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CN106929845B - 一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法 - Google Patents

一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，属于金属表面工程技术领域。所述方法以单质粉末铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉为原料，把粉末和硬质合金球放到球磨罐中进行球磨，充分混合，再加入有机粘结剂，利用圆柱形模具，压制成棒状，得到复合材料棒，常温自然干燥后，再采用干燥箱烘干，然后利用氩弧焊机钨极产生的电弧热把复合材料棒熔覆于放置在低温槽中的金属基体表面，凝固后即得到铁基非晶和纳米晶涂层。本发明的涂层与金属基体结合良好，纳米晶颗粒分布均匀；该技术工艺简单，操作容易，设备价格低；与激光熔覆制备的非晶和纳米晶涂层相比，氩弧熔覆复合材料棒制备非晶和纳米晶涂层具有操作简单、粉末利用率高、降低生产成本等特点。

Description

一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法
技术领域
本发明属于金属表面工程技术领域，具体涉及一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法。
背景技术
材料磨损和腐蚀造成的损失高达国民经济总产值的9.5%，而通过表面工程技术在传统材料表面获得非晶和纳米晶涂层，可显著提高材料的耐磨抗腐蚀性能，其应用潜力巨大，已成为表面工程技术领域研究的热点。铁基非晶和纳米晶涂层由于具有耐腐蚀、耐气蚀、抗磨损、摩擦系数小、可加工性强、成本低等特点，广泛应用于石油、天燃气、化工、水电、核电、汽车、矿山机械、海洋工程等领域防腐、耐磨及修复。目前，制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法通常采用激光熔覆、等离子熔覆、喷涂（热喷涂、超音速喷涂）等方法，但这些方法存在设备昂贵、操作复杂等问题，导致生产成本增加，在推广应用方面受到限制。因此需要开发一种低成本、高性能的非晶和纳米晶制备方法。氩弧熔覆技术是近年来表面熔覆技术研究的热点，其电弧能量介于自由电弧和压缩电弧之间，冷却速率较快，可实行手工操作和机械操作，灵活度高。采用氩弧熔覆技术，熔化复合材料棒制备非晶和纳米晶涂层的方法，投资运行费用低，操作简单、稀释率小，形成涂层结合强度高，且能节省原材料等优点，对激光熔覆和等离子熔覆难以实现的复杂大工件的涂层制备，如高压阀阀座等产品可利用氩弧熔覆进行实现。氩弧熔覆技术制备的非晶和纳米晶涂层具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的制备成本高、涂层质量不稳定的问题，提供一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，以单质粉末铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉为原料，所述的铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉的质量份数比为（64-2X）：13：（2X+16）：3：4，其中X取1、2或3，把所有单质粉末和硬质合金球一起放到球磨罐中进行球磨，充分混合，球磨过程中利用氩气进行保护；向混合均匀的单质粉末和硬质金属球中加入有机粘结剂，有机粘结剂加入量为每100g单质粉末中加入10g有机粘结剂，利用圆柱形模具将合金粉末压制成棒状，得到复合材料棒，复合材料棒常温自然干燥后，采用干燥箱进一步烘干，干燥箱烘干温度为120~150℃，烘干时间为1~2h，然后利用氩弧焊机钨极产生的电弧热把复合材料棒熔覆于放置在低温槽中的金属基体表面，熔覆过程中利用氩气进行保护，凝固后即得到铁基非晶和纳米晶涂层。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明在低温环境下制得的涂层与金属基体结合良好，形成的纳米晶颗粒更为均匀、细小；该技术工艺简单，操作容易，设备价格低；与激光熔覆制备的非晶和纳米晶涂层相比，氩弧熔覆复合材料棒制备非晶和纳米晶涂层具有操作简单、粉末利用率高达90%以上等特点；本发明采用氩弧焊机设备作为热源，相比其他制备设备具有更低的价格优势。
附图说明
图1为本发明制备的铁基非晶和纳米晶涂层的X射线衍射图谱，2θ指的是衍射角；
图2为本发明制备的铁基非晶和纳米晶涂层与基体结合的场发射SEM（扫描电子显微镜）照片；
图3为本发明制备的铁基非晶和纳米晶涂层显微组织的场发射SEM（扫描电子显微镜）照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明的技术方案进一步说明，但并不局仅限于此，凡是对本发明的技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，以单质粉末铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉为原料，所述的铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉的质量份数比为（64-2X）：13：（2X+16）：3：4，其中X取1、2或3，把所有单质粉末和硬质合金球一起放到球磨罐中进行球磨，充分混合，球磨过程中利用氩气进行保护；向混合均匀的单质粉末和硬质金属球中加入有机粘结剂，有机粘结剂加入量为每100g单质粉末中加入10g有机粘结剂，利用圆柱形模具（采用南通达沃重工机床有限公司生产的YQ32-250t粉末成型液压机）将合金粉末压制成棒状，得到复合材料棒，复合材料棒常温自然干燥后，采用干燥箱进一步烘干，干燥箱烘干温度为120~150℃，烘干时间为1~2h，然后利用氩弧焊机钨极产生的电弧热把复合材料棒熔覆于放置在低温槽中的金属基体表面，熔覆过程中利用氩气进行保护，凝固后即得到铁基非晶和纳米晶涂层。
具体实施方式二：具体实施方式一所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，所述铁粉纯度为99.0%，粒度为325目；铌粉纯度为99.9%，粒度为500目；硼粉纯度为99.99%，粒度为180目；铬粉纯度为99.95%，粒度为325目；硅粉纯度为99.95%，粒度为300目。
具体实施方式三：具体实施方式一所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，所述球磨罐中的磨球为氧化锆，磨球的直径为10mm，球料比为20:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为5h，保护气体为高纯氩气，纯度可达99.99%。
具体实施方式四：具体实施方式一所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，所述有机粘结剂为胶水或水玻璃。
具体实施方式五：具体实施方式一所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，所述金属基体为低碳钢、中碳钢或低合金钢。
具体实施方式六：具体实施方式一所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，所述的熔覆工艺，参数为：熔覆电流：120A，熔覆速度：120mm/min，氩气流量：12L/min，低温槽温度为0℃，复合材料棒与金属基体成30°，保护气体为高纯氩气，纯度可达99.99%。
实施例1 ：
按照质量份数比取62份铁粉、13份铬粉、18份硼粉、3份硅粉和4份铌粉，总质量为50g，其中铁粉纯度为99.0%，粒度为325目，铌粉纯度为99.9%，粒度为500目，硼粉纯度为99.99%，粒度为180目，铬粉纯度为99.95%，粒度为325目，硅粉纯度为99.95%，粒度为300目；金属基体采用低碳钢。将各称量后的粉末放置于球磨机中进行混合，磨球为氧化锆，磨球的球径为10mm，球料比为20:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为5h，保护气体为高纯氩气（99.99%），将混合后的合金粉末加入有机粘结剂（水玻璃）混合成糊状后，放置于圆柱型模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔覆前将复合材料棒放入干燥箱中120℃进行烘干2h。将制成的直径为3mm、长度为300mm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔覆于放置在低温槽中的低碳钢表面，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为12L/min，低温槽温度为0℃，复合材料棒与碳钢基体成30°。检测结果表明：非晶和纳米晶涂层的物相主要由（Fe,Cr），Fe2B和Cr2B组成，涂层与基体结合良好，纳米晶颗粒均匀分布于涂层中，硬度可达HV0.21200。
实施例2 ：
按照质量份数比取60份铁粉、13份铬粉、20份硼粉、3份硅粉和4份铌粉，总质量为50g，其中铁粉纯度为99.0%，粒度为325目，铌粉纯度为99.9%，粒度为500目，硼粉纯度为99.99%，粒度为180目，铬粉纯度为99.95%，粒度为325目，硅粉纯度为99.95%，粒度为300目；基体采用低碳钢。将各称量后的粉末放置于球磨机中进行混合，磨球为氧化锆，磨球的球径为10mm，球料比为20:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为5h，保护气体为高纯氩气（99.99%），将混合后的合金粉末加入有机粘结剂（水玻璃）混合成糊状后，放置于圆柱型模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔覆前将复合材料棒放入干燥箱中120℃进行烘干2h。将制成的直径为3mm、长度为300mm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔覆于放置在低温槽中的低碳钢表面，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为12L/min，低温槽温度为0℃，复合材料棒与碳钢基体成30°。检测结果表明：非晶/纳米晶涂层的物相主要由（Fe,Cr），Fe2B和Cr2B组成，如图1所示；涂层与基体结合良好，如图2所示；纳米晶颗粒均匀分布于涂层中，如图3所示，硬度可达HV0.21320。
实施例3：
按照质量份数比取58份铁粉、13份铬粉、22份硼粉、3份硅粉和4份铌粉，总质量为50g，其中铁粉纯度为99.0%，粒度为325目，铌粉纯度为99.9%，粒度为500目，硼粉纯度为99.99%，粒度为180目，铬粉纯度为99.95%，粒度为325目，硅粉纯度为99.95%，粒度为300目；基体采用低碳钢。将各称量后的粉末放置于球磨机中进行混合，磨球为氧化锆，磨球的球径为10mm，球料比为20:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为5h，保护气体为高纯氩气（99.99%），将混合后的合金粉末加入有机粘结剂（水玻璃）混合成糊状后，放置于圆柱型模具中压制成棒状，在空气中自然干燥，熔覆前将复合材料棒放入干燥箱中120℃进行烘干2h。将制成的直径为3mm、长度为300mm的陶瓷棒，用氩弧焊机熔覆于放置在低温槽中的低碳钢表面，熔覆电流为120A，熔覆速度为120mm/min，氩气流量为12L/min，低温槽温度为0℃，复合材料棒与碳钢基体成30°。检测结果表明：非晶/纳米晶涂层的物相主要由（Fe,Cr），Fe2B和Cr2B组成，涂层与基体结合良好，纳米晶颗粒均匀分布于涂层中，硬度可达HV0.21450。

Claims (3)

1.一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，其特征在于：以单质粉末铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉为原料，所述的铁粉、铬粉、硼粉、硅粉、铌粉的质量份数比为（64-2X）：13：（2X+16）：3：4，其中X取1、2或3，把所有单质粉末和硬质合金球一起放到球磨罐中进行球磨，充分混合，球磨过程中利用氩气进行保护；向混合均匀的单质粉末和硬质金属球中加入粘结剂，粘结剂加入量为每100g单质粉末中加入10g粘结剂，利用圆柱形模具将合金粉末压制成棒状，得到复合材料棒，复合材料棒常温自然干燥后，采用干燥箱进一步烘干，干燥箱烘干温度为120~150℃，烘干时间为1~2h，然后利用氩弧焊机钨极产生的电弧热把复合材料棒熔覆于放置在低温槽中的金属基体表面，熔覆过程中利用氩气进行保护，凝固后即得到铁基非晶和纳米晶涂层；
所述铁粉纯度为99.0%，粒度为325目；铌粉纯度为99.9%，粒度为500目；硼粉纯度为99.99%，粒度为180目；铬粉纯度为99.95%，粒度为325目；硅粉纯度为99.95%，粒度为300目；
所述粘结剂为胶水或水玻璃；
所述的熔覆工艺，参数为：熔覆电流：120A，熔覆速度：120mm/min，氩气流量：12L/min，低温槽温度为0℃，复合材料棒与金属基体成30°，保护气体为高纯氩气，纯度可达99.99%。
2.根据权利要求1所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，其特征在于：所述球磨罐中的磨球为氧化锆，磨球的直径为10mm，球料比为20:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为5h，保护气体为高纯氩气，纯度可达99.99%。
3.根据权利要求1所述一种制备铁基非晶和纳米晶涂层的方法，其特征在于：所述金属基体为低碳钢、中碳钢或低合金钢。
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