CN118308716A - 一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层及其制备方法，它是通过在Ni‑Cr‑8Mo合金粉末中添加亲氮元素，利用激光熔覆设备制备出其主要物相为FCC相和σ‑CrMo相的熔覆涂层，再进行等离子渗氮处理后在熔覆涂层可以很好的与氮元素结合形成稳定的化合物，进一步提高了复合改性层的硬度及耐磨蚀性；同时引入的亲氮元素，不但可以改善涂层组织，提高涂层的强度和韧性提高渗氮层的韧性，还可以增加渗氮层深度，减少渗氮时间，降低渗氮温度，进而提高渗氮的效率。提高了复合涂层的硬度和耐磨蚀性能，延长了轴类部件在海洋环境下的服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工技术领域，特别是针对海洋环境下轴类部件在工作中磨损腐蚀失效问题，具体涉及一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层及其制备方法。
背景技术
随着海洋工程零件装备的快速发展对材料的性能需求越来越高，其中在严苛的服役环境下，很多零部件因具较低的硬度和有较差的耐磨性耐蚀性，大大的降低了工件的使用寿命，不仅造成了经济上大量损失，还伴随着不确定安全隐患问题。目前有激光熔覆、磁控溅射、等离子渗氮、气相沉积、电镀、喷涂等表面强化技术提高金属表面耐磨蚀性能的常用手段。激光熔覆与等离子渗氮复合处理技术能很好提高材料表面的耐磨、耐蚀性。比如：
中国专利授权公告号CN103882324B公开了一种防腐耐磨涂层及其涂覆方法，利用激光熔覆表面强化涂层制备，同时结合离子渗氮技术，改善熔覆层组织的不均匀性，进一步提高金属表面的硬度和耐磨，提高涂层的综合性能。
中国专利授权公告号CN108950543B提供一种导热耐磨耐疲劳模具及其制造工艺，通过喷粉式激光熔覆工艺形成耐磨耐疲劳层，并进行离子渗氮，提高了模具的表面硬度，增加模具的耐磨性能；同时导热耐磨耐疲劳层中的钛铝钼铬比铁更容易形成结合度高的氮化物，进行形成高强度的渗氮层。
但是上述专利中涂层均含有Fe元素，Fe元素虽然可以提高基体的性能，但是当氮原子浓度达到一定程度时，就会形成ε-Fe3-2N和γ′-Fe4N等脆性较大的氮化物，当受到载荷较大的摩擦时，其渗氮层会发生破裂，产生硬度较大的颗粒对零部件产生更大的破坏，同时由于其渗氮物与基体存在热膨胀系数差异导致渗氮层在内应力作用下掉落。
为了提高涂层的硬度和耐磨性，可以在涂层中引入TiC增强相，然而大量碳化物的存在导致相与附近的基体相之间形成电偶腐蚀，微观结构的不均匀降低了涂层表面钝化膜的稳定性，从而加快在含氯溶液中的腐蚀速率，降低了涂层的耐蚀性，反而会导致轴类部件在海洋环境下磨损腐蚀失效问题。另外，当TiC粉体的粒径过大时，其生长更加发达，枝晶生长方向无序，容易发生团聚，熔覆质量较差，涂层容易开裂；粒径过小则容易引起偏析严重，导致涂层性能不稳定，进而影响耐磨蚀性能。
发明内容
为解决海洋环境下轴类部件磨损腐蚀失效问题，确保轴类部件在严苛的服役环境下的正常使用，本发明提供一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层，该涂层在提高轴类部件耐磨性前提下又避免生成脆性较大的氮化物进一步提高结合力。
本发明同时提供一种制备这种复合改性涂层的方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层，其特征在于，它是通过在Ni-Cr-8Mo合金粉末中添加亲氮元素，利用激光熔覆设备制备出其主要物相为FCC相和σ-CrMo相的熔覆涂层，再进行等离子渗氮处理后得到耐磨蚀性能较好的复合改性涂层。
进一步，所述的亲氮元素包括但不限于Al、Nb和Ti。
为了制备上述具有耐磨耐蚀的复合改性涂层，本发明提供以下制备方法，具体包括下述步骤：
第一步：粉体准备
根据配比比例分别称取不同元素的合金粉末混合，其中Ni、Cr和Mo合金粉末按照Ni-Cr-8Mo配比方式占97wt％，亲氮元素也就是易渗氮的合金粉末为3wt％；
第二步：基体表面预处理
对不锈钢表面去除油污及氧化物，打磨平整；
第三步：激光熔覆
将表面预处理后的不锈钢基体进行激光熔覆，形成熔覆涂层；
第四步：等离子渗氮
将激光熔覆涂层进行表面抛光处理和超声清洗后在N2和H2混合气体气氛下进行等离子渗氮，得到渗氮层。
进一步，所述的合金粉末粒度为45～75μm。
进一步，步骤三中的铺粉厚度为2mm，宽度为10mm，熔覆层厚度为1-1.5mm；运行激光熔覆参数为：激光功率为1700W～2000W，光斑直径为3mm，扫描速率为30mm/min，搭接率为40％～50％。
进一步，步骤四中等离子渗氮的工作电压为720V，真空度为350±10Pa，渗氮温度为540℃，保温时间为8h，N2和H2的流量混合比例为1：5，得到厚度5μm-6μm渗氮层。
将制备有涂层的试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度明显提高，对试样进行摩擦磨损实验，明显改善了基体的耐磨性能；在室温下3.5wt.％NaCl溶液中进行测试，试样的腐蚀电流密度比基体大幅降低，提高了其耐蚀性能。
下面根据机理陈述本发明的有益效果：
1.本发明用亲氮元素的理论，通过激光熔覆获得涂层，在此基础上进行了等离子渗氮处理，得到了具有高耐磨耐蚀的复合改性涂层。通过在97wt％的Ni-Cr-8Mo合金粉末中添加3wt％亲氮元素，经过三维混料机充分混合粉末之后，利用激光熔覆将涂层熔覆在不锈钢基体上，实现涂层与基体之间良好的冶金结合，得到含有σ相和FCC相涂层，其中Cr、Mo元素可以使涂层中生成硬度较高的σ相，并且较多的半径更大的Mo元素会引起固溶强化，对改善涂层硬度起着促进作用；涂层经抛光后进行等离子渗氮处理，实现了对熔覆涂层的渗氮，进一步提高了复合改性层的硬度及耐磨蚀性；同时引入的亲氮元素在熔覆涂层可以很好的与氮元素结合形成稳定的化合物，不但可以改善涂层组织，提高涂层的强度和韧性提高渗氮层的韧性，还可以增加渗氮层深度，减少渗氮时间，降低渗氮温度，进而提高渗氮的效率。与传统的金属表面强化技术相比，本发明方法不但避免生成脆性较大的ε-Fe3-2N和γ′-Fe4N氮化物，而且在提高渗氮效率的同时还可以在性能较好激光熔覆涂层的基础上可以进一步提高表面硬度及耐磨耐蚀性能。
2.虽然渗氮技术可以提高钢材料之类的耐磨性能，但是在渗氮过程中容易生成脆性较大的氮化物，这是目前利用渗氮技术提高涂层性能存在的一个矛盾，本发明通过设置原料配比增大Mo合金粉末含量，同时引入亲氮元素，在克服这一矛盾同时充分发挥了渗氮技术的优势，延长了轴类部件在海洋环境下的服役寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明复合改性涂层物相组成图；
图2为本发明复合改性涂层表面硬度图；
图3为本发明复合改性涂层的磨损体积图；
图4为本发明实施例三复合改性涂层的截面图；
图5为本发明实施例三渗氮前后的涂层硬度压痕图；
图6为本发明复合改性层表面扫描图。
具体实施方式
下面根据附图和三个实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例中以在不锈钢基体上制备本发明涂层为例，摩擦磨损测试采用往复球盘式，试验条件为：室温、干摩擦，氧化铝陶瓷球作为对磨副，磨损时间为10min，磨损体积损失为：3.5×106μm3，为了具有可比性，下面实施例中的自腐蚀电流密度和耐磨性测试是在和同等试验条件下测出来的。
实施例一：
步骤一：粉体准备
激光熔覆原材料为Ni、Cr、Mo、Al合金粉末，粒度为45～75μm，根据配比方式Ni-Cr-8Mo合金为97wt％，Al金属粉末为3wt％；按照配比比例称取粉末，通过三维混料机混合处理，得到合金粉末，进行烘干；
步骤二：基体表面预处理
对不锈钢表面去除油污及氧化物，打磨平整，如果不处理直接使用，会影响熔覆质量，然后用无水乙醇脱脂，在空气中干燥。在磨削过程中，按顺序使用400、800和1200目砂纸将基体表面打磨平整备激光熔覆使用。
步骤三：激光熔覆
将表面预处理后的不锈钢基体放置于激光熔覆设备工作台上，将烘干处理后的合金粉末均匀铺展在不锈钢基体，铺粉厚度为2mm，宽度为10mm；运行激光熔覆设备，所用实验参数为：激光功率为1700W，光斑直径为3mm，扫描速率为30mm/min，搭接率为40％～50％；根据程序编写的激光扫描路径，对不锈钢基体上铺展好的合金粉末进行扫描，同时通入保护气体氩气进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成1-1.5mm的熔覆涂层，复合改性层表面扫描图见图6。
步骤四：等离子渗氮
将激光熔覆涂层进行表面抛光处理，进行丙酮超声清洗；等离子渗氮炉对试样进行工作电压为720V，真空度为350±10Pa，渗氮温度为540℃，保温时间为8h的渗氮处理，同时通入比例为1∶5的N2和H2，得到厚度3μm左右同时含有AlN和CrN化合物的渗氮层。
步骤五：硬度及摩擦磨损测试：
将试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度可达硬度1050HV0.1，对试样进行摩擦磨损实验，其磨损体积损失为2.1×106μm3，耐磨性是基体的1.3倍。
步骤六：耐蚀性测试
将试样进行冷镶嵌，研磨、抛光。在室温下3.5wt.％NaCl溶液中进行测试，试样的腐蚀电流密度比基体降低了34倍(见表一)。
实施例二：
除步骤一粉体准备，Ni-Cr-8Mo合金为97wt％，Ti金属粉末为3wt％，按照配比比例称取粉末；步骤三激光功率为2000W，光斑直径为3mm，扫描速率为30mm/min，搭接率为40％～50％，得到1-1.5mm的熔覆涂层；步骤四得到厚度5μm左右同时含有(Cr，Ti)N化合物的渗氮层；步骤五硬度及摩擦磨损测试中，硬度1260HV0.1，磨损体积损失为1.2×106μm3，耐磨性是基体的2.9倍；步骤六试样的腐蚀电流密度比基体降低了38倍，其他与实施例一相同(见表一)。
实施例三：
除步骤一粉体准备，Ni-Cr-8Mo合金为97wt％，Nb金属粉末为3wt％，按照配比比例称取粉末；步骤三激光功率为2000W，光斑直径为3mm，扫描速率为30mm/min，搭接率为40％～50％，得到1-1.5mm的熔覆涂层；步骤四得到厚度5.5μm左右同时含有NbN和CrN化合物的渗氮层；步骤五硬度及摩擦磨损测试中，硬度1322HV0.1，磨损体积损失为1.0×106μm3，耐磨性是基体的3倍；步骤六试样的腐蚀电流密度比基体降低了42倍，其他与实施例一相同(见表一)。
表一
图1是本发明三个实施例制备的复合改性层物相组成图，从图中看出，三个实施例涂层中的主要物相是σ-CrMo相和FCC相以及氮化物；当亲氮元素为Al时(实施例一)，生成的氮化物为AlN和GrN；当亲氮元素为Ti时(实施例二)，生成的氮化物为(Cr、Ti)N相；当亲氮元素为Nb时(实施例三)，生成的氮化物为NbN和GrN。
图2是为本发明复合改性涂层表面硬度图，从图2明显看出，三个实施例涂层的硬度明显高于基体，且引入Nb的效果最优，其次是Ti，最后是Al，从图3的复合改性层的磨损体积图也可以印证这一点。
图4为本发明实施例三复合改性涂层的截面图，从图中可看出经本发明方法制备的涂层的渗氮层深度可达到5.5μm左右，渗氮效率高。
比较图5涂氮前后涂层的硬度压痕图可看出，未渗氮的涂层其周围均出现了明显的裂纹，然而经过渗氮处理后压痕周围并没有裂纹的出现，压痕边缘比较平整，这是因为Al、Ti、Nb等亲氮元素，均能和氮形成稳定的化合物，同时还可以改善涂层组织，提高涂层的强度和韧性。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种具有耐磨耐蚀的复合改性涂层，其特征在于，它是通过在Ni-Cr-8Mo合金粉末中添加亲氮元素，利用激光熔覆设备制备出其主要物相为FCC相和σ-CrMo相的熔覆涂层，再进行等离子渗氮处理后得到的。
2.如权利要求所述的具有耐磨耐蚀的复合改性涂层，其特征在于，所述的亲氮元素包括但不限于Al、Nb和Ti。
3.一种如权利要求1所述的具有耐磨耐蚀的复合改性涂层的制备方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
第一步：粉体准备
根据配比比例分别称取不同元素的合金粉末混合，其中Ni、Cr和Mo合金粉末按照Ni-Cr-8Mo配比方式占97wt％，亲氮元素也就是易渗氮的合金粉末为3wt％；
第二步：基体表面预处理
对不锈钢表面去除油污及氧化物，打磨平整；
第三步：激光熔覆
将表面预处理后的不锈钢基体进行激光熔覆，形成熔覆涂层；
第四步：等离子渗氮
将激光熔覆涂层进行表面抛光处理和超声清洗后在N2和H2混合气体气氛下进行等离子渗氮，得到渗氮层。
4.如权利要求3所述的具有耐磨耐蚀的复合改性涂层的制备方法，其特征在于，所述的合金粉末粒度为45～75μm。
5.如权利要求3所述的具有耐磨耐蚀的复合改性涂层的制备方法，其特征在于，步骤三激光熔覆的铺粉厚度为2mm，宽度为10mm，熔覆涂层厚度为1-1.5mm；激光熔覆参数为：激光功率为1700W～2000W，光斑直径为3mm，扫描速率为30mm/min，搭接率为40％～50％。
6.如权利要求3所述的具有耐磨耐蚀的复合改性涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中等离子渗氮的工作电压为720V，真空度为350±10Pa，渗氮温度为540℃，保温时间为8h，N2和H2的流量混合比例为1:5，渗氮层厚度为5μm-6μm。
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2023
- 2023-12-18 CN CN202311736357.1A patent/CN118308716A/zh active Pending
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