CN115948679A - 一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料，该镍基复合材料包括以下物质(以质量百分比计)：金刚石颗粒：3％～10％、金刚石破碎粉：5％～15％、镍粉：60％～75％、铬粉：6％～9％、硼硅铁粉：9～15％、氟化锂：0.3％～1％。本发明利用不同品质金刚石同步增强耐磨和减摩性能的镍基复合材料中同时存在熔覆层表层的耐磨金刚石和镍基基体中的减摩石墨相，熔覆层成形良好，减摩耐磨性优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料及其制备方法，属于材料表面改性技术领域。
背景技术
现代机械传动零部件不仅承受剧烈的摩擦，而且在某些工况条件下要求少油甚至无油润滑，这就要求零部件表面不仅具有良好的耐磨性能，而且具有足够的减摩性能。因此，采用表面改性技术，直接在零部件实际接触面等特定部位制备一层同时具有优良耐磨性和减摩性的特殊涂层，是行业面临的一大挑战。
涂层制备技术如粉末冶金、电镀、热喷涂、冷喷涂等，这些方法所得涂层厚度受限，致密性不足等结构缺陷，限制了其应用范围。激光熔覆技术不同于传统涂层制备技术，主要依靠熔覆原材料构成涂层合金系，具有较宽厚度范围、且与基体材料形成冶金结合，因此质量优良。关于激光熔覆技术，CN108411300A公开了一种钛合金表面激光熔覆镍基自润滑涂层及其制备方法，通过采用镍包MoS2来避免MoS2在熔覆过程中的损失以保证充足的润滑源，形成具有自润滑特性的镍基涂层。CN111850550A公开了一种激光熔覆用WC增强高熵合金粉末及其熔覆层制备方法。上述专有技术中，要么着重解决减摩性问题，要么着重解决抗磨性问题。因此探求适当熔覆材料体系，通过激光熔覆工艺实现兼具抗磨和减摩性能的新型耐磨涂层的成分设计及制备方法还需进一步研究。目前，鲜见能够同时提升抗磨和减摩性的镍基合金涂层的相关报道。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一目的是提供一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料，本发明的第二目的是提供一种所述基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法。
技术方案：本发明所述一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料，所述镍基复合材料包括以下质量百分含量的组分：3～10％金刚石颗粒、5～15％金刚石破碎粉、60％～75％镍粉、6～9％铬粉、9～15％硼硅铁粉、0.3～1％氟化锂。
优选地，所述硼硅铁中硼的质量分数为5～8％，硅的质量分数为20～25％，其余为铁。
优选地，所述金刚石颗粒的粒径为35～60目。
优选地，所述金刚石破碎粉的粒径为140～200目。
优选地，所述镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂的粒径均为200～325目。
本发明所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，包括如以下步骤：
(1)取金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂混合得到混合粉末，将混合粉末通过粘结剂预置于钢基体上；
(2)将金刚石颗粒均匀铺列于步骤(1)的混合粉末表层得到预置层，将预置层预热；
(3)采用光纤激光器对预热的预置层进行熔覆，得到镍基复合材料。
优选地，步骤(1)中，钢基体为65Mn钢、45钢、Q235钢或Q345钢。
优选地，步骤(1)中，混合粉末预置于钢基体上的厚度为300-500μm。
优选地，步骤(1)中，粘结剂为松香酒精或聚乙烯醇溶液。
优选地，步骤(2)中，预置层预热的温度为150～250℃。
优选地，步骤(3)中，进行熔覆的保护气体为氩气或氦气。
优选地，步骤(3)中，进行熔覆的保护气体的流速为5～10min/L。
优选地，步骤(3)中，采用光纤激光器进行熔覆时，激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0。
在上述粉末混合物中各组分的主要作用如下：金刚石颗粒具有完整晶型，在激光熔覆后存在于熔覆层表层，构成耐磨骨架。金刚石破碎粉晶型不完整，其在激光热源作用下，发生完全石墨化形成石墨自润滑相。当金刚石颗粒添加量小于3％时，熔覆层表面耐磨性无法保证，当金刚石颗粒添加量大于10％时，熔覆合金脆性明显增大，产生裂纹。当添加金刚石破碎粉含量低于5％时，减摩性不足，而当金刚石破碎料含量高于15％时，熔覆合金硬度下降较为严重。镍作为一种性能优越的粘结相，具有良好的润湿性和强韧性。铬粉的添加进一步增加镍基合金基体的强度、硬度和耐磨性，同时还与金刚石颗粒在金刚石/基体界面形成铬碳化物，增加镍基体对金刚石颗粒的把持力。硼硅铁的添加降低熔覆合金熔点、提高熔池流动性、优化合金组织，另外以硼硅铁的形式渗硼，解决了硼难以均匀分布的难题，改善熔覆层成形。氟化锂作为造渣剂和除氢剂，改善了熔覆层成形状态和镍基体韧性。
本发明通过在粉末混合物中同时添加晶型完整的金刚石颗粒和晶型不完整的金刚石破碎粉，一方面依靠金刚石颗粒形成熔覆层表面耐磨相，另一方面依靠金刚石破碎粉在镍基体中原位生成石墨相。同时添加了镍粉作为主要粘结相，铬粉则增加基体强度以及基体与金刚石颗粒的界面结合强度，利用硼硅铁形成流动性好、有利于增强金刚石颗粒结合表面积、熔覆层成形较好的镍基耐磨合金。氟化锂也有助于熔覆层成形和韧性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明通过在粉末混合物中同时添加晶型完整的金刚石颗粒和晶型不完整的金刚石破碎粉，一方面依靠金刚石颗粒形成熔覆层表面耐磨相，另一方面依靠金刚石破碎粉在镍基体中原位生成石墨相。同时添加了镍粉作为主要粘结相，铬粉则增加基体强度以及基体与金刚石颗粒的界面结合强度，利用硼硅铁形成流动性好、有利于增强金刚石颗粒结合表面积、熔覆层成形较好的镍基耐磨合金。氟化锂也有助于熔覆层成形和韧性。熔覆合金中同时存在熔覆层表层的耐磨金刚石和镍基基体中的减摩石墨相，熔覆层成形良好，减摩耐磨性优异。
附图说明
图1是实施例1中金刚石颗粒形貌图；
图2是实施例1中熔覆合金截面微观SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
下列各实施例和对比例中所使用的硼硅铁粉中含硼量(质量分数)为5～8％，含硅量(质量分数)为20～25％，其余为铁。
实施例1
(1)金刚石颗粒的粒径选择35目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：3％金刚石颗粒、6％金刚石破碎粉、75％镍粉、6％铬粉、9％硼硅铁粉、1％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验：采用的设备为HT-1000型销－盘式磨损试验机，具体实验步骤如下：首先利用线切割切取大小为20mm×20mm×10mm块状试样，将试样进行预磨和抛光直至镜面。摩擦副选择半径为5mm的Si3N4陶瓷球，外加载荷1500g，转动半径3.5mm，转速350r/min，试验时间为45min。石墨自润滑相的面积分数由图像处理image软件统计计算。摩擦系数数据由摩擦磨损试验系统自动导出。摩擦系数μ的计算公式：μ＝F/N。摩擦系数是指两表面间的摩擦力F和作用在其一表面上的垂直力N之比值。用OLYMPUS OLS4000共聚焦激光扫描显微镜对磨痕进行观察和分析。磨损量V由下面公式得到：
V＝2πrS
其中r代表磨痕半径，S代表磨痕的横截面。利用Gwyddion2.39工具分析得出这些数据。
具体结果性能见表1。
对本实施例得到合金横截面进行扫描电镜分析，结果如图1所示。图1是实施例1中金刚石颗粒形貌图。
对本实施例得到合金横截面进行扫描电镜分析，结果如图2所示。图2是实施例1熔覆合金横截面微观SEM图。
实施例2
(1)金刚石颗粒的粒径选择60目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：10％金刚石颗粒、10％金刚石破碎粉、60％镍粉、9％铬粉、10.7％硼硅铁、0.3％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例3
(1)金刚石颗粒的粒径选择35目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：3％金刚石颗粒、15％金刚石破碎粉、65％镍粉、7％铬粉、9.5％硼硅铁粉、0.5％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例4
(1)金刚石颗粒的粒径选择45目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：5％金刚石颗粒、5％金刚石破碎粉、66％镍粉、8％铬粉、15％硼硅铁粉、1％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例5
(1)金刚石颗粒的粒径选择35目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：4％金刚石颗粒、7％金刚石破碎粉、73％镍粉、6％铬粉、9.2％硼硅铁粉、0.8％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例6
(1)金刚石颗粒的粒径选择50目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：6％金刚石颗粒、8％金刚石破碎粉、70％镍粉、6％铬粉、9.6％硼硅铁粉、0.4％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例7
(1)金刚石颗粒的粒径选择40目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：8％金刚石颗粒、9％金刚石破碎粉、62.4％镍粉、8％铬粉、12％硼硅铁粉、0.6％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
实施例8
(1)金刚石颗粒的粒径选择45目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：4％金刚石颗粒、12％金刚石破碎粉、63％镍粉、7％铬粉、13％硼硅铁粉、1％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
对比例1
(1)金刚石颗粒的粒径选择35目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：1％金刚石颗粒、10％金刚石破碎粉、70.5％镍粉、8％铬粉、10％硼硅铁粉、0.5％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
对比例2
(1)金刚石颗粒的粒径选择60目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：15％金刚石颗粒、5％金刚石破碎粉、62％镍粉、6％铬粉、11％硼硅铁粉、1％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
对比例3
(1)金刚石颗粒的粒径选择60目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：9％金刚石颗粒、3％金刚石破碎粉、66.2％镍粉、8％铬粉、13％硼硅铁粉、0.8％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
对比例4
(1)金刚石颗粒的粒径选择35目，将金刚石破碎粉分别过140目筛和200目筛，使得金刚石破碎粉粒度为140目～200目。将镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末分别过200目筛和325目筛，确保各粉末粒径为200目～325目。按照以下质量百分比：5％金刚石颗粒、18％金刚石破碎粉、60.5％镍粉、6％铬粉、10％硼硅铁粉、0.5％氟化锂。取过筛后的金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂粉末置入混粉机内，混合90min，得到混合粉末；
(2)将混合粉末预置于65Mn钢基体上，预置厚度为400μm，粘结剂为松香酒精，将金刚石颗粒均匀铺列于上述的混合粉末表层，得到预置层。
(3)将预置层预热至180℃，采用激光对预热的预置层进行激光熔覆，所选择的工艺参数范围为：激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0，保护气体为氩气，气体流速9min/L。
摩擦磨损试验同实施例1，具体结果性能见表1。
表1熔覆合金材料性能
Claims (10)
1.一种基于不同品质金刚石的镍基复合材料，其特征在于，所述镍基复合材料包括以下质量百分含量的组分：3～10％金刚石颗粒、5～15％金刚石破碎粉、60％～75％镍粉、6～9％铬粉、9～15％硼硅铁粉、0.3～1％氟化锂。
2.根据权利要求1所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料，其特征在于，所述硼硅铁粉中硼的质量分数为5～8％，硅的质量分数为20～25％，其余为铁。
3.根据权利要求1所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料，其特征在于，所述金刚石颗粒的粒径为35～60目，所述金刚石破碎粉的粒径为140～200目，所述镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂的粒径均为200～325目。
4.权利要求1-3任一项所述基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，包括如以下步骤：
(1)取金刚石破碎粉、镍粉、铬粉、硼硅铁粉、氟化锂混合得到混合粉末，将混合粉末通过粘结剂预置于钢基体上；
(2)将金刚石颗粒均匀铺列于步骤(1)的混合粉末表层得到预置层，将预置层预热；
(3)采用光纤激光器对预热的预置层进行熔覆，得到镍基复合材料。
5.根据权利要求4所述的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钢基体为65Mn钢、45钢、Q235钢或Q345钢。
6.根据权利要求4所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合粉末预置于钢基体上的厚度为300-500μm。
7.根据权利要求4所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粘结剂为松香酒精或聚乙烯醇溶液。
8.根据权利要求4所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预置层预热的温度为150～250℃。
9.根据权利要求4所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，进行熔覆的保护气体为氩气或氦气，进行熔覆的保护气体的流速为5～10min/L。
10.根据权利要求4所述的基于不同品质金刚石的镍基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用光纤激光器进行熔覆时，激光功率0.9～1.5KW，扫描速度为3～5mm/s，离焦量为0。
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