CN108728785A - 一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法。该方法包括以下步骤：第一步，将组分的粉料按照以下配比混合，其中，Cr为15％～18％、B为2％～3％、Si为2％～4％、Mn为1.5％～2.5％、Nb为4％～8％，余量为Ni，所述的百分比均为质量百分比，粉末粒度为25～50μm；第二步，(1)首先将基体进行调质处理；(2)喷砂预处理基体表面；(3)对经过喷砂处理的基体进行等离子喷涂；(4)对覆盖有镍铬硼硅铌涂层进行重熔处理：采用高频感应加热设备进行感应加热，最终得到镍铬硼硅铌合金耐磨重熔涂层。本发明改变了涂层与基体的结合形式，有利于结合强度的提高；涂层中Nb2C等硬质相的析出显著提高了涂层的磨损寿命。

Description

一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面涂层技术领域，具体为一种镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金耐磨涂层的制备方法。本发明通过感应重熔加热处理，改变了涂层与基体的结合形式，有利于结合强度的提高；涂层内部出现许多硬质相如Nb2C等，提高了涂层的硬度；涂层的耐磨性能得到大幅度提高，可以有效得提高工件的磨损寿命，因此本发明主要应用于机械化工、钢铁冶金、矿山开采等领域。
背景技术
工件的表面磨损是造成工件失效的最主要原因之一，每年因磨损失效造成的经济损失在国民经济中都占据很大的比例，因此一些表面强化手段比如表面淬火、镀膜、渗碳渗氮、热处理、热喷涂等方法应运而生，但相比较各种表面强化方式，热喷涂简单、成本低，在石油、化工、矿山、水利工程等领域等的应用比较多，涂层材料可以根据环境特征合理设计，这对于重载荷、高强度、冲击等苛刻条件下工作的工件比如轴承、机床导轨、抽油光杆等来说，它们表面的磨损性能要很高才能满足要求，但是一般情况下，这些工况下服役的工件，仅仅靠热喷涂的方式改善其表面的磨损性能，效果也相对有限，一些不必要的资源浪费也在所难免、提高成本的同时也可能存在安全隐患。
在材料表面制备耐磨涂层可以有效得保护工件表面，低成本、方便、高效，而且还可以应用于石油、化工等机械零件的表面防护与再制造修复。此时涂层作为零部件的保护或修复层，成为承载的表面，因此涂层的性能是决定服役寿命的关键。很多工件的失效就是由磨损造成的。所以一种有效制备耐磨涂层的方法是提高工件服役寿命的关键。
因此，对涂层组分的选择以及对应的喷涂和重熔工艺成为了关键。镍铬硼硅(NiCrBSi)涂层因为其具有良好的耐磨损耐腐蚀耐疲劳等优异的性能而被广泛采用，该涂层通过组分中含有的Fe和C元素来实现涂层中形成硬质相等目的。但该方法形成的硬质相脆性大且使涂层的腐蚀性能和疲劳性能下降等不足，而且涂层在制备过程中需要用Ni/Al打底层，使工艺复杂，成本增加。
发明内容
本发明的目的是针对当前涂层技术中存在的不足，提供一种镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金耐磨涂层的制备方法。该方法是在普遍使用的NiCrBSi粉末的基础上做了改变，去除Fe和C元素，加入Nb和Mn元素，并且调整了涂料的配比，并利用超音速等离子喷涂和感应重熔的方法制备了镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金耐磨涂层，并原位析出Nb2C强化相。本发明改变了涂层与基体的结合形式，有利于结合强度的提高；涂层中Nb2C等硬质相的析出显著提高了涂层的磨损寿命。
本发明的技术方案为：
一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
第一步，配制用于等离子喷涂的粉末：
将组分的粉料混合，经合金化处理，得到镍铬硼硅铌粉末；
其中，粉末粒度为25～50μm；各组分质量所占物料质量之和的百分比为：Cr为15％～18％、B为2％～3％、Si为2％～4％、Mn为1.5％～2.5％、Nb为4％～8％，余量为Ni，
第二步，制备镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层
(1)首先将基体进行调质处理；
(2)喷砂预处理基体表面；
(3)对经过喷砂处理的基体进行等离子喷涂；其中，镍铬硼硅铌粉的送粉口位置距离喷嘴120～150mm；喷涂电压130V，喷涂电流351A，H2气流量为12～13L/min，送粉气体为Ar气，送粉气流量为130～140L/min；得到厚度为300～400微米镍铬硼硅铌涂层；
(4)对覆盖有镍铬硼硅铌涂层进行重熔处理：采用高频感应加热设备进行感应加热，加热线圈内径为70mm，距离外径60mm的圆环外表面涂层距离为5mm，加热过程手动控制；
其中，镍铬硼硅铌粉的重熔电流为800～850A，加热功率为13～15kw,加热时间为35～45s，最终得到镍铬硼硅铌合金耐磨涂层。
所述的基体为碳素钢或者合金钢。
所述的调质处理步骤具体为：首先进行随炉加热，淬火温度为840～860℃，采用油淬的方式，然后进行高温回火处理，回火温度保持在635～655℃，保温时间为90分钟，冷却后得到调质处理的基体。调质处理后洛氏硬度值为21～32HRC。
所述的表面喷砂后基体表面粗糙度(Ra)为3.2～6.4μm。
所述的单质Ni、Cr、Mn、Nb的纯度为99％，单质B、Si的纯度为99.99％。
本发明的实质性特点为：
本发明加入了常规热喷涂NiCrBSi粉末中没有的Nb和Mn元素，加入量分别为Nb1.5％～2.5％，Mn 4％～8％，而且去除了商用NiCrBSi喷涂粉末中的Fe和C元素；同时改变了涂层与基体的结合形式，由原始态喷涂层的机械结合改变为冶金结合，这对于重熔层和基体之间的界面结合是非常有利的。通过加入Mn元素，实现了Mn和Si协同脱氧作用，降低了涂料在喷涂和重熔过程中氧化烧损的几率，并且重熔过程中不需要通入惰性气体或者添加其他保护手段，依然能够保证形成光亮的重熔层表面；通过加入Nb元素，实现了重熔过程中增强相Nb2C的原位生成，解决了强化相与涂层界面热力学上不稳定的问题，有利于提高增强相与涂层界面的结合能力；Nb为强碳化物形成元素，形成硬质相的能力比较强，因此Nb元素的加入能够大幅度提高涂层的硬度和抗磨损的能力。感应重熔能够最大程度得减小对基体的热输入，而且感应重熔有利于元素的扩散，对新相的形成非常有利。
本发明的有益效果为：
本发明自主设计的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末，具有优良的耐磨性能；与现有的镍铬硼硅(NiCrBSi)涂层相比较，本发明是由超音速等离子喷涂和感应重熔制备而得到的耐磨涂层，不仅涂层内部致密，孔隙率较低，而且涂层与基体结合紧密。与常规的等离子喷涂相比，优点具体体现在：
其界面的结合形式发生改变，由机械结合转变为冶金结合，结合强度得到大幅度提高；硬度是喷涂层的1.4～1.6倍，磨损性能是喷涂层的5～6倍。由于这种镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金耐磨涂层的制备方法不需要Ni/Al打底层，使得喷涂工艺简单。
附图说明
图1、图2为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层和重熔层的界面结合处SEM图片；其中，图1为喷涂层界面结合处SEM图片，图2为重熔层界面结合处SEM图片；
图3为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层和重熔层硬度曲线；
图4为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层的XRD；
图5为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)重熔层的XRD；
图6为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层和重熔层的摩擦系数曲线；
图7为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层和重熔层的磨损体积图；
图8为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)喷涂层的表面磨损形貌图片；
图9为实施例1中的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)重熔层的表面磨损形貌图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例1采用镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末是按照下面表中的成分比例，将纯度为99％的单质Ni、Cr、Mn、Nb，和纯度为99.99％的单质B、Si，混合后通过高能球磨进行合金化处理，得到的合金粉末，即25～50μm的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉。
表1 NiCrBSiNb的化学成分(质量分数，％)
Ni、Cr、Mn、Nb纯度为99％，B、Si纯度为99.99％。
其主要步骤包括：对45钢基体进行调质处理→基体45钢喷砂处理→送入起弧离子气体→喷涂设备送电→等离子喷枪起弧→向等离子流中送入喷涂用金属自熔合金粉末对工件表面进行喷涂形成镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金层→重熔涂层得到镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)重熔层。本方法能有效地制备高结合强度、高耐磨性能的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层，制备涂层厚度为400μm。
镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层的制备
第一步，镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)原料的配置
按照以上配比称量各组分原料，混合以后合金化处理，得到镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末，备用。
第二步，镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层的制备
(1)对45钢基体进行调质处理：首先进行随炉加热，淬火温度为840～860℃，采用油淬的方式，然后进行高温回火处理，回火温度保持在635～655℃，保温时间为90分钟，冷却后得到调质处理的基体。调质处理后洛氏硬度值为21～32HRC。
(2)喷刚玉砂处理45钢的表面，使得基体表面粗糙度(Ra)为3.2～6.4μm；
(3)喷涂设备送电→送入等离子气体→喷枪起弧；
(4)向等离子焰内送粉，喷涂镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)自熔合金粉，制备400μm镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层；
(5)对制备好的涂层进行重熔处理，使得涂层与基体的结合强度高。喷砂、喷涂和重熔参数如表2：
表2喷砂、喷涂、重熔工艺参数
重熔设备为SP-25AB高频感应加热设备。
由图1和图2对比可知涂层经过重熔后，重熔层的界面结合形式发生了改变，由喷涂层的机械结合变为重熔层的冶金结合。相比于喷涂层，重熔层中没有了明显的界面分离线，而且重熔层在界面附近出现了一定宽度的元素扩散层，有利于界面结合强度的提高。
由图3对比可知涂层经过重熔后，重熔层的硬度较喷涂层提高了1.4～1.6倍，有利于提高重熔层的磨损性能；而且重熔层的硬度变化在界面处有明显的梯度变化，不同于喷涂层界面处硬度的陡降变化，这是由于基体和涂层之间的元素互相扩散，形成了一定宽度的扩散带，硬质相对界面附近硬度的变化起到了决定性作用，并且随着扩散距离的增加，硬质相数量逐渐减少，最终形成了硬度变化缓降的趋势。这对于重熔层的界面结合是非常有利的。
对比图4喷涂层与图5重熔层的XRD图可以看出，重熔层的物相比喷涂层明显增多，有Nb2C、Cr7C3、Ni3B、Fe3C等新的硬质相产生，而且CrB等主要的硬质相的数量重熔之后也有所增加，因此硬质相对表面的支撑作用提高，这对重熔层的磨损性能是有利的。
由图6可知重熔层的摩擦系数低于喷涂层并且稳定。由图7可知，重熔层的磨损体积仅仅是喷涂层1/5，磨损体积明显减小。这两者均有效得说明重熔层的磨损性能优于喷涂层的。
由图8可以看到，喷涂层表面经过磨损试验后出现剥落和分层现象；由图9可以看出，经过感应重熔加热处理以后，在同样的磨损条件下，重熔层表面出现犁沟现象，磨损的失效形式发生改变，这就说明了重熔处理有利于涂层的结合强度的提高，从而使得重熔层的磨损性能优于喷涂层。
实施例2
本实施例2采用镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末，选用25～50μm的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉。改变涂层当中的Cr、B、Si、Mn的含量，这种粉末成分如表3所示。
表3 NiCrBSiNb的化学成分(质量分数，％)
其它步骤与实施例1中相同。得到的涂层性能接近于实施例1。
实施例3
本实施例3采用镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末，选用25～50μm的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉。改变涂层当中的Cr、B、Si、Mn的含量，这种粉末成分如表4所示。
表4 NiCrBSiNb的化学成分(质量分数，％)
其它步骤与实施例1中相同。得到的涂层性能接近于实施例1。
实施例4
本实施例4采用镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉末，选用25～50μm的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)粉。此时粉末各个成分配比不变，但是喷涂和重熔的工艺参数改变。这种粉末成分如表1所示。
表1 NiCrBSiNb的化学成分(质量分数，％)
其主要步骤包括：对45钢基体进行调质处理→基体45钢喷砂处理→送入起弧离子气体→喷涂设备送电→等离子喷枪起弧→向等离子流中送入喷涂用金属自熔合金粉末对工件表面进行喷涂形成镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)合金底层→重熔涂层得到镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)重熔层。本方法能有效地制备高结合强度、高耐磨性能的镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层，制备涂层厚度为400μm。
镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层的制备
第一步，镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)原料的配置
称量一定量的25～50μm镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)，合金化处理后去除粗颗粒，备用。
第二步，镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层的制备
(1)对45钢基体进行调质处理；
(2)喷刚玉砂处理45钢的表面，露出新鲜的表面；
(3)喷涂设备送电→送入等离子气体→喷枪起弧；
(4)向等离子焰内送粉，喷涂镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)自熔合金粉，制备400μm镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层；
(5)对制备好的涂层进行重熔处理，使得涂层与基体的结合强度提高。喷砂、喷涂和重熔参数如表5：
表5喷砂、喷涂、重熔工艺参数
得到的涂层性能接近于实施例1。
上述实施例说明，本发明得到镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层性能优异。其中，实施例1中配比为Cr17％，B2.5％，Si3％，Mn2％，Nb6％，Ni69.5％，在喷涂距离为150mm、重熔电流为840A，加热功率为15kw，加热时间为40s条件下，效果最佳。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
第一步，配制用于等离子喷涂的粉末：
将组分的粉料混合，经合金化处理，得到镍铬硼硅铌粉末；
其中，粉末粒度为25~50μm；各组分质量所占物料质量之和的百分比为：Cr为15%~18%、B为2%~3%、Si为2%~4%、Mn为1.5%~2.5%、Nb为4%~8%，余量为Ni，
第二步，制备镍铬硼硅铌(NiCrBSiNb)涂层
(1)首先将基体进行调质处理；
(2)喷砂预处理基体表面；
(3)对经过喷砂处理的基体进行等离子喷涂；其中，镍铬硼硅铌粉的送粉口位置距离喷嘴120~150 mm；喷涂电压130V，喷涂电流351A，H2气流量为12~13L/min，送粉气体为Ar气，送粉气流量为130~140 L/min；得到厚度为300～400微米镍铬硼硅铌涂层；
(4)对覆盖有镍铬硼硅铌涂层进行重熔处理：采用高频感应加热设备进行感应加热，加热线圈内径为70mm，距离外径60mm的圆环外表面涂层距离为5mm，加热过程手动控制；
其中，镍铬硼硅铌喷涂层的重熔电流为800~850A，加热功率为13~15kw， 加热时间为35~45s，最终得到镍铬硼硅铌合金耐磨重熔涂层。
2.如权利要求1所述的镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，其特征为所述的基体为碳素钢或者合金钢。
3.如权利要求1所述的镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，其特征为所述的调质处理步骤具体为：首先进行随炉加热，淬火温度为840~860℃，采用油淬的方式，然后进行高温回火处理，回火温度保持在635~655℃，保温时间为90分钟，冷却后得到调质处理的基体；调质处理后洛氏硬度值为21~32HRC。
4.如权利要求1所述的镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，其特征为所述的表面喷砂后基体表面粗糙度(Ra)为3.2~6.4μm。
5.如权利要求1所述的镍铬硼硅铌合金耐磨涂层的制备方法，其特征为所述的单质Ni、Cr、Mn、Nb的纯度为99%，单质B、Si的纯度为99.99%。
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