一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法
2023-06-08 21:52:11 1
專利名稱：一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種電接觸表面強化加工技術，具體為一種利用接觸電能在金屬基體表面熔覆合金粉末塗層的表面強化方法，屬於材料表面強化技術領域。
背景技術：
磨損是金屬構件的主要失效形式之一，在各個工業部門，許多機械裝置在其正常使用過程中，表面間會經常發生接觸、衝蝕等等，造成模具表層一定程度的磨損、剝落，久而久之，構件會因過度磨損、接觸疲勞而失效。當前解決方法之一是在金屬構件表面製備一層強化塗層以提高其耐磨損性能。製備強化塗層的方法很多，如雷射塗覆、熱噴塗等高能量密度熱源在表面強化技術方面的研究與應用，但是這些技術都存在著一定程度不足。熱噴塗的塗層與基體為機械結合，結合強度不高。雷射塗覆雖然可以達到冶金結合，但是塗層內容易形成裂紋，表面質量不高，還需進一步進行後續表面處理，而且還要考慮表面對雷射能量的吸收效率的問題。針對塗層與基體材料結合強度不高的問題，專利號為200810203166.8的中國專利公開一種提高塗層與工件結合力的電接觸強化裝置和方法。這種方法的原理就是使大脈衝電流通過強化塗層與電極之間，金屬表面塗層在電極壓力作用下利用接觸電阻流經脈衝電流時產生的熱量使塗層與基體發生熔融擴散以達到冶金結合的目的。這種專利技術可以提高熱噴塗後的塗層與金屬基體的結合方式。但以塗層製備方法角度看，採用熱噴塗方式，有些塗層粉末材料在重複熱影響過程中容易發生晶粒長大或氧化脫碳，使塗層性能降低，而且噴塗過程中噪音較大，粉塵汙染大。這種方法操作也不夠簡便，塗層粉末浪費嚴重，成本較高。
發明內容
本發明所要解決的問題是:塗層粉末材料在噴塗過程中的性能降低、熱噴塗方法不夠簡便、過程噪音大並且塗層粉末浪費嚴重，成本較高。為了解決上述問題，本發明提供一種在金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟:I):對金屬表面進行粗化、清潔去垢的預處理；2):採用機械攪拌法將塗層粉末材料與粘結劑漿液製成預塗覆層的液態塗料；3):將步驟2)製得的液態塗料預置在金屬表面形成預塗覆層；4):電接觸強化預塗覆塗層:在壓力的作用下，以電接觸熱將預置的塗覆層熔覆在金屬表面，最終在基體表面製備獲得高硬度、高耐磨性的塗層。優選地，所述步驟2)中的塗層粉末材料為碳化鎢類硬質合金粉末。優選地，所述步驟2)中的粘結劑漿液的溶質為醋酸纖維素和羧甲基纖維素鈉中的任意一種或兩種；溶劑為乙二醇、丙酮、乙醇和蒸餾水中的任意一種或幾種。優選地，所述步驟3)具體為:用空氣噴槍將液態塗料噴覆在所述的金屬基體表面形成預塗覆層；預塗覆層形成後，直接強化或加熱乾燥後強化。電接觸熔覆技術是直接利用電能的高密度能量對金屬的表面進行塗層熔覆處理的工藝，該技術成本投入低，塗層與基體結合良好，並且由於強化時接觸壓力的存在，可以減少塗層內部的缺陷、提高塗層的緻密度及表面質量，獲得高質量的塗層，進一步達到提高硬度和耐磨性、耐蝕性的目的。金屬表面通過電接觸熔覆塗層後，在金屬表面形成三種與金屬基體不同的金相組織，由表及裡為白亮層、過渡層、熱影響區、基體。其中白亮層為塗層；與白亮層靠近的是過渡層，它是塗層中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中，然後迅速冷卻硬化而成；熱影響區主要是由於電接觸加熱的高溫在金屬基體的溫度梯度的影響作用，使金屬基體的原始組織受到不同溫度的影響造成的。本發明採用塗層預噴覆的方法替代熱噴塗，操作工藝簡單，有效降低了噪音及粉塵汙染，而且粉末可回收利用，降低了粉末的浪費。電接觸強化後獲得的塗層內部缺陷少、表面質量好，結合性能優，達到提高金屬表面硬度、耐磨性、耐蝕性的目的。本發明的有益效果為:1.本發明工藝簡單，成本低，粉末利用率高，製備塗層強化效果好，塗層的顯微硬度高，並且強化層表面光潔、無裂紋，強化顆粒在塗層中分布均勻，強化塗層與基體呈冶金
結合 2.本發明採用的粘結劑與相對應的溶劑配比，可以使塗層粉末混合的更加均勻，形成混合均勻的液態塗料。在獲得同樣性能的塗層的同時，進一步簡化了操作，而且粉末可回收利用，減少了粉末材料的浪費。3.本發明採用空氣噴槍將粉末懸濁液噴覆在金屬基體表面，可以得到表面光潔、粉末顆粒分布均勻的預塗覆塗層。4.本發明採用電接觸強化的方法製備塗層。接觸電阻熱可瞬時提供高能量，達到反應所需的溫度，由於強化過程中存在接觸壓力，可以降低塗層內部孔洞、空隙等缺陷，使塗層更加緻密，並且提高塗層表面質量。同時由於冷卻速度快，會使塗層顆粒及反應產物的晶粒來不及長大，細化塗層晶粒，提高塗層性能。
圖1為實施例1的強化塗層橫截面的光學顯微鏡圖；圖2是實施例1的塗層粉末材料與強化塗層表面的XRD分析圖；圖3是實施例1的強化層橫截面的硬度分析圖；圖4是實施例1的強化層表面磨損量隨時間變化的分析圖；圖5是實施例1的強化層表面磨損量隨載荷變化的分析圖
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。實施例1一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，包括如下步驟:(I)對金屬表面進行粗化、清洗去垢的預處理，其中金屬基體採用球墨鑄鐵QT600-3,基體組織為鐵素體、珠光體；(2)採用機械攪拌法製備塗層材料與粘結劑漿料的液態塗料:將0-30克醋酸纖維素(CAS號:9004-35-7，國藥集團化學試劑有限公司)、0_40克羧甲基纖維素鈉(CAS號:9004-32-4，國藥集團化學試劑有限公司)、0-100ml乙二醇(CAS號:107-21-1，國藥集團化學試劑有限公司)、0-250ml丙酮(CAS號:67_64_1，國藥集團化學試劑有限公司)、0_100ml乙醇(CAS號:64-17-5，國藥集團化學試劑有限公司)與0-150ml蒸餾水攪拌混溶，得到粘結劑漿料，粘度為300-500mPa-s ;粉末塗層材料採用WC-12% Co粉末(廈門金鷺特種合金有限公司，粉末粒度為 15-45 μ m，元素含量為 12.09wt.% Co,0.37wt.% Fe,5.18wt.% C)；將塗層粉末與含有粘結劑溶液進行機械攪拌混合待用；(3)將上述粉體漿料預置在金屬表面:用空氣噴槍將上述懸濁液噴覆在金屬基體表面，預塗覆層厚為0.3mm,由於所配粘結劑漿料的特有性能，剩餘粉末可回收再利用，減少了粉末的浪費與環境汙染，粉末利用率高；(4)電接觸強化預塗覆塗層:以電接觸熱能作為熱源加熱金屬基體表面，預置的混合粉末塗層在高溫和電極壓力的環境中發生快速的熱壓燒結過程，最終在基體表面製備獲得緻密、均勻、缺陷少的WC-Co塗層。電接觸強化過程實驗裝置採用專利號為200810203166.8的中國專利公開的電接觸強化裝置，本實施例強化工藝參數為:電接觸強化電流I = 19kA，工件轉動速度ω = lOOs/r，接觸壓力F = 700N。電接觸表面熔覆WC-Co塗層後，對試樣進行線切割，然後對試樣橫截面進行預磨、拋光、腐蝕，觀察塗層橫截面的組織變化(Axiovert 200型光學顯微鏡，Carl Zeiss,German)並測試塗層的物相變化(D/Max-2550PC X射線衍射儀，Tigaku，Japan)和硬度分布(HXS-1000A型顯微硬度計，加載載荷500gf，加載時間10s，上海光學儀器廠)，最後對塗層表面的滾動磨損性能進行分析(MJP-20型滾動磨損試驗機，試樣轉速為200r/min，加載載荷為200-500N，每半小時清洗乾燥後採用TG328B型電子天平稱重，濟南竟成測試測試技術有限公司)。圖1為球墨鑄鐵表面電接觸強化WC-Co塗層橫截面的金相圖片。球墨鑄鐵原始組織為珠光體，鐵素體和石墨。電接觸熔覆WC-Co塗層後，在金屬表面形成三種與金屬基體不同的金相組織，由表及裡為白亮層、過渡層、熱影響區。其中白亮層為WC-Co塗層，由於溫度與壓力的同時作用，塗層內部顆粒分布均勻緻密；白亮層下方是過渡層，它是塗層中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中，然後迅速冷卻硬化而成，塗層內的元素與基體元素發生冶金化合反應形成網狀碳化物將塗層釘軋在基體上，大大提高塗層與基體的結合性能；熱影響區主要是由於電接觸加熱的高溫對金屬基體的溫度梯度的影響作用，使金屬基體的原始組織受到不同溫度的影響造成的，從圖中可以看出靠近塗層的基體發生固相反應，生成馬氏體組織，而石墨周圍則形成硬質球殼。說明電接觸熔覆可以使金屬表面形成一層緻密的塗層，而且塗層與基體為冶金結合。圖2為WC-Co粉末和電接觸熔覆WC-Co塗層的XRD物相分析，可以清晰看出，塗層內部出現了(C0，Fe)、(C0，W)、(Fe，W)相， 而塗層內新相的生成說明塗層內部顆粒與顆粒間的結合力增強。圖3為電接觸熔覆WC-Co塗層內部硬度分布圖，從圖中可以看出電接觸熔覆WC-Co塗層的平均硬度可以達到IIOOHVa5,硬度分布較均勻。說明電接觸熔覆WC-Co塗層的硬度性能較好。圖4、圖5分別為強化塗層表面磨損失重與加載載荷、磨損時間之間的關係。從磨損失重與加載載荷、磨損時間之間的關係中可以看出電接觸熔覆WC-Co塗層後表面磨損失重明顯減少，說明電接觸表面熔覆塗層可以明顯改善金屬基體表面的耐磨性能。實施例2一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，包括如下步驟:(1)對金屬表面進行粗化、清洗去垢的預處理，其中金屬基體採用白口鑄鐵。(2)採用機械攪拌法製備塗層材料與粘結劑漿料的混合物:將0-30克醋酸纖維素、0-40克羧甲基纖維素鈉、O-1OOml乙二醇、0_250ml丙酮、O-1OOml乙醇與0_150ml蒸懼水攪拌混溶，得到粘結劑漿料，粘度為300-800mPa-s ;粉末塗層材料採用WC-12% Co粉末；將塗層粉末與含有粘結劑漿料進行機械攪拌混合待用；(3)將上述粉體漿料預置在金屬表面:用空氣噴槍將上述懸濁液噴覆在金屬基體表面，預製塗層厚度為0.5mm ；(4)電接觸強化預塗覆塗層:以電接觸熱能作為熱源加熱金屬基體表面，預置的混合粉末塗層在高溫和電極壓力的環境中發生快速的熱壓燒結過程，最終在基體表面製備獲得緻密、均勻、缺陷少的WC-Co塗層。電接觸強化過程實驗裝置採用專利號為200810203166.8的中國專利公開的電接觸強化裝置，強化工藝參數為:電接觸強化電流I=17kA，工件轉動速度 ω = 90s/r，接觸壓力F = 500N。實施例3—種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，包括如下步驟:(1)對金屬表面進行粗化、清洗去垢的預處理，其中金屬基體採用45鋼。(2)採用機械攪拌法製備塗層材料與粘結劑漿料的混合物:將0-30克醋酸纖維素、0-40克羧甲基纖維素鈉、O-1OOml乙二醇、0_250ml丙酮、O-1OOml乙醇與0_150ml蒸餾水攪拌混溶，得到粘結劑漿料，粘度為300-500mPa.s ;粉末塗層材料採用自製的納米WC-1 —4% MgO-1 % Co (wt % )粉末(WC [CAS 號:12070-12-1]、MgO [CAS 號:1309-48-4]、Co[CAS號:7440-48-4]，均為國藥集團化學試劑有限公司生產，對粉末進行機械力活化的設備為南京大學儀器廠生產的QM-1SP4行星式球磨機，球磨時間為50小時)，粒度為105nm ;將塗層粉末與粘結劑漿料進行機械攪拌混合待用；(3)將上述粉體漿料預置在金屬表面:用空氣噴槍將上述懸濁液噴覆在金屬基體表面，預製塗層厚度為0.5mm ；(4)電接觸強化預塗覆塗層:以電接觸熱能作為熱源加熱金屬基體表面，預置的混合粉末塗層在高溫和電極壓力的環境中發生快速的熱壓燒結過程，最終在基體表面製備獲得緻密、均勻、缺陷少的塗層。電接觸強化過程實驗裝置採用專利號為200810203166.8的中國專利公開的電接觸強化裝置，強化工藝參數為:電接觸強化電流I = 25kA，工件轉動速度ω = 110s/r，接觸壓力F = 600N。實施例4一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，包括如下步驟:(1)對金屬表面進行粗化、清洗去垢的預處理，其中金屬基體採用45鋼。(2)採用機械攪拌法製備塗層材料與粘結劑漿料的混合物:將0-30克醋酸纖維素、0-40克羧甲基纖維素鈉、O-1OOml乙二醇、0_250ml丙酮、O-1OOml乙醇與0_150ml蒸餾水攪拌混溶，得到粘結劑漿料，粘度為300-500mPa.s ;粉末塗層材料採用自製的納米WC-1 —4% Al2O3 (wt % )粉末(WC [CAS 號:12070-12-1]、Al2O3 [CAS 號:1344-28-1]，均為國藥集團化學試劑有限公司生產，對粉末進行機械力活化的設備為南京大學儀器廠生產的QM-1SP4行星式球磨機，球磨時間為50小時)；將塗層粉末與粘結劑漿料進行機械攪拌混合待用；(3)將上述粉體漿料預置在金屬表面:用空氣噴槍將上述懸濁液噴覆在金屬基體表面，預製塗層厚度為Imm;
(4)電接觸強化預塗覆塗層:以電接觸熱能作為熱源加熱金屬基體表面，預置的混合粉末塗層在高溫和電極壓力的環境中發生快速的熱壓燒結過程，最終在基體表面製備獲得緻密、均勻、缺陷少的塗層。電接觸強化過程實驗裝置採用專利號為200810203166.8的中國專利公開的電接觸強化裝置，強化工藝參數為:電接觸強化電流I = 20kA，工件轉動速度ω = 90s/r，接觸壓力F = 800N。
權利要求
1.一種在金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 1):對金屬表面進行粗化、清潔去垢的預處理； 2):採用機械攪拌法將塗層粉末材料與粘結劑漿液製成預塗覆層的液態塗料； 3):將步驟2)製得的液態塗料預置在金屬表面形成預塗覆層； 4):電接觸強化預塗覆塗層:在壓力的作用下，以電接觸熱將預置的塗覆層熔覆在金屬表面，最終在基體表面製備獲得高硬度、高耐磨性的塗層。
2.根據權利要求1所述的在金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)中的塗層粉末材料為碳化鎢類硬質合金粉末。
3.根據權利要求1所述的在金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)中的粘結劑漿液的溶質為醋酸纖維素和羧甲基纖維素鈉中的任意一種或兩種；溶劑為乙二醇、丙酮、乙醇和蒸餾水中的任意一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的在金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)具體為:用空氣噴槍將液態塗料噴覆在所述的金屬基體表面形成預塗覆層；預塗覆層形成後，直接強化或加 熱乾燥後強化。
全文摘要
本發明公開了一種金屬表面電接觸強化塗層的製備方法，其特徵在於，包括對金屬表面進行粗化、清潔預處理；塗覆材料選用耐磨耐腐蝕的粉末材料；將粘結劑漿料與塗層粉末材料製備成液態塗料，並噴覆在金屬表面；採用電接觸強化裝置強化上述預塗覆層。本發明使用電接觸強化技術對金屬表面進行塗層熔覆處理，可在金屬表面獲得表面質量好、內部缺陷少、高硬度、高耐磨性、耐腐蝕的塗層，可提高工件的使用壽命。採用液態塗料的預塗覆方法製備預塗覆層，提高了粉末利用率，簡化了操作，節約了成本，有利於工業推廣及應用。
文檔編號C23C24/10GK103114285SQ20121058779
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者朱世根, 齊小犇, 朱正坤, 韓志兵 申請人:東華大學