CN115786911A - 一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法及装置，步骤如下：将所需制备涂层的材料制作成球状，并将其放入下端是陶瓷锥管上端为金属管的容器中；然后将陶瓷锥管置于需要制备涂层的基体的正上方，并利用往复运动装置带动其在基体表面进行往复运动；最后，将基体和锥形管分别接脉冲电源的两极，并利用惰性气体进行保护。在此过程中，放电产生的高温将使涂层材料球产生局部熔化，并粘附到基体表面，从而实现涂层的制备。本发明能实现对涂层的制备，其利用脉冲放电产生的高温使涂层材料熔化，并粘附在基体表面，可形成冶金级结合，结合强度高；制备的涂层均匀，效率高；适用性广，能完成各种金属涂层的制备，且具有操作简单和成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法及装置。
背景技术
利用电火花放电制备涂层的技术也称为电火花沉积技术，其是一种用于金属材料表面损伤修复、涂层制备和强化的方法，该方法具有设备简单、操作方便、应用范围广的优点，其制备的涂层与基体结合性强，因此具有较好的实用价值和广泛的应用前景。但当前电火花沉积技术中一般使用棒状材料作为电极，其不易实现涂层制备的自动化操作，因而，一般采用手工操作的方式进行沉积，所以，无法保证其涂层的均匀性，也无法提高沉积效率。
由此，本发明提供的一种基于摩擦电火花放电层制备方法及装置，将所需制备涂层的材料制作成球状得到涂层材料球，并将其放入下端是陶瓷锥管上端为金属管的容器中；然后将装有涂层材料球的锥形管置于需要制备涂层的基体的正上方，并利用往复运动装置带动其在基体表面进行往复运动；最后，将基体和锥形管分别接脉冲电源的两极，并利用惰性气体进行保护。在此过程中，放电产生的高温将使涂层材料球产生局部熔化，并粘附到基体表面，从而实现涂层的制备。利用涂层材料球与基体表面的不稳定接触，从而产生放电，进而将涂层材料熔覆在基体表面，形成涂层，此过程可在基体表面获得均匀的涂层，同时效率高。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在电火花沉积技术使用棒状电极无法保证涂层的均匀性以及无法提高沉积效率等问题，本发明提出一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法及装置，涂层结合强度高、均匀性好且制备效率高，能完成各种金属涂层的制备，且具有操作简单和成本低的特点。
技术方案：一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，步骤如下：
步骤一. 将所需制备涂层的材料制作成球状得到涂层材料球，并将其放入下端是陶瓷锥管、上端为金属管的容器中；
步骤二. 将装有涂层材料球的容器置于需要制备涂层的基体的正上方，并利用往复运动装置带动其在基体表面进行往复运动；
步骤三. 将基体和容器分别接脉冲电源的两极，并利用惰性气体进行保护；
步骤四. 制备过程中，放电产生的高温将使涂层材料球产生局部熔化，并粘附到基体表面，从而实现涂层的制备。
作为优选，所述步骤一中涂层材料球为导电材料，具体为单质金属球或者合金球，直径为1~10 mm。
作为优选，所述步骤一中陶瓷锥管的底部内径大于等于涂层材料球直径的2倍，陶瓷锥管的高度大于等于涂层材料球的半径，陶瓷锥管的锥度为1:5~2:1。
作为优选，所述步骤一中涂层材料球在容器中的填装高度大于陶瓷锥管的高度。
作为优选，所述步骤一中陶瓷锥管材质为氧化铝或者氧化锆，金属管材质与所需涂层相同。
作为优选，所述步骤二中陶瓷锥管底端与基体之间的距离小于等于涂层材料球的半径。
作为优选，所述步骤二中往复运动装置为气动系统或曲柄滑块系统，往复运动速度为0.5 ~50 m/min。
作为优选，所述步骤三中脉冲电源的电压为20~200V，电流为10~1000A，脉冲宽度10 ~1000μs，占空比10:1~1:10。
作为优选，所述步骤三中惰性气体为氮气或者氩气，用于保护涂层制备过程中不发生氧化。
基于上述方法一种制备基于摩擦电火花放电涂层的装置，所述装置包括气瓶、往复运动装置、金属管、涂层材料球、陶瓷锥管、基体、脉冲电源和工作台，气瓶出气口与金属管顶端进气口连接，往复运动装置与金属管外壁连接，用于控制金属管的往复运动，陶瓷锥管大口径顶端与金属管底端连接，涂层材料球设于金属管和陶瓷锥管连通的内腔，基体设于工作台上，陶瓷锥管下口径底端设于基体正上方，脉冲电源的正极与基体连接，负极与金属管连接。
有益效果：（1）本发明直接利用放电产生的高温能量局部熔化涂层材料球，并将其粘附在基体表面，可形成冶金级结合，结合强度高；
（2）本发明利用往复运动装置带动容器，从而使涂层材料球在基体表面进行摩擦，可获得均匀的涂层；
（3）本发明所述涂层材料球可利用粉末冶金方法实现制备，适用性广。
附图说明
图1为本发明所述制备基于摩擦电火花放电涂层的装置结构示意图。
图中各数字标号代表如下：1.气瓶；2.往复运动装置；3.金属管；4.涂层材料球；5.陶瓷锥管；6.基体；7.脉冲电源；8.工作台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种基于摩擦电火花放电涂层制备方法，步骤如下：
步骤一. 将所需制备涂层的材料制作成球状得到涂层材料球，并将其放入下端是陶瓷锥管、上端为金属管的容器中；
步骤二. 将装有涂层材料球的容器置于需要制备涂层的基体的正上方，并利用往复运动装置带动其在基体表面进行往复运动；
步骤三. 将基体和容器分别接脉冲电源的两极，并利用惰性气体进行保护；
步骤四. 制备过程中，放电产生的高温将使涂层材料球产生局部熔化，并粘附到基体表面，从而实现涂层的制备。
基于上述方法一种制备基于摩擦电火花放电涂层的装置，参见图1，所述装置包括气瓶1、往复运动装置2、金属管3、涂层材料球4、陶瓷锥管5、基体6、脉冲电源7和工作台8，气瓶1出气口与金属管3顶端进气口连接，往复运动装置2与金属管3外壁连接，用于控制金属管3的往复运动，陶瓷锥管5大口径顶端与金属管3底端连接，涂层材料球4设于金属管3和陶瓷锥管5连通的内腔，基体6设于工作台8上，陶瓷锥管5下口径底端设于基体6正上方，脉冲电源7的正极与基体6连接，负极与金属管3连接。
实施例2
同实施例1，区别在于，所述步骤一中涂层材料球为单质金属球或者合金球，直径为1~10 mm，陶瓷锥管的底部内径大于等于涂层材料球直径的2倍，陶瓷锥管的高度大于等于涂层材料球的半径，陶瓷锥管的锥度为1:5~2:1，涂层材料球在容器中的填装高度大于陶瓷锥管的高度，陶瓷锥管材质为氧化铝或者氧化锆，金属管材质与所需涂层相同。
所述步骤二中陶瓷锥管底端与基体之间的距离小于等于涂层材料球的半径，往复运动装置为气动系统或曲柄滑块系统，往复运动速度为0.5 ~50 m/min。
所述步骤三中脉冲电源的电压为20~200V，电流为10~1000A，脉冲宽度10 ~1000μs，占空比10:1~1:10，惰性气体为氮气或者氩气。
实施例3
同实施例2，区别在于，本实施例中基体6材料为45钢，尺寸为100 mm×10 mm×5mm。涂层材料球4为利用粉末冶金方式制备的YG8硬质合金球，直径为5 mm；陶瓷锥管5的下端直径为20 mm，高度为5 mm，锥度为1:1；金属管3为YG8硬质合金管，陶瓷锥管5底端与基体6距离为1 mm，往复运动速度为10 m/min，脉冲电源电压50 V，峰值电流为500 A，脉冲宽度100 μs，占空比1:1，惰性气体为氮气。
制备涂层前，将硬质合金球放入容器，填装高度为15mm，基体6接脉冲电源7的正极，硬质合金管接负极，调节往复运动速度为4 m/min。启动设备加工5min后，得到所需涂层，经测试，涂层平均厚度为0.5mm。
对比例1
与实施例3对比，其他条件不变的情况下，将陶瓷锥管换成陶瓷圆柱管，加工1分钟后，由于硬质合金球与陶瓷的摩擦作用，陶瓷管的底部出现磨损，形成局部倒锥形结构，因此容器运动过程中，经常性发生与硬质合金球卡住的现象，使加工无法继续。
对比例2
与实施例3对比，其他条件不变的情况下，将陶瓷锥管换成金属锥管，加工2分钟后，由于硬质合金球会与金属锥管产生放电，从而加剧了金属锥管的磨损，同时还出现了一些合金球牢固粘附在锥管表面的现象，进而发生容器与硬质合金球卡住的现象，使加工无法继续。
实施例4
同实施例2，区别在于，本实施例中基体6材料为不锈钢，尺寸为100 mm×100 mm×5 mm。涂层材料球4为纯铝球，直径为3 mm；陶瓷锥管5的下端直径为15 mm，高度为5 mm，锥度为1:2；金属管3为铝管，陶瓷锥管5底端与基体6距离为1 mm，往复运动速度为20 m/min，脉冲电源电压40 V，峰值电流为200 A，脉冲宽度100 μs，占空比1:2，惰性气体为氮气。
制备涂层前，将硬质合金球放入容器，填装高度为12 mm，基体6接脉冲电源7的正极，硬质合金管接负极，调节往复运动速度为5 m/min。启动设备加工3 min后，得到所需涂层，经测试，涂层平均厚度为0.3 mm。
Claims (10)
1.一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一. 将所需制备涂层的材料制作成球状得到涂层材料球，并将其放入下端是陶瓷锥管、上端为金属管的容器中；
步骤二. 将装有涂层材料球的容器置于需要制备涂层的基体的正上方，并利用往复运动装置带动其在基体表面进行往复运动；
步骤三. 将基体和容器分别接脉冲电源的两极，并利用惰性气体进行保护；
步骤四. 制备过程中，放电产生的高温将使涂层材料球产生局部熔化，并粘附到基体表面，从而实现涂层的制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中涂层材料球为单质金属球或者合金球，直径为1~10 mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中陶瓷锥管的底部内径大于等于涂层材料球直径的2倍，陶瓷锥管的高度大于等于涂层材料球的半径，陶瓷锥管的锥度为1:5~2:1。
4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中涂层材料球在容器中的填装高度大于陶瓷锥管的高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中陶瓷锥管材质为氧化铝或者氧化锆，金属管材质与所需涂层相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中陶瓷锥管底端与基体之间的距离小于等于涂层材料球的半径。
7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中往复运动装置为气动系统或曲柄滑块系统，往复运动速度为0.5 ~50 m/min。
8.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤三中脉冲电源的电压为20~200V，电流为10~1000A，脉冲宽度10~1000μs，占空比10:1~1:10。
9.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电火花放电涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤三中惰性气体为氮气或者氩气。
10.基于权利要求1所述的方法一种制备基于摩擦电火花放电涂层的装置，其特征在于，所述装置包括气瓶（1）、往复运动装置（2）、金属管（3）、涂层材料球（4）、陶瓷锥管（5）、基体（6）、脉冲电源（7）和工作台（8），气瓶（1）出气口与金属管（3）顶端进气口连接，往复运动装置（2）与金属管（3）外壁连接，用于控制金属管（3）的往复运动，陶瓷锥管（5）大口径顶端与金属管（3）底端连接，涂层材料球（4）设于金属管（3）和陶瓷锥管（5）连通的内腔，基体（6）设于工作台（8）上，陶瓷锥管（5）下口径底端设于基体（6）正上方，脉冲电源（7）的正极与基体（6）连接，负极与金属管（3）连接。
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