为同一成分涂层的测试结果。
FeCrB粉末即为为Fe-Cr-B系堆焊合金材料。
实施例2
采用低压便携式冷喷涂装置，在厚度约1.8mm的Al7075合金表面制备耐磨蚀涂层，采用的粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比3:4混合，喷涂采用氮气作为加速介质，压力为0.5MPa，预热温度为450℃，喷涂距离10mm，移枪速度为120mm/s，制备出厚度约100μm的复合涂层，并测试其摩擦磨损性能并与微弧氧化的样品相对比，测试条件为：10N载荷、60min、500rpm、转动摩擦、半径3mm。
实施例2得到的样品为2#，结合图4和图5，测试结果如下：与微弧氧化样品和Al7075合金相比，冷喷涂涂层的磨痕宽度明显较小。由图5可以看出，采用粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比3:4混合通过冷喷得到的涂层的磨损率较低，磨损率的定义是被磨试样的体积与磨擦功的比值,即单位摩擦功所磨试样的体积。由此可以得出，用粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比3:4混合通过冷喷得到的涂层的展示出了良好的耐摩擦磨损性能。
实施例3
采用低压便携式冷喷涂装置，在厚度约1.8mm的Al7075合金表面制备耐磨蚀涂层，采用的粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比5：4混合，喷涂采用氮气作为加速介质，压力为0.5MPa，预热温度为450℃，喷涂距离10mm，移枪速度为120mm/s，制备出厚度约100μm的复合涂层，并测试其摩擦磨损性能并与微弧氧化的样品相对比，测试条件为：10N载荷、60min、500rpm、转动摩擦、半径3mm。
结合图4和图5，测试结果如下：与微弧氧化样品和Al7075合金相比，冷喷涂涂层的磨痕宽度明显较小。实施例3得到的样品为3#，由图5可以看出，采用粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比5：4混合通过冷喷得到的涂层的磨损率较低，磨损率的定义是被磨试样的体积与磨擦功的比值,即单位摩擦功所磨试样的体积。由此可以得出，用粉末为Al6061和FeCrB粉末按照体积比3:4混合通过冷喷得到的涂层的展示出了良好的耐摩擦磨损性能。
对比例1
采用微弧氧化工艺。
对比例1得到的样品为4#，图5为测试得到的磨损率，从图5中可以看出，与微弧氧化得到的样品相比，冷喷涂涂层的磨损率较低，耐磨性能明显好于微弧氧化。
对比例2
Al7075基体。
对比例2得到的样品为5#，从图5中可以看出，与Al7075基体相比，冷喷涂涂层的磨损率较低，耐磨性能明显好于Al7075基体。
如图4所示，同粉末配比所制备涂层及微弧氧化样品磨损后的宏观形貌，冷喷涂涂层的磨痕宽度明显较小，展示出了良好的耐摩擦磨损性能。
通过宏观形貌的观察可知冷喷涂磨痕相对更窄，抵抗摩擦的性能更好。加上对比图5中的磨损率，可知冷喷涂样品的耐磨性能更好。
如图5所示，实施例2得到的样品为2#、实施例3得到的样品为3#、对比例1得到的样品为4#、对比例2得到的样品为5#。磨损率2#＜3#＜4#＜5#，由此得出采用的粉末为Al6061和FeCrB粉末得到的混合粉末冷喷涂涂层展示出了良好的耐摩擦磨损性能。Al6061和FeCrB粉末按照体积比3：4混合时，耐磨性较佳。当FeCrB粉末含量提高时，可以使Al6061和FeCrB粉末得到的混合粉末冷喷涂涂层的耐磨性提高。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100、将FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合得到用于冷喷涂的混合粉末；
步骤S200、将基体表面预处理；
步骤S300、在经过预处理的基体表面采用冷喷涂的方法喷涂混合粉末，以使在所述基体的表面形成涂层。
2.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，所述FeCrB堆焊合金粉末的粒度范围为1μm～100μm；
和/或，所述铝合金粉末的粒度范围为1μm～50μm。
3.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，所述FeCrB堆焊合金粉末与铝合金粉末混合的方法包括造粒、球磨或机械混合。
4.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，以体积百分比计，所述铝合金粉末的含量不低于20％，其余为FeCrB堆焊合金粉末和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，所述基体表面预处理的方法包括喷砂、喷丸、砂纸打磨、超声波清洗或脱脂。
6.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，步骤S300中，所述冷喷涂采用的压力为0.4MPa～6.0MPa，预热温度为25℃～500℃。
7.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，步骤S300中，所述冷喷涂采用的喷涂距离为6mm～50mm，移枪速率为10mm/min～2000mm/min。
8.根据权利要求1所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，步骤S300中，所述冷喷涂所采用的工作气体为氦气、氮气、压缩空气或氩气中的一种或至少两种的组合。
9.根据权利要求1至8任一项所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，在所述冷喷涂过程中，采用激光辅助或微粒子喷丸原位微锻的方法以促进混合粉末与基体间结合。
10.根据权利要求1至8任一项所述的轻质合金表面耐磨处理方法，其特征在于，还包括步骤S400、在喷涂完毕后，采用搅拌摩擦焊的方式对涂层进行处理。
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