CN106011840A - 一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层及其制备方法，涉及金属表面涂层技术领域，采用非接触反应熔覆增强方法在金属表面制备特殊配方的、可与基体形成扩散冶金结合的抗冲击耐磨涂层，所述的涂层材料成分为按质量百分比为C0.8‑1.2%、B2‑3%、Si1‑2%、Cr5‑8%、Ti3‑5%、Ni3‑5%、Co3B4‑6%、WC50‑60%、Fe余量；涂层制备包括以下步骤：制备涂层材料，喷砂处理，预置涂层，预热、干燥涂层，熔覆涂层。该涂层可与基体形成扩散冶金结合的抗冲击耐磨涂层，以提升工件的使用性能及使用寿命，该方法加热速度快、对涂层材料烧损小，涂层预置简单、实用，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面涂层技术领域，特别是涉及一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
在工件表面制备高性能耐磨涂层是解决材料磨损的重要途径之一，近年来得到了迅速发展。随着现代化进程的不断推进，工程机械、设备及构件的工作条件变得日益苛刻，如水轮叶片，采掘刀具以及造纸磨浆机的磨盘等，它们不仅工作在强的腐蚀环境中，同时又不断运动、转动，承受不同介质的冲击和磨损。一般的表面处理所形成的涂层或覆层没有足够的机械强度、耐磨性和结合强度，在受到长时间冲击与机械作用后，会很快磨损，乃至剥落而失去对基材的保护作用。决定耐磨涂层性能和质量的关键因素为制备工艺和涂层材料。目前，耐磨涂层制备的主要工艺为激光、等离子和火焰等高温热源直接作用于涂层材料将其制备在金属基体表面，温度难以控制。在高温作用下，涂层耐磨相不可避免的发生分解、烧损和长大等现象，降低其耐磨性能，涂层与基体间结合强度较低，承受冲击能力差。若固定其熔覆温度，常规WC基金属陶瓷涂层，在其熔点范围内粘结相难与WC硬质相完全浸润，制备出的涂层性能较低。涂层材料种类众多，用于耐磨涂层的材料较为成熟，耐磨性能优异，但其主要用于各种静载磨损领域，抗冲击性能不高，在剧烈冲击和磨损作用下，涂层易开裂、磨损和剥落。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层及其制备方法，该涂层可与基体形成扩散冶金结合的抗冲击耐磨涂层，以提升工件的使用性能及使用寿命，该方法加热速度快、对涂层材料烧损小，涂层预置简单、实用，生产效率高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层，所述耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量组分为：C0.8-1.2%、B2-3%、Si1-2%、Cr5-8%、Ti3-5%、Ni3-5%、Co3B4-6%、WC50-60%、Fe余量，采用涂层熔覆工艺制得的。
作为优选，所述耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C1%、B2.5%、Si1.5%、Cr6%、Ti4%、Ni4%、Co3B5%、WC55%、Fe余量。
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，采用涂层熔覆工艺，包括以下步骤：
1）磨粉工序：将各组分按配比混合后置入球磨机，磨粉；
2）基体处理工序：清洗金属工件基体表面；
3）基体预涂工序：采用粘结助剂将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层；
4）预涂烘干工序：将步骤3中覆有预置涂层的金属工件进行烘干，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
5）涂层熔覆工序：将步骤4中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，空冷至室温。
作为优选，熔覆温度为1180-1250℃。
作为优选，步骤1）中球磨前涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm，置入球磨机，采用干磨方式，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末。
作为优选，步骤2）所述清洗是对金属基体表面进行喷砂处理，喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面。
作为优选，步骤3中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水，均匀混合粉末为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层。
作为优选，所述预置涂层厚度1-2mm。
作为优选，步骤4中对预置涂层的金属工件进行烘干是将覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min。
作为优选，步骤5中，非接触熔覆设备为真空炉、微波热烧结炉等可热源不直接作用于涂层的设备。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明制备的涂层组织致密，耐磨性能强，与金属基体结合强度高和抗冲击性能高。提供的制备工艺，方法简单，生产率高，成本低。本发明针对上述问题，提出采用非接触熔覆方式，热源不直接作用于涂层材料，温度可控。添加Co3B作为反应熔覆液相先驱相扩展液相区，降低涂层熔覆温度和改善液固相间浸润。采用工业硅胶均匀混合粉末层，使粉末层牢固粘结于基体表面，工业硅胶中的SiO2和添加的Ti元素，促进与涂层中B、C、Fe和Cr等元素反应相间生成复合粘结相、二元和三元硬质相，提高涂层的耐磨性和硬度。解决了碳化钨含量高导致的熔覆温度高、涂层相间浸润差和性能下降等问题。机械合金化粉末方法进一步减小金属陶瓷相与粘结相间的浸润角，提高金属陶瓷硬质相与粘结相间的浸润性，熔覆后涂层与金属基体结合强度高，组织致密，耐磨性能、显微硬度和抗冲击性能显著提高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C0.8%、B2%、Si1%、Cr5%、Ti3%、Ni3%、Co3B4%、WC50%、Fe余量。
上述抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
1）制备涂层粉末，采用雾化法制备质量比组分为：C0.8%、B2%、Si1%、Cr5%、Ti3%、Ni3%、Co3B4%、WC50%、Fe余量。
2）将粉末按配比混合后置入球磨机，采用干磨方式，进行12h球磨，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末；
3）对制备涂层金属基体表面进行喷砂处理，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面；
4）采用粘结助剂（工业硅胶）将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层，厚度1-2mm；
5）将步骤3中覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
6）将步骤3中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，调整好参数，时间2min，然后取出工件，空冷至室温。
步骤1中涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm。
步骤3中喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa。
步骤4中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水。
步骤5中，非接触熔覆设备为自制熔覆设备，熔覆温度为1180℃。
实施例2：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C0.9%、B2.2%、Si1.2%、Cr5.5%、Ti3.5%、Ni3.5%、Co3B4.5%、WC52%、Fe余量。
上述抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
1）制备涂层粉末，采用雾化法制备质量比组分为：C0.9%、B2.2%、Si1.2%、Cr5.5%、Ti3.5%、Ni3.5%、Co3B4.5%、WC52%、Fe余量。
2）将粉末按配比混合后置入球磨机，采用干磨方式，进行12h球磨，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末；
3）对制备涂层金属基体表面进行喷砂处理，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面；
4）采用粘结助剂（工业硅胶）将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层，厚度1-2mm；
5）将步骤3中覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
6）将步骤3中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，调整好参数，时间2min，然后取出工件，空冷至室温。
步骤1中涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm。
步骤3中喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa。
步骤4中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水。
步骤5中，非接触熔覆设备为自制熔覆设备，熔覆温度为1197℃。
实施例3：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C1%、B2.5%、Si1.5%、Cr6%、Ti4%、Ni4%、Co3B5%、WC55%、Fe余量；
上述抗冲击金属陶瓷耐磨涂层制备方法，包括以下步骤：
1）制备涂层粉末，采用雾化法制备质量比组分为：C1%、B2.5%、Si1.5%、Cr6%、Ti4%、Ni4%、Co3B5%、WC55%、Fe余量的粉末。
2）将粉末按配比混合后置入球磨机，采用干磨方式，进行12h球磨，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末；
3）对制备涂层金属基体表面进行喷砂处理，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面；
4）采用粘结助剂（工业硅胶）将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层，厚度1-2mm；
5）将步骤3中覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
6）将步骤3中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，调整好参数，时间3min，然后取出工件，空冷至室温。
步骤1中涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm。
步骤3中喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa。
步骤4中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水。
步骤5中，非接触熔覆设备为自制熔覆设备，熔覆温度为1215℃。
实施例4：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C1.1%、B2.7%、Si1.7%、Cr7.5%、Ti4.5%、Ni4.5%、Co3B5.5%、WC57%、Fe余量。
上述抗冲击金属陶瓷耐磨涂层制备方法，包括以下步骤：
1）制备涂层粉末，采用雾化法制备质量比组分为：C1.1%、B2.7%、Si1.7%、Cr7.5%、Ti4.5%、Ni4.5%、Co3B5.5%、WC57%、Fe余量。
2）将粉末按配比混合后置入球磨机，采用干磨方式，进行12h球磨，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末；
3）对制备涂层金属基体表面进行喷砂处理，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面；
4）采用粘结助剂（工业硅胶）将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层，厚度1-2mm；
5）将步骤3中覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
6）将步骤3中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，调整好参数，时间3min，然后取出工件，空冷至室温。
步骤1中涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm。
步骤3中喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa。
步骤4中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水。
步骤5中，非接触熔覆设备为自制熔覆设备，熔覆温度为1232℃。
实施例5：
一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C1.2%、B3%、Si2%、Cr8%、Ti5%、Ni5%、Co3B6%、WC60%、Fe余量。
上述抗冲击金属陶瓷耐磨涂层制备方法，包括以下步骤：
1）制备涂层粉末，采用雾化法制备质量比组分为：C1.2%、B3%、Si2%、Cr8%、Ti5%、Ni5%、Co3B6%、WC60%、Fe余量。
2）将粉末按配比混合后置入球磨机，采用干磨方式，进行12h球磨，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末；
3）对制备涂层金属基体表面进行喷砂处理，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面；
4）采用粘结助剂（工业硅胶）将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层，厚度1-2mm；
5）将步骤3中覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
6）将步骤3中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，调整好参数，时间3min，然后取出工件，空冷至室温。
步骤1中涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm。
步骤3中喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa。
步骤4中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水。
步骤5中，非接触熔覆设备为自制熔覆设备，熔覆温度为1250℃。
本发明所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层及其制备方法，制备的涂层均能达到的技术指标：
1）涂层与基体结合强度320-400MPa；
2）耐磨性是淬火钢耐磨性的3-4 倍；
3）硬质相显微硬度HRV 1200-14000；
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明制备的涂层组织致密，耐磨性能强，与金属基体结合强度高和抗冲击性能高。提供的制备工艺，方法简单，生产率高，成本低。本发明针对上述问题，提出采用非接触熔覆方式，热源不直接作用于涂层材料，温度可控。添加Co3B作为反应熔覆液相先驱相扩展液相区，降低涂层熔覆温度和改善液固相间浸润。采用工业硅胶均匀混合粉末层，使粉末层牢固粘结于基体表面，工业硅胶中的SiO2和添加的Ti元素，促进与涂层中B、C、Fe和Cr等元素反应相间生成复合粘结相、二元和三元硬质相，提高涂层的耐磨性和硬度。解决了碳化钨含量高导致的熔覆温度高、涂层相间浸润差和性能下降等问题。机械合金化粉末方法进一步减小金属陶瓷相与粘结相间的浸润角，提高金属陶瓷硬质相与粘结相间的浸润性，熔覆后涂层与金属基体结合强度高，组织致密，耐磨性能、显微硬度和抗冲击性能显著提高。
Claims (10)
1.一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量组分为：C0.8-1.2%、B2-3%、Si1-2%、Cr5-8%、Ti3-5%、Ni3-5%、Co3B4-6%、WC50-60%、Fe余量，采用涂层熔覆工艺制得的。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨涂层的熔覆合金材料各化学成分质量百分比组分为：C1%、B2.5%、Si1.5%、Cr6%、Ti4%、Ni4%、Co3B5%、WC55%、Fe余量。
3.权利要求1所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：采用涂层熔覆工艺，包括以下步骤：
1）磨粉工序：将各组分按配比混合后置入球磨机，磨粉；
2）基体处理工序：清洗金属工件基体表面；
3）基体预涂工序：采用粘结助剂将步骤1得到的粉末均匀混合为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层；
4）预涂烘干工序：将步骤3中覆有预置涂层的金属工件进行烘干，确保水等有机成分完全挥发，同时有效预热金属基体；
5）涂层熔覆工序：将步骤4中 的工件置入非接触熔覆设备进行涂层熔覆，空冷至室温。
4.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：熔覆温度为1180-1250℃。
5.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤1）中球磨前涂层粉末为雾化工艺制备，粒度50-80μm，置入球磨机，采用干磨方式，完全机械合金化后，得到5-8μm的混合粉末。
6.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤2）所述清洗是对金属基体表面进行喷砂处理，喷砂处理介质为白刚玉，粒径0.8-1.2mm，气压0.5-0.8MPa，除油除锈，再用酒精或丙酮清洗表面。
7.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤3中粘结助剂主要成份为SiO2，配比1：1质量的水，均匀混合粉末为膏状，涂覆在步骤2 处理后的金属工件基体表面形成预置涂层。
8.根据权利要求7所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述预置涂层厚度1-2mm。
9.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤4中对预置涂层的金属工件进行烘干是将覆有预置涂层的金属工件置入200℃干燥设备进行烘干，时间90min。
10.根据权利要求3所述的一种抗冲击金属陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤5中，非接触熔覆设备为真空炉、微波热烧结炉等可热源不直接作用于涂层的设备。
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