一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法
2023-07-26 04:33:26 1
一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法。非晶納米晶塗層各元素的化學成分按重量百分比為：4%～8.82%B，6%～72%Mo，0～15%Cr，0～15%Ni,0～15%Mn,0～15%V,Fe是餘量；先採用粉末冶金工藝製備得到Fe2B-Mo2FeB2基金屬陶瓷或Mo2FeB2基金屬陶瓷的電極材料，然後對電極材料進行電火花沉積，並用惰性氣體進行保護，其流量為0.01～10L/min，沉積的工藝參數為：輸出功率為2000～8000W，輸出電壓為100～300V，沉積速率為0.5～10min/cm2。該製備方法使得電火花沉積的效率顯著提高，塗層中非晶納米晶相對含量的控制方便簡單。
【專利說明】—種基於電火花沉積的_ _晶納米晶塗層製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表面塗層的製備方法，特別涉及一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，可用於實現金屬零部件表面的強化、改性及修復與再製造，能顯著提高零部件表面的耐磨性及耐腐蝕性。
【背景技術】
[0002]表面工程技術能在材料表面製備出與基體材料不同，具有光、電、磁、熱、耐磨、耐腐蝕等特殊性能的塗層或覆層，它以最經濟、最有效的方法改變了材料表面及近表面區的形態、化學成分和組織結構，實現了材料表面的強化、改性及修復與再製造。該技術在實際生產中已得到了廣泛的應用，並創造了巨大的經濟效益。
[0003]非晶、納米晶材料憑藉其超高強度、高硬度、優異的耐磨、耐腐蝕以及良好的磁學特性等獨特而優異的性能而使它成為目前極具發展潛力的新型合金材料，但由於製備條件的限制，大塊體非晶、納米晶材料在生產實際中並未得到廣泛的應用。相比而言，非晶、納米晶塗層的製備條件較為寬鬆。目前，用於製備非晶、納米晶塗層的主流技術有超音速火焰噴塗技術、等離子噴塗技術、電弧噴塗技術以及雷射熔覆技術等。然而，一般而言，噴塗塗層都存在與基體結合以物理結合為主，結合強度不太高，塗層耐衝擊和耐重載性能較差以及塗層含有不同程度的孔隙等缺點；而雷射熔覆設備價格昂貴，維護成本及零部件價格也很高，因此該技術一般用在特殊領域，普通工業製造及維修領域難有效益。
[0004]電火花沉積工藝是利用電極材料在工件表面旋轉，在相互接觸的微小區域瞬時(10_6?10_5S)流過高密度的電流(10_5?10_6A/cm2)，由於放電能量在時間和空間上高度集中，在微小的放電區域內產生了 5000?25000K的高溫，使該區域的局部材料熔化甚至氣化，由於放電時產生的壓力，熔化的電極材料被高速的轉移到工件表面，並擴散進入到工件表層，形成冶金型牢固結合的沉積層。與其它表面技術相比，電火花沉積工藝具有如下優點:(1)能量輸入低，基本保持在室溫，熱影響區極小，因此，可以忽略其對基體的影響；(2)塗層與基體呈冶金結合且結合強度高，明顯優於熱噴塗；(3)塗層細密、一致性好；(4)僅需要少量的前處理與後處理，有時甚至不需要；(5)設備便宜且操作簡單；(6)適用原地或在線修復(設備移動性好)，這點對於大型工件或在線設備的修復非常重要；(7)在微小的放電區域內產生了 5000?25000K的高溫使電極材料的局部熔化為非晶、納米晶的形成創造了有利的條件。但是，迄今為止，電火花沉積的沉積速度慢、效率低的缺點一直未得到有效克服，其主要原因是，目前電火花沉積用電極材料絕大多數還是採用市場上易於購買的鎢鈷類硬質合金以及一些諸如TiB2、TiC之類的金屬陶瓷。沉積效率高，具有自熔性特點的電極材料一直未得到應有的重視。
[0005]另外，為了得到非晶、納米晶的複合組織，中國發明專利CN1730714A公開了一種耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶塗層及製備方法，即先利用超音速火焰噴塗製備出非晶塗層，然後利用熱處理(500?800°C下回火I?4h)方法使其轉變成非晶、納米晶的複合組織。上述方法製備的塗層具有優異的綜合性能，但是其所述的熱處理過程有如下不足之處:(I)會降低原基體材料的力學性能；(2)對於大型工件，對其熱處理設備有更高的要求；(3)設備及工序等的增加不利於企業效益的提聞。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法。
[0007]為實現上述目的，本發明採用下述技術方案:
非晶納米晶塗層的化學成分，其質量分數是，4%?8.82%B, 6%?72%Mo，O?15%Cr，O?15%Ni, O ?15%Mn, O ?15%V, Fe 是餘量。
[0008]具體製備方法如下:
A、採用粉末冶金工藝製備用於電火花沉積的電極材料，具體步驟如下:
(1)配料:以FeB粉，Mo粉，Fe粉，Mn粉，Cr粉，Ni粉，V粉和石墨為原料，配製符合下述要求的混合料,化學成分按重量百分比為:4%?8.82%B,6%?72%Mo，0?15%Cr，0?15%Ni, O?15%Mn, O?15%V, 0.1?0.9%C，餘量為Fe及不可避免的雜質元素；
(2)加成型劑:用硬脂酸鋅作為成型劑，加入量是步驟(I)已配混合料重量的0.5?1.5% ；
(3)混料:將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨；
(4)成型:將球磨好的原料壓製成需要的形狀及尺寸；
(5)燒結:將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於IXKT1MPa,燒結溫度為1150?1310°C，保溫時間為I?60min。
[0009]B、採用電火花沉積製備非晶納米晶塗層，具體步驟如下:
(1)對將用於電火花沉積的基材進行表面處理，包括除鏽，除油以及必要的車削以消除表面層裂紋；
(2)採用第(一)步驟中製得的電極材料進行電火花沉積，並用惰性氣體(氬氣或氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體)進行保護，惰性氣體的流量為0.01?10L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為2000?8000W，輸出電壓為100?300V，沉積速率為0.5?10min/cm2。
[0010]通過改變電極材料的化學成分或者改變保護性惰性氣體的流量或者兩者同時改變來調節非晶納米晶塗層中非晶與納米晶的相對含量。
[0011]所述的保護性惰性氣體的流量是0.0l?10L/min。
[0012]所述保護性惰性氣體為氬氣、氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體。
[0013]所述電火花沉積過程中，電極材料的溫度始終控制在50°C以下。
[0014]由於採用了上述技術方案，本發明提供的一種基於電火花沉積工藝的非晶納米晶塗層製備方法具有這樣的有益效果，(I)Mo2FeB2基金屬陶瓷電極材料，特別是Fe 2B-Mo2FeB2基金屬陶瓷電極材料中含有較多的(Fe2B+Fe)共晶組織，在電火花沉積放電過程中能產生更多的液相，從而顯著提高電極材料的沉積效率；(2)僅通過調整電極材料的成分和(或)保護性惰性氣體的流量就實現了對塗層中非晶、納米晶相對含量的控制，簡化了工序，節約了成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明非晶納米晶塗層的典型微觀組織圖； 圖2為本發明不同實施例下塗層的XRD圖譜，圖中從下到上的8條曲線依次是實施例1到實施例8製備所得塗層的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0016]圖1是本發明非晶納米晶塗層的典型微觀組織圖，圖中:1 一塗層，2—基體(工件)。
[0017]圖2是不同實施例中塗層的XRD圖譜，根據圖譜譜線中非晶峰與尖銳衍射峰的相對強度，可以定性的判斷出在不同實施例下塗層中非晶與納米晶的相對含量變化。
[0018]實施例1:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，Cr粉，Ni粉和石墨為原料配製成分為Fe-6.0wt%B-48.0wt%Mo-2.5 wt%Cr_3.1 wt%N1-0.5wt%C 的混合料；稱取上述混合料重量分數0.5%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X KT1MPa,燒結溫度為1250°C，保溫時間為30min。
[0019](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為8L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為3000W，輸出電壓為240V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積5min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0020]實施例2:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，Cr粉，Ni粉和石墨為原料配製成分為Fe-6.0wt%B-48.0wt%Mo-2.5 wt%Cr_3.1 wt%N1-0.5wt%C 的混合料；稱取上述混合料重量分數0.5%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X KT1MPa,燒結溫度為1250°C，保溫時間為30min。
[0021](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為0.lL/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為3000W，輸出電壓為240V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積8min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0022]實施例3:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉和石墨為原料配製成分為Fe-8.0wt%B-23.62wt%Mo_0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數0.7%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨,待球磨完成,將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X KT1MPa,燒結溫度為1210°C，保溫時間為50min。
[0023](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用體積分數各佔50%的氬氣和氦氣的混合氣體進行保護，混合氣體的流量為4L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為2500W，輸出電壓為180V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積15min後，將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0024]實施例4:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，Mn粉和石墨為原料配製成分為Fe_8.0wt%B-13.62wt%Mo-7.5wt%Mn-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數1.2%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X 1-1MPa,燒結溫度為1200°C，保溫時間為5min。
[0025](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氦氣進行保護，氦氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為4000W，輸出電壓為300V，沉積速率為lmin/cm2。電極材料每沉積13min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0026]實施例5:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，V粉和石墨為原料配製成分為Fe_8.0wt%B-33.62wt%Mo-7.2wt%V-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數1.0%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X 1-1MPa,燒結溫度為1270°C，保溫時間為50min。
[0027](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為6000W，輸出電壓為300V，沉積速率為8min/cm2。電極材料每沉積1min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0028]實施例6:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，Cr粉和石墨為原料配製成分為Fe_8.0wt%B-33.62wt%Mo-9wt%Cr-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數0.9%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X KT1MPa,燒結溫度為1290°C，保溫時間為30min。
[0029](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為10L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為4500W，輸出電壓為280V，沉積速率為6min/cm2。電極材料每沉積9min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0030]實施例7:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉，Ni粉和石墨為原料配製成分為Fe_4.5wt%B_28wt%Mo-8.5wt%N1-0.lwt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數0.75%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於
IX KT1MPa,燒結溫度為1260°C，保溫時間為45min。
[0031](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為5600W，輸出電壓為295V，沉積速率為6min/cm2。電極材料每沉積14min後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
[0032]實施例8:
(I)採用FeB粉，Mo粉，Fe粉和石墨為原料配製成分為Fe_7.5wt%B_68.5wt%Mo-0.85wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分數1.2%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓製成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於I X KT1MPa,燒結溫度為1310°C，保溫時間為55min。
[0033](2)採用上一步驟製得的電極材料進行電火花沉積，並用氬氣進行保護，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為7500W，輸出電壓為280V，沉積速率為9min/cm2。電極材料每沉積Ilmin後,將其冷卻至室溫才重新進行沉積。
【權利要求】
1.一種基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，其特徵是:所述的非晶納米晶塗層化學成分的質量分數是，4%?8.82%B, 6%?72%Mo，O?15%Cr，O?15%Ni, O?15%Mn,O?15%V，餘量是Fe，具體製備方法如下: A採用粉末冶金工藝製備用於電火花沉積的電極材料: (1)配料:以FeB粉，Mo粉，Fe粉，Mn粉，Cr粉，Ni粉，V粉和石墨為原料，按所述非晶納米晶塗層的化學成分的質量分數進行配製得到混合料； (2)加成型劑:用硬脂酸鋅作為成型劑，加入量是步驟(I)已配混合料重量的0.5?1.5% ； (3)混料:將已加入成型劑的混合料置入球磨機中球磨； (4)成型:將球磨好的原料壓製成需要的形狀及尺寸； (5)燒結:將壓制好的坯料裝入真空燒結爐中進行真空燒結，真空度高於IXKT1MPa,燒結溫度為1150?1310°C，保溫時間為I?60min ;得到的電極材料為？^^0和82基金屬陶瓷或Mo2FeB2基金屬陶瓷； B、採用電火花沉積製備非晶納米晶塗層，具體步驟如下: (1)對將用於電火花沉積的工件進行表面處理，包括除鏽，除油，如果表面有裂紋，則需進行車削以消除裂紋層； (2)採用第A步驟中製得的電極材料進行電火花沉積，並用惰性氣體進行保護，沉積的具體工藝參數為:輸出功率為2000?8000W，輸出電壓為100?300V，沉積速率為0.5?1min/cm2。
2.根據權利要求1所述的基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，其特徵是:通過改變電極材料的化學成分或者改變保護性惰性氣體的流量或者兩者同時改變來調節非晶納米晶塗層中非晶與納米晶的相對含量。
3.根據權利要求2所述的基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，其特徵是:保護性惰性氣體的流量是0.01?10L/min。
4.根據權利要求1或3所述的基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，其特徵是:所述保護性惰性氣體為氬氣、氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體。
5.根據權利要求1所述的基於電火花沉積的非晶納米晶塗層製備方法，其特徵是:所述電火花沉積過程中，電極材料的溫度始終控制在50°C以下。
【文檔編號】C22C45/02GK104513947SQ201410841146
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月30日 優先權日:2014年12月30日
【發明者】陳志國, 魏祥, 黃奇勝 申請人:湖南人文科技學院