CN116024567A

CN116024567A - 一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法

Info

Publication number: CN116024567A
Application number: CN202211673039.0A
Authority: CN
Inventors: 董书山; 孙贵乾; 董俊言; 郭宇; 强毓涵; 蔡玖晟; 陈璐; 陶强; 朱品文
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明的一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法属于硬质耐磨焊接涂层材料的制备技术领域。包括金刚石表面镀Cr、配料、造粒、工件表面处理、铺料、涂层制备等步骤。本发明解决了目前金刚石应用于焊接领域所面临的问题，为金刚石功能化应用提供了新的设计方案，为新型耐磨涂层设计提供了新的思路。

Description

一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法

技术领域

本发明属于硬质耐磨焊接涂层材料的制备技术领域，涉及一种气雾化铁基合金粉末Fe-Cr-B-Si为基础母粉，以镀Cr金刚石为功能添加相，采用激光熔覆技术在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法。

背景技术

零件的表面硬度、耐磨性和耐蚀性直接影响机械使用寿命的，极端条件下工作的机械长期处于高磨损、高腐蚀、高载荷和高温度的工作环境下，例如，石油钻探、地质勘探和造纸辊扎等领域。关键零件的过快磨耗，影响机械的生产效率甚至停工停产，每年因零部件磨损给我国经济造成了巨大的损失。由于，磨损主要发生在钢制零部件的表面，解决这一问题的常用方法是通过成分与组织的设计调控提高零部件基体自身的耐磨性质，然而这种方法对耐磨性质的提升效果有限，并且改变基底的组织和成分，势必会影响基体自身的强度和韧性等本征性质，对零部件的使用造成不利影响。近年来表面堆焊技术的兴起为钢制零部件耐磨性差这一问题，提供了新的解决方案。现行的钢铁零部件在堆焊中的耐磨硬化调控主要是依靠在材料组织中通过冶金反应形成硬质碳化物或添加硬质陶瓷颗粒等技术手段在部件内部或表面形成硬质耐磨相，可以在很大程度上提高部件的表面耐磨性。与传统淬火，渗碳工艺不同，表面堆焊技术并不会以牺牲母材韧性的方式提升表面的耐磨性。尽管如此，随着机械工业机械水平不断提高，机械工作环境也由低磨损低腐蚀的环境，逐渐扩宽到高磨损、高腐蚀和高温度的环境中，这对于机械零部件的耐磨性和耐蚀性提出新的要求。目前，所采用的耐磨涂层制备材料已经很难满足现存需求，因此，开发新型或改进现有材料制备出超耐磨耐蚀的复合功能粉体是大势所趋。其中铁基合金特别是Fe-Cr-B-Si是在钢制零部件堆焊焊接制备耐磨涂层中应用最广泛的硬质合金具备成本低，强度和硬度高的优点，常被用于一些大型零部件表面的防护中。然而，在高磨损和高腐蚀的极端条件下，单一成分的Fe-Cr-B-Si粉末难以长时间的对零部件进行防护。为了解决这一问题。公开号为CN113403564A的中国专利提供了一种Cr₃C₂作为增强相提升材料耐磨性质的方法，在Fe-Cr-B-Si粉末中添加Cr₃C₂并采用超音速喷涂的方法在轧辊上成功制备出了厚度约为0.3mm的强化涂层。但是该方法中Cr₃C₂与Fe-Cr-B-Si粉末的结合性较差，长期的磨损会导致Cr₃C₂颗粒脱落形成磨粒加速对涂层和母材的磨耗。金刚石作为以强共价键结合的物质是目前自然界已知最硬的物质，以其作为增强相添加到Fe-Cr-B-Si涂层中将会极大的提高涂层硬度和耐磨性质。虽然金刚石作为硬质颗粒在加工工具领域有着广泛的应用，但作为增强相在耐磨涂层中应用研究较少。限制金刚石应用于耐磨涂层领域的主要原因是金刚石的高表面能使其无法与金属形成冶金结合，以及金刚石是碳的亚稳相在高温下极易氧化和向石墨相转变。有研究者用裸料金刚石和Ni-Cr合金混合并采用激光加工的方式在零部件表面制备了耐磨涂层，该研究表明激光处理后的金刚石-合金粉末复合涂层，由于热膨胀系数不匹配以及表面润湿性差的原因，会导致金刚石附近出现一定数量的裂纹(李时春，莫彬，王昆明，激光增材制造金刚石/Ni-Cr合金的裂纹特征，材料热处理学报，2022，43(09):176-185)，涂层中产生的裂纹将降低涂层表面硬度并降低金属基体与金刚石的结合力。且在目前研究中耐磨合金材料中添加金刚石主要以粗金刚石颗粒为主(粒度＞75μm)，在防护过程中金属基体的耐磨性质远小于金刚石，基底金属磨损过快会导致金刚石凸出基体，由于大颗粒金刚石在单位体积/单位面积内分布密度低，金刚石凸出并与摩擦对偶产生单点接触而非面接触，导致金刚石剥落或对摩擦对偶产生严重划伤和磨损。

发明内容

为了克服背景技术存在的不足，并满足工程机械发展对零部件耐磨耐蚀性的新要求要求，本发明提供一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法，有以下步骤：

1)金刚石表面镀Cr：利用化学方法在金刚石微粉表面镀覆一层金属Cr后放入真空炉中在真空度为10^-1～10^-3Torr、温度为750℃以上，保温60～120min后自然冷却至室温，得到表面镀Cr金刚石微粉；金刚石微粉的粒度≤75μm，镀覆Cr的增重量为金刚石微粉重量的10～200％；

2)配料：将粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si粉末和表面镀Cr金刚石微粉进行机械混合，得到混合粉末；其中，表面镀Cr金刚石微粉的质量份数为5％～90％，余量为Fe-Cr-B-Si粉末；

3)造粒：以聚乙烯比咯烷酮(PVP)的高纯酒精溶液为粉末粘接剂，粘接剂的质量为步骤2)所得混合粉末质量的1～3％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团；

4)工件表面处理：将目标工件基体板材表面进行砂纸打磨或喷砂处理，去除工件表面的锈蚀氧化皮层，至基体露出新鲜表面；

5)铺料：在经过处理后的基体板材上铺上步骤3)所得复合颗粒团，单次铺料厚度为0.5～2mm，铺料宽度为3～4mm，铺料长度依据工件实际需求确定，或根据激光设备及工件形状特点采用送粉机构喂料；

6)涂层制备：在铺覆粉料上端实施连续激光熔覆，激光功率为600～1400W,扫描速度为6～14mm/s，光斑直径为2～7mm；在实施连续多道焊缝重叠熔覆焊接时，相邻焊道的搭接率为30％。

作为优选，步骤2)所述Fe-Cr-B-Si粉末为市售常规气雾化粉末，其中各元素的质量组成成分为Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Ni为3～16％，余量为Fe。

作为优选，步骤3)中所用粘接剂中PVP与酒精的质量比为1:9。

有益效果：

1)镀覆铬的金刚石可以在金刚石表面形成强碳化物，隔绝空气中的氧气与金刚石接触，避免金刚石在高温下发生热损伤和氧化。

2)镀覆金刚石提升了金刚石与熔融态金属之间的润湿性，使金属基体与金刚石之间形成冶金结合而非机械把持使熔覆层硬度提升。

3)由于金刚石的高导热性在熔池内部形成温度骤降提升熔融态金属的过冷度，使晶粒发生明显细化增强涂层硬度。

4)镀覆金刚石颗粒可作为异质形核核心，与裸料金刚石相比镀覆金刚石降低了金刚石的表面能，使液体金属的形核率提升，进一步细化晶粒提升熔覆层硬度。

5)本发明所采用的金刚石均为细颗粒金刚石，单位面积/单位体积内分布浓度高，使金刚石与摩擦对偶之间接触为面接触而非点接触，有效的避免了因金刚石单颗粒凸出而造成的摩擦对偶损伤。本发明解决了目前金刚石应用于焊接领域所面临的问题，为金刚石功能化应用提供了新的设计方案，为新型耐磨涂层设计提供了新的思路。

附图说明

图1为镀铬金刚石的示意图。

图2为镀铬金刚石的XRD图片。

图3为镀覆金刚石的SEM形貌图。

图4为实施例1中添加镀Cr金刚石的复合功能粉末熔覆层的熔池断口SEM图。

图5为实施例1中添加镀Cr金刚石的复合功能粉末的熔覆层的XRD图。

具体实施方式：

使用粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末作为基础粉末原料，该粉料是公知原料，可以市售获得,其组分的重量比为：Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Ni为3～16％，余量为Fe。采用粒度小于75μm的金刚石微粉，采用公知的化学镀覆技术在金刚石表面包覆金属Cr，包覆增重量为10～200％。对包覆处理后的金刚石在真空炉中(真空度为10^-1～10^-3Torr)加热至700℃以上，保温60～120min，使金属Cr与金刚石在界面反应生成纳米碳化铬化学键合层，使镀Cr金刚石转变为“金刚石-Cr₃C₂/Cr₇C₃-Cr”的“核-壳”结构的梯度功能化复合粒子，如图1所示。

实施例1

粉末配制：称取100g粒度为10～20μm的金刚石微粉，采用化学法进行表面镀Cr处理，镀覆增重量为10％，得到总重量为110g的镀Cr金刚石，将其在真空炉(真空度为10^- ²Torr)中于750℃保温处理90min，加热结束后物料随炉冷却至室温取出，制备的表面镀Cr金刚石微粉的XRD图谱如图2所示，SEM照片如图3所示。将130g的镀Cr金刚石与890g的粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末置于三维混料机中进行混合30min，制备出耐磨涂层用功能粉末材料。

基板处理：制备尺寸为200mm×40mm×3mm的低碳钢板，对其进行表面喷砂除锈处理，至露出新鲜金属光泽。粉末铺设将混合粉末平铺到喷砂处理后的低碳钢板试件表面，铺粉的尺寸为30mm(长)×4mm(宽)×2mm(厚)。激光熔覆：采用CO₂激光焊机，在激光功率为1000W，光斑横移速度为10mm/s,光斑直径为4mm的条件下进行激光熔覆处理，在钢板表面获得具备有高硬度、高耐磨性能耐的金刚石-铁基金属焊接熔覆涂层。

SEM分析：通过对激光熔敷焊缝断口进行SEM分析(图4)，可以看出，镀覆金刚石结构完整，且与周围的金属基体间形成了良好的界面冶金结合。

XRD分析：对激光熔覆焊缝进行XRD物相结构分析测定(图5)，可以看出，金刚石在激光的高温条件下仍能保持其自身的物相结构，而没有出现氧化/石墨化损失。

涂层硬度测试：采用(HV-1000ZDT)硬度仪测得激光熔敷焊缝的显微硬度为HV1172.60，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Fe-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV642.81)提升了近2倍。

实施例2

粉末配制：称取25g粒度为20～30μm的金刚石微粉，采用化学法进行表面镀Cr处理，镀覆增重量为100％，得到总重量为50g的镀Cr金刚石，将其在真空炉(真空度为10^- ³Torr)中于750℃保温处理60min，加热结束后物料随炉冷却至室温取出。将50g的镀Cr金刚石与950g的粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末置于三维混料机中进行混合30min，制备出耐磨涂层用功能粉末材料。

基板处理：使用与实施例1相同材料、尺寸和处理工艺的钢板并将混合粉末铺到钢板上尺寸为30mm(长)×3mm(宽)×0.5mm(厚)。激光熔覆：采用CO₂激光焊机，在激光功率为1000W，光斑横移速度为14mm/s,光斑直径为3mm的条件下进行激光熔覆。测得激光熔覆焊缝的显微硬度为HV 1389.40，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Fe-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV 642.81)提升了2倍以上。

实施例3

粉末配制：称取180g粒度为30～40μm的金刚石微粉，采用化学法进行表面镀Cr处理，镀覆增重量为200％，得到总重量为540g的镀Cr金刚石，将其在真空炉(真空度为10^- ¹Torr)中于750℃保温处理60min，加热结束后物料随炉冷却至室温取出。将540g的镀Cr金刚石与60g的粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末置于三维混料机中进行混合30min，制备出耐磨涂层用功能粉末材料。

基板处理：使用与实施例1相同材料、尺寸和处理工艺的钢板并将混合粉末铺到钢板上尺寸为30mm(长)×4mm(宽)×1.5mm(厚)。激光熔覆：采用CO₂激光焊机，在激光功率为1400W，光斑横移速度为14mm/s,光斑直径为7mm的条件下进行激光熔覆。测得激光熔敷焊缝的显微硬度为HV 1242.40，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Fe-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV 642.81)提升了近2倍。

实施例4

粉末配制：称取100g粒度为10～20μm的金刚石微粉，采用化学法进行表面镀Cr处理，镀覆增重量为100％，得到总重量为200g的镀Cr金刚石，将其在真空炉(真空度为10^- ²Torr)中于850℃保温处理120min，加热结束后物料随炉冷却至室温取出。将200g的镀Cr金刚石与800g的粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末置于三维混料机中进行混合30min，制备出耐磨涂层用功能粉末材料。

基板处理：使用与实施例1相同材料、尺寸和处理工艺的钢板并将混合粉末铺到钢板上尺寸为30mm(长)×4mm(宽)×1.5mm(厚)。激光熔覆：采用CO₂激光焊机，在激光功率为600W，光斑横移速度为6mm/s,光斑直径为3mm的条件下进行激光熔覆。测得激光熔覆焊缝的显微硬度为HV 1223.78，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Fe-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV 642.81)提升了近2倍。

实施例5

粉末配制：称取100g粒度为60～75μm的金刚石微粉，采用化学法进行表面镀Cr处理，镀覆增重量为100％，得到总重量为200g的镀Cr金刚石，将其在真空炉(真空度为10^- ²Torr)中于750℃保温处理60min，加热结束后物料随炉冷却至室温取出。将200g的镀Cr金刚石与800g的粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末置于三维混料机中进行混合30min，制备出耐磨涂层用功能粉末材料。

基板处理：使用与实施例1相同材料、尺寸和处理工艺的钢板并将混合粉末铺到钢板上尺寸为30mm(长)×4mm(宽)×1.5mm(厚)。激光熔覆：采用CO₂激光焊机，在激光功率为600W，光斑横移速度为6mm/s,光斑直径为2mm的条件下进行激光测得激光熔覆焊缝的显微硬度为HV 1272.60，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Fe-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV 642.81)提升了近2倍。

Claims

1.一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法，有以下步骤：

3)造粒：以聚乙烯比咯烷酮的高纯酒精溶液为粉末粘接剂，粘接剂的质量为步骤2)所得混合粉末质量的1～3％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团；

2.根据权利要求1所述的一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤2)所述Fe-Cr-B-Si粉末为气雾化粉末，其中各元素的质量组成成分为Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Ni为3～16％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种在钢铁机械工件表面制备超耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤3)中所用粘接剂中聚乙烯比咯烷酮与酒精的质量比为1:9。