CN109518118A - 内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法 - Google Patents

内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，涂层以Mo粉为原料，在金属基材上采用内送粉高能等离子喷涂方法得到。本发明通过合理的热喷涂工艺参数，严格控制了喷涂的工艺流程，使涂层的孔隙率降低、断裂韧性提高，综合力学性能的到大幅提升；涂层零件与对偶件之间硬度差小，避免了重载条件下三体磨损的发生、降低了摩擦系数和磨损率，使耐磨性显著提高，有效延长了各类金属零件的使用寿命。

Description

内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法
技术领域
本发明属于金属表面改性领域，具体涉及一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法。
背景技术
在航空航天、汽车、冶金、机械、铁路交通的近代工业中，重载工况广泛存在于球阀、发动机主轴轴承、变速箱齿轮以及车辆离合器分离环等零部件。重载条件下的磨损形式主要以磨粒磨损为主，并伴随着冲蚀磨损、粘着磨损、氧化以及疲劳剥落。通过表面改性处理可以提高金属零件在重载条件下的耐磨性、耐腐蚀性和耐氧化性，进而大幅提高金属零件的使用寿命。
对于重载金属零件的失效问题，常用的表面改性方法有渗氮、堆焊、喷焊和热喷涂等。渗氮形成的氮化物虽然具有较高的硬度和耐磨性，但耐腐蚀性差。堆焊的局部区域高温会导致受热不均匀、温度梯度大，容易产生较大的焊接残余应力及变形，甚至发生贯穿裂纹导致涂层失效。喷焊所适用的材料有限，且基材易发生严重变形。热喷涂制备的NiCr基(NiCr-Cr3C2、NiCr-Al2O3)、Fe基非晶(Fe51.33Cr14.9Mo25.67Y3.4C3.44B1.26)、Co基(WC-Co、WC-Co-Cr)等多种耐磨涂层均具有结构致密、硬度高、耐磨性及耐腐蚀性好等特点，被广泛用于各类重载金属部件的表面改性处理。近年来研究还发现，在NiCr基和Co基涂层中添加稀土氧化物(La2O3或CeO2)会阻碍晶粒生长，达到细化晶粒、致密涂层组织的作用，有效提高了涂层的耐磨性和抗氧化性。然而，当与这些高硬度耐磨涂层对磨的对偶件硬度较低时，高硬度反而成为了劣势，摩擦过程中当涂层硬质相脱落参与摩擦时会形成三体磨损，既加剧了涂层零部件的磨损，又对对偶件表面造成严重的犁削和擦伤，一定程度上影响了金属零件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，此方法制备的涂层致密性好、断裂韧性高，并且缩小了与对偶件的硬度差，能够有效提高金属零部件在重载条件下的耐磨性，大幅延长零部件的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，包括以下步骤：
1)对预处理后的基材进行预热处理；
2)采用内送粉高能等离子喷涂方法将Mo粉末喷涂在预热的基材表面，制备难熔金属重载耐磨涂层；其中，内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是：电流为370～450A、电压为110～150V、主气压力为180～280L/min、辅气压力为15～50L/min、送粉率为20～60g/min、喷涂距离为70～110mm；基材温度采用吹风冷却方式控制在180℃以下。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中预处理的具体过程是：先进行除油、去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后烘干，最后用白刚玉进行喷砂处理。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中基材为金属基材或不锈钢。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中采用喷枪预热的方式控制基材温度在80～90℃范围内。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中Mo粉末的粒径为22～60μm。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中Mo粉末的纯度≥99％。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中主气为氩气，辅气为氢气。
本发明进一步的改进在于，难熔金属重载耐磨涂层的厚度为300～400μm，硬度为HV0.3530～650，孔隙率为0.2～1.2％，断裂韧性为4.6～8MPa·m0.5。
本发明进一步的改进在于，难熔金属重载耐磨涂层的摩擦系数为0.12～0.2，磨损率为0.22×10-5～2.0×10-5μm/N·s。
本发明进一步的改进在于，还包括步骤3)，对难熔金属重载耐磨涂层表面进行机加工抛光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
涂层材料为Mo金属粉末，一方面是考虑缩小涂层孔隙率，提高致密性；另一方面是为了缩小涂层与对偶材料的硬度差，防止硬质磨屑脱落造成的三体磨损和严重擦伤；另外，Mo涂层主要是由金属键组成，结合键键能较低，易发生塑性变形，抗裂纹扩展能力强，更适应重载条件下的磨损工况。本发明基于“降低孔隙率、提高致密性，缩短摩擦副之间硬度差、降低磨损率”的涂层开发与应用的基本思路，并根据“内送粉高能等离子喷涂能够保证飞行粒子在撞击扁平化前充分熔融，从而获得性能更为优异、结合更好的涂层”这一特性，能够制备出膜-基结合更紧密，涂层致密性更好、断裂韧性以及耐磨性更优异的适用于重载金属零件的高耐磨涂层。
附图说明
图1是本发明制备的难熔金属重载耐磨涂层的截面形貌。
图2是本发明的难熔金属重载耐磨涂层制备的工艺流程。
图3是机械性能对比图。其中1为本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的难熔金属重载耐磨涂层，2为以Metco 350NS合金粉末为原料，采用超音速等离子喷涂技术(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层。
图4是涂层摩擦学性对比图。其中1为本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的难熔金属重载耐磨涂层，2为以Metco 350NS合金粉末为原料，采用超音速等离子喷涂方法(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，其仅在于解释而不是限定。
如图1和图2所示，本发明难熔金属重载耐磨涂层采用Mo粉为原材料，在金属基材(包括不锈钢)上喷涂得到。
参见图2，本发明的内送粉高能等离子喷涂技术制备难熔金属重载耐磨涂层，包括如下步骤：
1)喷涂前对基材表面进行前处理。
2)对前处理后的基材进行预热处理。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在喷砂的基材表面喷涂Mo金属粉末，制备高耐磨涂层。制备过程中用洁净压缩空气进行吹风冷却，并使基材温度在180℃以下。其中，所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo纯度≥99wt％。高耐磨涂层厚度为300～400μm，硬度HV0.3530～650,孔隙率0.2～1.2％，断裂韧性4.6～8MPa·m0.5。
4)对喷涂后的基材表面进行机加工抛光。
所述的步骤1)中基材经除油去污和打磨除锈后用丙酮超声波清洗，然后清洗后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
所述的步骤2)中采用喷枪预热的方式，温度控制在80～90℃。
所述的步骤3)中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是：电流370～450A、电压110～150V、主气Ar压力180～280L/min、辅气H2压力15～50L/min、送粉率20～60g/min、喷涂距离70～110mm；基材温度采用“吹风冷却”方式控制在180℃以下。
本发明制备的涂层在摩擦磨损过程中，摩擦系数0.12～0.2，磨损率0.22×10-5～2.0×10-5μm/N·s。
以下结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
本实施例以20Cr13马氏体不锈钢圆片作为基体，尺寸为Φ43×5mm，质量百分数为：0.16～0.25％的C、≤1.0％的Si、≤1.0％的Mn、≤0.035％的P、≤0.03的S、≤0.6的Ni、12～14％的Cr以及余量为Fe。
涂层为不锈钢圆片表面厚度为300μm的高耐磨涂层，涂层材料为Mo金属粉末。
所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo纯度≥99％。
采用内送粉高能等离子喷涂方法制备不锈钢圆片表面高耐磨涂层的具体实施步骤为：
1)基体表面前处理
对作为基材的不锈钢圆片表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在80～90℃。
3)在预热的基材表面采用内送粉高能等离子喷涂方法喷涂Mo粉末，制备高耐磨涂层，具体工艺参数是：电流390A、电压125V、主气Ar压力190L/min、辅气H2压力15L/min、送粉率20/min、喷涂距离90mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却，温度控制在180℃以下。
4)对喷涂后的不锈钢圆片表面进行机加工抛光。
实施例2
本实施例以球阀阀芯球体材料为40Cr13马氏体不锈钢作为基体，尺寸为Φ43×5mm，质量百分数为：0.36～0.45％的C、≤0.6％的Si、≤0.80％的Mn、≤0.035％的P、≤0.03％的S、≤0.6％的Ni、12～14％的Cr以及余量为Fe。
涂层为球阀表面厚度范围在350μm的高耐磨涂层，涂层材料为Mo金属粉末。
所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo纯度≥99％。
采用内送粉高能等离子喷涂方法制备阀芯球体表面高耐磨涂层的具体实施步骤为：
1)基体表面前处理
对作为基材的阀芯球体表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱进行烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在80～90℃。
3)在预热的基材表面采用内送粉高能等离子喷涂方法喷涂Mo粉末，制备高耐磨涂层，具体工艺参数是：电流410A、电压135V、主气Ar压力210L/min、辅气H2压力30L/min、送粉率35/min、喷涂距离110mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却，温度控制在180℃以下。
4)对喷涂后的阀芯球体表面进行机加工抛光。
实施例3
本实施例以汽车变速箱齿轮材料为20CrMnTi渗碳钢作为基体，尺寸为Φ43×5mm，质量百分数为：0.17～0.23％的C、0.17～0.37％的Si、0.8～1.1％的Mn、≤0.03％的P、≤0.03％的S、≤0.04％的Ti、≤0.03％的Cu、≤0.03的Ni、1.0～1.3％的Cr以及余量为Fe。
涂层为齿轮表面厚度范围在380μm的高耐磨涂层，涂层材料为Mo金属粉末。
所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo纯度≥99％。
采用内送粉高能等离子喷涂方法制备齿轮表面高耐磨涂层的具体实施步骤为：
1)基体表面前处理
对作为基材的齿轮表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱进行烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在80～90℃。
3)在预热的基材表面采用内送粉高能等离子喷涂方法喷涂Mo粉末，制备高耐磨涂层，具体工艺参数是：电流400A、电压130V、主气Ar压力200L/min、辅气H2压力22L/min、送粉率25/min、喷涂距离100mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却，温度控制在180℃以下。
4)对喷涂后的齿轮表面进行机加工抛光。
图3中1为本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的难熔金属重载耐磨涂层，2为以Metco 350NS合金粉末为原料，采用超音速等离子喷涂技术(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层。由图3可以看出，由于本发明将现有的重载条件下金属零件(20Cr13马氏体不锈钢)表面采用超音速等离子喷涂方法(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层改为采用内送粉高能等离子喷涂方法制备的高耐磨涂层，涂层硬度降低13.74％，孔隙率降低12.79倍，涂层致密性大大增强，综合机械性能明显提高。
选用销-盘式摩擦磨损试验，对磨副为F321不锈钢，载荷动态加载至600N，进行涂层摩擦学性测试，图4中1为本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的难熔金属重载耐磨涂层，2为以Metco 350NS合金粉末为原料，采用超音速等离子喷涂技术(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层。由图4可以看出，由于本发明将现有的重载条件下金属零件(20Cr13马氏体不锈钢)表面采用超音速等离子喷涂方法(SAPS)制备的Fe-Mo合金涂层改为采用内送粉高能等离子喷涂方法制备的高耐磨涂层，涂层的摩擦系数降低4.3倍，磨损率降低14.73倍，耐磨性得到大幅提高。
实施例4
本实施例以20Cr13马氏体不锈钢圆片作为基体。
涂层为基体表面厚度范围在320μm的高耐磨涂层，涂层材料为Mo金属粉末。
所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo含量≥99wt％。
采用内送粉高能等离子喷涂方法制备齿轮表面高耐磨涂层的具体实施步骤为：
1)基体表面前处理
对作为基材的齿轮表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱进行烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在80℃。
3)在预热的基材表面采用内送粉高能等离子喷涂方法喷涂Mo粉末，制备高耐磨涂层，具体工艺参数是：电流370A、电压150V、主气Ar压力280L/min、辅气H2压力50L/min、送粉率60/min、喷涂距离70mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却，温度控制在180℃以下。
4)对喷涂后的基材表面进行机加工抛光。
实施例5
本实施例以20CrMnTi渗碳钢作为基体。
涂层为基体表面厚度范围在400μm的高耐磨涂层，涂层材料为Mo金属粉末。
所述的Mo金属粉末粒径范围22～60μm；按重量百分比计，金属粉末中Mo纯度≥99％。
采用内送粉高能等离子喷涂方法制备齿轮表面高耐磨涂层的具体实施步骤为：
1)基体表面前处理
对作为基材的齿轮表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱进行烘干，最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在90℃。
3)在预热的基材表面采用内送粉高能等离子喷涂方法喷涂Mo粉末，制备高耐磨涂层，具体工艺参数是：电流450A、电压110V、主气Ar压力180L/min、辅气H2压力40L/min、送粉率60/min、喷涂距离80mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却，温度控制在180℃以下。
4)对喷涂后的基材表面进行机加工抛光。
本发明通过合理的热喷涂工艺参数，严格控制了喷涂的工艺流程，使涂层的孔隙率降低、断裂韧性提高，综合力学性能的到大幅提升；涂层零件与对偶件之间硬度差小，避免了重载条件下三体磨损的发生、降低了摩擦系数和磨损率，使耐磨性显著提高，有效延长了各类金属零件的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，大凡依本发明专利申请范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对预处理后的基材进行预热处理；
2)采用内送粉高能等离子喷涂方法将Mo粉末喷涂在预热的基材表面，制备难熔金属重载耐磨涂层；其中，内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是：电流为370～450A、电压为110～150V、主气压力为180～280L/min、辅气压力为15～50L/min、送粉率为20～60g/min、喷涂距离为70～110mm；基材温度采用吹风冷却方式控制在180℃以下。
2.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤1)中预处理的具体过程是：先进行除油、去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后烘干，最后用白刚玉进行喷砂处理。
3.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤1)中基材为金属基材或不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤1)中采用喷枪预热的方式控制基材温度在80～90℃范围内。
5.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤2)中Mo粉末的粒径为22～60μm。
6.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤2)中Mo粉末的纯度≥99％。
7.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤2)中主气为氩气，辅气为氢气。
8.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，难熔金属重载耐磨涂层的厚度为300～400μm，硬度为HV0.3 530～650，孔隙率为0.2～1.2％，断裂韧性为4.6～8MPa·m0.5。
9.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，难熔金属重载耐磨涂层的摩擦系数为0.12～0.2，磨损率为0.22×10-5～2.0×10-5μm/N·s。
10.根据权利要求1所述的一种内送粉高能等离子喷涂制备难熔金属重载耐磨涂层的方法，其特征在于，还包括步骤3)，对难熔金属重载耐磨涂层表面进行机加工抛光。
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