CN113322457B

CN113322457B - 一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母及其制备方法

Info

Publication number: CN113322457B
Application number: CN202110520196.7A
Authority: CN
Inventors: 叶芷珊; 邵佳怡; 秦加浩; 连信宇; 所新坤
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2041-05-13
Also published as: CN113322457A

Abstract

本发明公开了一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母及其制备方法。所述具有梯度涂层的高耐磨压下螺母包括压下螺母本体和经冷喷涂技术喷涂在压下螺母本体表面的梯度涂层；梯度涂层包括锰黄铜粉末和与压下螺母本体材质相同的基体钢粉末；梯度涂层中，沿涂层厚度方向由内至外，锰黄铜粉末质量占比逐渐增加，基体钢粉末质量占比逐渐减少。所述制备方法包括步骤：(1)采用冷喷涂技术在压下螺母本体表面喷涂梯度涂层；(2)对喷涂后的压下螺母进行空气气氛去应力退火热处理，退火温度500℃，保温一小时后随炉冷却，得到具有梯度涂层的高耐磨压下螺母。

Description

一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母及其制备方法

技术领域

本发明涉及压下螺母技术领域，具体涉及一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母及其制备方法。

背景技术

在压下装置中，压下螺母是十分重要的零件。其长期承受很大的压力，易磨损出现接触损伤，导致压下螺纹副间间隙增大，出现明显振动，精度下降。因此提高压下螺母寿命，在保证其强韧性的前提下提高其耐磨性，具有显著的研究意义。目前，现有的压下螺母，均是采用青钢、黄铜等单一材料进行减材制造，这类压下螺母很难兼具强韧性与耐磨性，工作中磨损严重，且减材制造产生的材料浪费严重，多余材料难以回收再利用；而已提出的解决方案中，组合式压下螺母很难保证镶套与螺母的整体性，结合强度低；增材复合制造压下螺母工艺繁复，加工效率低，不利于生产，且存在疏松隐患；激光熔覆压下螺母(如公开号为CN109797393 A的专利技术等)对设备、材料要求高，表面粗糙度大，加工效率低，实现难度大。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，使用冷喷涂技术，可在不损伤基体强韧性的情况下制作压下螺母涂层，通过配制不同组分梯度的涂层粉末使涂层组分在基体表面实现渐变，从而使涂层与基体的弹性模量匹配，保证压下螺母的整体一致性，在不降低材料强韧性的同时显著提高涂层与基体的结合强度以及最终产品的耐磨性。

一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，包括压下螺母本体和经冷喷涂技术喷涂在所述压下螺母本体表面的梯度涂层；

所述梯度涂层包括锰黄铜粉末和与所述压下螺母本体材质相同的基体钢粉末；所述梯度涂层中，沿涂层厚度方向由内至外，所述锰黄铜粉末质量占比逐渐增加，所述基体钢粉末质量占比逐渐减少。

本发明采用冷喷涂技术，喷涂加热温度低，涂层无氧化现象，被喷涂基体表面温度低，热影响小，不改变基体性质，喷涂致密性好，层间热应力小，压应力大，可制备厚涂层，涂层表面粗糙度低，免于后加工，生产难度低，效率高，工艺步骤少，操作简单，而且喷涂粉末粒子可回收重复利用，几乎无损耗浪费，材料成本低。

本发明采用梯度涂层，靠近基体部分基体钢粉末占比高，锰黄铜粉末占比低，远离基体部分基体钢粉末占比低甚至为0，锰黄铜粉末占比高甚至达100％。这种梯度涂层实现了基体到涂层的逐渐转型，保证基体与涂层之间弹性模量的匹配，显著提高结合强度。

本发明提出了带有冷喷涂技术喷制的梯度锰黄铜涂层的压下螺母，进行了性能与工艺上的优化，实现了压下螺母强韧性与耐磨性的共存，并做到了减少有色金属损失，简化加工步骤，实现弹性模量匹配以致增强基体涂层间结合力度等要求，令压下螺母可靠性与工作寿命显著提升。

在一优选例中，所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，所述锰黄铜粉末由以下质量百分数的组分组成：

所述锰黄铜粉末的粒度为20-30μm。

本发明采用上述特定组成含量的锰黄铜涂层，具有很高的耐磨性，其中Mn元素起到缩小α相区元素的作用，并对黄铜有固溶强化作用，加入1％-2％的Mn，可显著提高黄铜的强度和耐蚀性，而不降低其塑性。

在一优选例中，所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，所述基体钢粉末由以下质量百分数的组分组成：

所述基体钢粉末的粒度为20-30μm。

上述优选粒度范围的锰黄铜粉末、基体钢粉末有利于更好地进行冷喷涂，从而形成所需性能要求的涂层。

在一优选例中，所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，所述冷喷涂技术的参数条件为：以氮气为喷涂气，气体温度800～1000℃，气体压力5～5.5MPa，喷涂距离20～25mm。

冷喷涂技术利用经过高温加热的气体产生的超音速气体射流，将喷涂粒子加速，以固态形式射出撞击基体表面后发生塑性变形，粒子撞扁后与基体表面发生冶金结合，从而牢固附着于基体表面形成涂层。该技术不改变基体性质，是一种表面改性技术，可在保持基体钢强韧性的基础上，进行表面性质强化。冷喷涂技术要求粒子喷涂速度需大于其临界速度才可以形成喷涂层，临界速度一般为500～700m/s，气体压力越高，粒子喷涂速度越大，因此选用5～5.5MPa的气体压力，保证较高的粒子喷涂速度。过低的气体温度或过大的喷涂距离会使喷涂能量太低，而过高的气体温度或过小的喷涂距离易对涂层造成冲击，降低涂层结合强度，不利于涂层形成。因此选用中等偏高的气体温度800～1000℃，适中的喷涂距离20～25mm，以形成合适的涂层厚度，低孔隙率以及高结合强度，保证了涂层的质量和耐磨性。

在一优选例中，所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，所述梯度涂层的厚度为3mm。

在一优选例中，所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，所述梯度涂层包括5层厚度相同的亚层，沿涂层厚度方向由内至外的各层亚层中，所述基体钢粉末质量占比依次为80％、60％、40％、20％、0％，所述锰黄铜粉末质量占比依次为20％、40％、60％、80％、100％。

本发明还提供了所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母的制备方法，包括步骤：

(1)采用冷喷涂技术在所述压下螺母本体表面喷涂梯度涂层；

(2)对喷涂后的压下螺母进行空气气氛去应力退火热处理，退火温度500℃，保温一小时后随炉冷却，得到所述具有梯度涂层的高耐磨压下螺母。

本发明制备出的压下螺母同时具有强韧性与耐磨性，梯度涂层与基体弹性模量匹配提高整体性，冷喷涂技术喷制涂层致密，质量好，且表面粗糙度低免于后加工，满足压下螺母高压工作要求、提高压下螺母工作寿命以及工作质量的同时，简化加工步骤，工艺难度低，利于生产。

作为优选，步骤(1)中，所述压下螺母本体在进行喷涂前先进行喷砂处理。

进一步优选，所述喷砂处理采用45目细砂。

本发明的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，涂层基体间结合强度不低于280MPa，摩擦系数不大于0.06。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1、冷喷涂技术易于实现材料强韧性与耐磨性的兼具，提高压下螺母工作寿命。

2、更少的使用有色金属，而且可以回收金属粒子，减少有色金属损耗。

3、喷涂后表面粗糙度低，免于后加工，简化加工步骤，工艺难度低，利于生产。

4、梯度涂层保证弹性模量的匹配，提高整体性，增强涂层基体间结合强度。

附图说明

图1为本发明具有梯度涂层的高耐磨压下螺母的结构示意图，图中：1-压下螺母本体；2-梯度涂层；

图2为实施例1～3中的梯度涂层的局部放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。涂层基体间结合强度按GBT 8642-2002进行测试，摩擦系数按GB12444.2-90进行测试。

本发明的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母如图1所示，包括由基体钢组成的压下螺母本体1和经冷喷涂技术喷涂在压下螺母本体1表面的梯度涂层2。具体到下述实施例1～3，如图2所示，梯度涂层2沿涂层厚度方向由内至外的各亚层的组成依次为20wt％锰黄铜+80wt％基体钢、40wt％锰黄铜+60wt％基体钢、60wt％锰黄铜+40wt％基体钢、80wt％锰黄铜+20wt％基体钢、100wt％锰黄铜，共5层亚层。其中，各亚层中的基体钢组成与构成压下螺母本体1的基体钢组成相同。

实施例1

用冷喷涂设备，按一定比例混合锰黄铜粉末和基体钢粉末，对压下螺母基材进行冷喷涂。锰黄铜粉末(25μm)的成分为：Cu 60％、Mn 2％、Fe 1％、Zn余量；基体钢粉末(25μm)的成分为：C 0.55％、W 7％、Mo 5.5％、V 1.1％、Cr 4.3％、Fe余量。首先采用45目细沙对基材进行喷砂处理。然后使用氮气作为喷涂气，采用冷喷涂工艺参数：气体温度800℃，气体气压5MPa，喷涂距离25mm对基体进行冷喷涂。单层喷涂厚度0.6mm，进行多层喷涂，喷涂层数为5层，五层涂层中基体钢粉末质量含量依次为80％、60％、40％、20％、0％，锰黄铜粉末质量含量依次为20％、40％、60％、80％、100％。冷喷涂后对材料进行空气气氛去应力退火热处理，退火温度500℃，保温一小时后随炉冷却。喷涂退火后的压下螺母涂层基体间结合强度大于280MPa，摩擦系数小于0.06，同时具有强韧性和高耐磨性，涂层弹性模量匹配度高，提高了整体性，涂层致密、质量好，免于后加工，减省了加工时间，使用寿命延长，增加经济效益。

实施例2

用冷喷涂设备，按一定比例混合锰黄铜粉末和基体钢粉末，对压下螺母基材进行冷喷涂。锰黄铜粉末(25μm)的成分为：Cu 60％、Mn 2％、Fe 1％、Zn余量；基体钢粉末(25μm)的成分为：C 0.55％、W 7％、Mo 5.5％、V 1.1％、Cr 4.3％、Fe余量。首先采用45目细沙对基材进行喷砂处理。然后使用氮气作为喷涂气，采用冷喷涂工艺参数：气体温度900℃，气体气压5MPa，喷涂距离25mm对基体进行冷喷涂。单层喷涂厚度0.6mm，进行多层喷涂，喷涂层数为5层，五层涂层中基体钢粉末质量含量依次为80％、60％、40％、20％、0％，锰黄铜粉末质量含量依次为20％、40％、60％、80％、100％。冷喷涂后对材料进行空气气氛去应力退火热处理，退火温度500℃，保温一小时后随炉冷却。喷涂退火后的压下螺母涂层基体间结合强度大于280MPa，摩擦系数小于0.06。

实施例3

用冷喷涂设备，按一定比例混合锰黄铜粉末和基体钢粉末，对压下螺母基材进行冷喷涂。锰黄铜粉末(25μm)的成分为：Cu 60％、Mn 2％、Fe 1％、Zn余量；基体钢粉末(25μm)的成分为：C 0.55％、W 7％、Mo 5.5％、V 1.1％、Cr 4.3％、Fe余量。首先采用45目细沙对基材进行喷砂处理。然后使用氮气作为喷涂气，采用冷喷涂工艺参数：气体温度1000℃，气体气压5.5MPa，喷涂距离25mm对基体进行冷喷涂。单层喷涂厚度0.6mm，进行多层喷涂，喷涂层数为5层，五层涂层中基体钢粉末质量含量依次为80％、60％、40％、20％、0％，锰黄铜粉末质量含量依次为20％、40％、60％、80％、100％。冷喷涂后对材料进行空气气氛去应力退火热处理，退火温度500℃，保温一小时后随炉冷却。喷涂退火后的压下螺母涂层基体间结合强度大于280MPa，摩擦系数小于0.06。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，包括压下螺母本体和经冷喷涂技术喷涂在所述压下螺母本体表面的梯度涂层；

所述梯度涂层包括锰黄铜粉末和与所述压下螺母本体材质相同的基体钢粉末；所述梯度涂层中，沿涂层厚度方向由内至外，所述锰黄铜粉末质量占比逐渐增加，所述基体钢粉末质量占比逐渐减少；

所述锰黄铜粉末由以下质量百分数的组分组成：

所述基体钢粉末由以下质量百分数的组分组成：

2.根据权利要求1所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，所述锰黄铜粉末的粒度为20-30μm。

3.根据权利要求1所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，所述基体钢粉末的粒度为20-30μm。

4.根据权利要求1所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，所述冷喷涂技术的参数条件为：以氮气为喷涂气，气体温度800～1000℃，气体压力5～5.5MPa，喷涂距离20～25mm。

5.根据权利要求1所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，所述梯度涂层的厚度为3mm。

6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母，其特征在于，所述梯度涂层包括5层厚度相同的亚层，沿涂层厚度方向由内至外的各层亚层中，所述基体钢粉末质量占比依次为80％、60％、40％、20％、0％，所述锰黄铜粉末质量占比依次为20％、40％、60％、80％、100％。

7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的具有梯度涂层的高耐磨压下螺母的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采用冷喷涂技术在所述压下螺母本体表面喷涂梯度涂层；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述压下螺母本体在进行喷涂前先进行喷砂处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂处理采用45目细砂。