CN115971475A - 一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料及制备方法属于硬质材料制备的技术领域。所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料，是由表面镀Cr金刚石微粉、Ni‑Cr‑B‑Si粉末、粘接剂构成的80～100目复合颗粒材料；制备方法包括金刚石表面镀Cr、配料、造粒等步骤。本发明将金刚石作为耐磨/耐蚀添加相而应用于装备部件的耐磨焊接涂层领域，可以有效提高涂层硬度，弥补传统硬面材料的不足，显著提高装备部件的耐磨性和使用寿命，极大的拓宽金刚石的应用领域，具有巨大的市场应用潜力和发展前景。
Description
技术领域
本发明属于硬质材料制备的技术领域，具体涉及一种以气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末为基础母粉，以镀Cr金刚石为超硬添加相制备耐磨耐蚀复合功能粉体，采用激光熔覆技术将涂敷于钢铁部件表面的复合功能粉体熔融而制备超耐磨耐蚀的硬质涂层。
背景技术
表面磨损是机械零部件损伤失效的重要原因之一，特别是在恶劣工况条件下运行的机械零部件，如采矿设备、石油钻具、地质勘探设备、水泥装备、造纸设备等领域中的关键耐磨部件，常常因零件磨损破坏而导致运转失灵乃至失效报废。我国是全球制造业大国，对于机械部件表面耐磨性的提高有着更迫切的需求。目前，提高机械零部件耐磨性的常用技术方法主要有：1)通过成分与组织的设计调控来提高部件基体自身的耐磨性；2)采用表面堆焊等多种工艺方法在部件表面涂覆一层耐磨硬质涂层。现行的钢铁零部件的耐磨硬化调控主要是依靠在材料组织中通过冶金反应形成硬质碳化物或添加硬质陶瓷颗粒等技术手段在部件内部或表面形成硬质耐磨相，可以在很大程度上提高部件的表面耐磨性。但尽管如此，随着工业机械化水平的不断提高，对部件的耐磨使用寿命要求也越来越高，现行材料的耐磨性仍无法满足快速发展的机械工程需求。因而，如何克服现有材料的不足，开发新的耐磨涂层材料，并采用合适的涂层制备技术在部件表面获取具有超耐磨特性的硬质涂层，从而有效提升装备零部件的耐磨性，一直是材料工程领域中的一个重要研究课题。堆焊是一种广泛应用的工件表面硬化处理技术，具备加工时间短、结合强度高、耐磨性高、耐冲击性能好等优点。目前常采用堆焊硬质合金、碳化物以及陶瓷的硬质材料提升零件表面的耐磨损性质。Ni-Cr-B-Si是目前焊接涂层领域中常用的金属材料，其具备自熔性好、熔点低、结渣性能好等优点，广泛应用于耐磨涂层的制备。但与碳化钨等硬质耐磨材料相比，该涂层的表面硬度依然偏低，耐磨性不足，不能很好的满足耐磨部件的工程运行需求。因此，在基础金属粉末材料中添加硬质增强相就成为提高焊接涂层耐磨性的一种有效技术手段。公开号为CN108342731A的中国专利提供了一种Ni-Cr-B-Si和氮化钛耐磨涂层的制备方法，在Ni-Cr-B-Si粉末中加入氮化钛粉末制备出了高结合力和高耐磨性质的Ni-Cr-B-Si和氮化钛熔覆层。可见在合金中添加硬质增强相是提升涂层硬度的有效手段。金刚石是目前自然界中已知最硬的物质，将其作为增强相添加到合金粉末中可显著提高焊接涂层的表面硬度及其耐磨性。虽然金刚石在加工工具领域有着广泛的应用，但在焊接耐磨涂层领域中的应用却鲜见报道。文献《添加金刚石颗粒的Ni60涂层组织和性能研究》(表面技术，2016，Vol.45(9))报道了一种将金刚石粉末(180-200目)与Ni60金属粉末混合球磨并制粒后，采用火焰喷涂技术制备硬质涂层的方法，虽然在喷焊涂层中可以测得金刚石的存在，但金刚石与金属基体间的结合力较差；同时，由于空气中的裸料金刚石在高温下极易发生氧化、石墨化及热损伤，在磨损过程中极易脱落失效。另外，文献《Quantitative investigation ofthermal evolution and graphitisation of diamond abrasives in powder bedfusion-laser beam of metal-matrix diamond composites》(Virtual and PhysicalPrototyping 2023Vol.18Issue 1Pages 212-224)报道了将铜锡合金粉末与金刚石颗粒混配后采用激光焊接工艺获取含金刚石颗粒的熔覆层，探讨了金刚石在不同焊接温度场的石墨化条件，但依然存在着金刚石易氧化/石墨化、金属基体对金刚石的润湿性差、金刚石与基体金属间缺乏冶金结合、无法真正应用于生产实践的难题。
发明内容
为了克服背景技术存在的不足，满足工程机械部件对超高耐磨耐蚀性能的需求，本发明提供一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料及其制备方法，采用表面镀Cr并经过热处理的细颗粒金刚石微粉与Ni-Cr-B-Si气雾化合金粉末按比例混配而形成超耐磨复合功能粉末。
本发明具体的技术方案如下：
一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料，是由表面镀Cr金刚石微粉、Ni-Cr-B-Si粉末、粘接剂构成的80～100目复合颗粒材料；其中，按质量计，所述表面镀Cr金刚石微粉与所述Ni-Cr-B-Si粉末的质量比为(5:95)～(90:10)，所述粘接剂占表面镀Cr金刚石微粉与Ni-Cr-B-Si粉末质量之和的1～3％。
作为优选，所述表面镀Cr金刚石微粉是粒度≤75μm的金刚微粉表面镀自身质量10～200％的Cr得到的具有核壳结构的复合功能粒子，粒子结构由内到外依次是：金刚石→碳化铬→铬。
作为优选，所述Ni-Cr-B-Si粉末为气雾化粉末，其中的元素质量组成成分为Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Fe＜5.0％，余量为Ni。
一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)金刚石表面镀Cr：利用化学方法在金刚石微粉表面镀覆一层金属Cr后放入真空炉中在真空度为10-1～10-3Torr、温度为750℃以上，保温60～120min后自然冷却至室温，得到表面镀Cr金刚石微粉；金刚石微粉的粒度≤75μm，镀覆Cr的增重量为金刚石微粉重量的10～200％；
2)配料：将粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si粉末和表面镀Cr金刚石微粉在三维混料机中机械混合30～60min，得到混合功能粉末；其中，表面镀Cr金刚石微粉的质量份数为5～90％，余量为Ni-Cr-B-Si粉末；
3)造粒：以聚乙烯比咯烷酮(PVP)的高纯酒精溶液为粉末粘接剂，粘接剂的用量为所述混合功能粉末质量的1～3％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团，得到所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料。
作为优选，所用粘接剂中PVP的质量份数为10％，酒精为90％。
有益效果：
1、本发明利用表面镀覆Cr并经过热处理的金刚石粉末作为耐磨/耐蚀功能相，与气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末进行功能化组合，得到超耐磨镍基复合材料。
2、镀Cr金刚石热处理后，可在金刚石-金属界面处形成化学键合物—碳化铬纳米层，获得“金刚石-碳化铬-单质铬”的核壳结构粒子。由此，金刚石表面的镀覆Cr层既可以起到“壳保护”作用，有效防止金刚石在高温焊接热循环条件下被氧化/石墨化，使金刚石能够保持自身结构而发挥功效，又可以依托壳外层的金属Cr实现其与熔敷金属间的界面冶金结合，彻底解决了金刚石在焊接热源环境中极易氧化/石墨化而引发结构变性、功能失效的共性技术难题。
3、本发明作为激光焊接涂覆材料，金刚石在作为增强相可以显著提升Ni-Cr-B-Si基体金属熔覆层硬度及耐磨性，同时，金刚石具有极强的耐强酸/强碱腐蚀的能力，由此也可提升熔敷涂层的耐蚀能力。同时，细颗粒金刚石在激光焊接熔池中还可以作为凝固时的异质形核核心，可以加快焊接熔池的凝固速度，细化焊缝晶粒，改善焊敷层的组织性能。
4、将金刚石作为耐磨/耐蚀添加相而应用于装备部件的耐磨焊接涂层领域，可以有效提高涂层硬度，弥补传统硬面材料的不足，显著提高装备部件的耐磨性和使用寿命，极大的拓宽金刚石的应用领域，具有巨大的市场应用潜力和发展前景。
附图说明
图1为表面镀Cr热处理后金刚石颗粒的结构示意图。
图2为表面镀Cr金刚石颗粒的SEM形貌。
图3为表面镀Cr金刚石颗粒的XRD图谱。
图4为添加镀Cr金刚石的复合功能粉末激光熔覆层的XRD图谱。
图5为添加镀Cr金刚石的复合功能粉末激光熔覆层的SEM图。
具体实施方式
使用粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末作为基础粉末原料，该粉料是公知原料，可以市售获得,其组分的重量比为：Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Fe＜5.0％，余量为Ni。
采用主粒度为≤75μm的金刚石微粉，采用公知的化学镀覆技术在金刚石表面包覆金属Cr，包覆增重量为10～200％。对包覆处理后的金刚石在真空炉中(真空度为10-1～10- 3Torr)加热至700℃以上，保温60～120min，使金属Cr与金刚石在界面反应生成纳米碳化铬化学键合层，使镀Cr金刚石转变为“金刚石-Cr3C2/Cr7C3-Cr”的“核-壳”结构的梯度功能化复合粒子，如图1所示。
实施例1
金刚石镀Cr：称取1000g粒度为10-20μm的金刚石微粉，采用公知的化学镀覆方法对其进行表面镀Cr处理，镀Cr重量为金刚石微粉重量的10％，制取重量为1100g的镀Cr金刚石。用去离子水对镀Cr金刚石进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆金刚石置于高纯工业酒精中进行超声波处理10min，取出金刚石，在室温下自然干燥。
镀Cr金刚石热处理：将干燥处理后的镀Cr金刚石置于真空炉中加热至780℃(真空度10-2Torr)，保温60min，然后随炉冷却至室温，制取具有核壳结构的“金刚石-碳化铬-铬”复合金刚石粒子，其物相分析的XRD图谱如图2所示，复合粒子的SEM形貌如图3所示。
功能料混配：称取10000g市售的粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末，与真空热处理后的镀Cr金刚石微粉在充有高纯氮气的三维混料机中混合40min，制取混合功能粉末。
造粒：以聚乙烯比咯烷酮(PVP)的高纯酒精溶液(PVP的质量份数为10％)为粉末粘接剂，粘接剂的用量为所述混合功能粉末质量的1％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团，得到所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料。
包装封存：将所制取的金刚石-镍基复合粉末装入塑料袋中进行真空封装保存，0.5kg/袋。
实施例2
金刚石镀Cr：称取500g粒度为20-30μm的金刚石微粉，采用公知的化学镀覆方法对其进行表面镀Cr处理，镀Cr重量为金刚石微粉重量的30％，制取重量为650g的镀Cr金刚石。用去离子水对从镀液中取出的镀Cr金刚石进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆金刚石置于高纯工业酒精中进行超声波处理20min，取出金刚石，在室温下自然干燥。
镀Cr金刚石热处理：将干燥处理后的镀Cr金刚石置于真空炉(真空度10-2Torr)中加热至770℃，保温70min，然后随炉冷却至室温，制取具有核壳结构的“金刚石-碳化铬-铬”复合金刚石粒子。
功能料混配：称取2600g市售的粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末，与真空热处理后的镀Cr金刚石微粉在充有高纯氮气的三维混料机中混合60min，制取镀Cr金刚石重量占比为20％的镍基混合功能粉末。
造粒：以聚乙烯比咯烷酮(PVP)的高纯酒精溶液(PVP的质量份数为15％)为粉末粘接剂，粘接剂的用量为所述混合功能粉末质量的2％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团，得到所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料。
包装封存：将所制取的金刚石-镍基复合粉末装入塑料袋中进行真空封装保存，1kg/袋。
实施例3
金刚石镀Cr：称取2000g粒度为40-50μm的金刚石微粉，采用公知的化学镀覆方法对其进行表面镀Cr处理，镀Cr重量为金刚石微粉重量的100％，制取重量为4000g的镀Cr金刚石。用去离子水对镀Cr金刚石进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆金刚石置于高纯工业酒精中进行超声波处理15min，取出金刚石，在室温下自然干燥。
镀Cr金刚石热处理：将干燥处理后的镀Cr金刚石置于真空炉(真空度10-3Torr)中加热至830℃，保温80min，然后随炉冷却至室温，制取具有核壳结构的“金刚石-碳化铬-铬”复合金刚石粒子。
功能料混配：称取8000g市售的粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si合金粉末，与真空热处理后的镀Cr金刚石微粉在充有高纯氮气的三维混料机中混合50min，制取镀Cr金刚石重量份数占比为50％的混合功能粉末。
造粒：以聚乙烯比咯烷酮(PVP)的高纯酒精溶液(PVP的质量份数为10％)为粉末粘接剂，粘接剂的用量为所述混合功能粉末质量的3％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团，得到所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料。
包装封存：将所制取的金刚石-镍基复合粉末装入塑料袋中进行真空封装保存，1kg/袋。
实施例4
制备尺寸为200mm(长)×40mm(宽)×3mm(厚)的低碳钢板，对其进行表面喷砂除锈处理，至露出新鲜金属光泽。取1袋(500g)实施例1所制备的混合功能粉末，并将适量混合粉末平铺到喷砂处理后的低碳钢板试件表面，铺粉尺寸为30mm(长)×4mm(宽)×2mm(厚)。采用CO2激光焊机，在激光功率为1000W、光斑横移速度为10mm/s、光斑直径为4mm的条件下进行激光熔覆处理，在钢板表面获得具有高硬度、高耐磨性能的金刚石-镍基金属焊接熔覆涂层。
XRD分析：对激光熔覆焊缝进行XRD物相结构分析测定(图4)，可以看出，金刚石在激光熔覆的高温条件下仍能保持其自身的物相结构，而没有出现氧化/石墨化损失。
SEM分析：通过对激光熔覆焊缝断口进行SEM分析(图5)，可以看出，镀覆金刚石结构完整，且与周围的金属基体间形成了良好的界面冶金结合。
硬度测试：采用(HV-1000ZDT)硬度仪测得激光熔覆焊缝的显微硬度为HV1181.927，较在相同焊接条件下所获得的未添加金刚石的Ni-Cr-B-Si熔覆层的显微硬度(HV 339.005)提升了3倍以上。
实施例5
制备尺寸为200mm(长)×40mm(宽)×3mm(厚)的低碳钢板，对其进行表面喷砂除锈处理，至露出新鲜金属光泽。取1袋(1000g)实施例2所制备的混合功能粉末，置于超音速喷涂设备的盛料装置中，采用超音速喷涂工艺，将所制备的混合功能粉末涂覆于低碳钢板表面，喷涂工艺参数为：空气压力85PSI、丙烷压力70PSI、氮气压力40SLM、送粉速度3r/min、喷涂距离230mm。喷涂层厚度为110μm，涂层硬度为HV587.16，较在相同喷涂条件下所获得的未添加金刚石的Ni-Cr-B-Si喷涂层的显微硬度(HV 281.65)提升了2倍以上。
实施例6
制备尺寸为200mm(长)×40mm(宽)×3mm(厚)的低碳钢板，对其进行表面喷砂除锈处理，至露出新鲜金属光泽。称取2袋(共2000g)实施例3所制备的混合功能粉末，置于等离子喷涂设备的储料罐中，采用等离子喷涂技术工艺，将所制备的混合功能粉末涂覆于低碳钢板表面，喷涂工艺参数为：电流600A，电压50V，主气压力70PSI，送粉气压力40PSI，喷涂距离100mm，喷枪移动速度400mm/min。喷涂层厚度为370μm，涂层硬度为HV787.25，较在相同喷涂条件下所获得的未添加金刚石的Ni-Cr-B-Si喷涂层的显微硬度(HV 301.65)提升了2.6倍。
Claims (5)
1.一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料，是由表面镀Cr金刚石微粉、Ni-Cr-B-Si粉末、粘接剂构成的80～100目复合颗粒材料；其中，按质量计，所述表面镀Cr金刚石微粉与所述Ni-Cr-B-Si粉末的质量比为(5:95)～(90:10)，所述粘接剂占表面镀Cr金刚石微粉与Ni-Cr-B-Si粉末质量之和的1～3％。
2.根据权利要求1所述的一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料，其特征在于，所述表面镀Cr金刚石微粉是粒度≤75μm的金刚微粉表面镀自身质量10～200％的Cr得到的具有核壳结构的复合功能粒子，粒子结构由内到外依次是：金刚石→碳化铬→铬。
3.根据权利要求1所述的一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料，其特征在于，所述Ni-Cr-B-Si粉末为气雾化粉末，其中的元素质量组成成分为Cr为15％～20％、B为3.0％～4.5％、Si为3.5％～5.5％、C为0.5％～1.1％、Fe＜5.0％，余量为Ni。
4.一种权利要求1所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)金刚石表面镀Cr：利用化学方法在金刚石微粉表面镀覆一层金属Cr后放入真空炉中在真空度为10-1～10-3Torr、温度为750℃以上，保温60～120min后自然冷却至室温，得到表面镀Cr金刚石微粉；金刚石微粉的粒度≤75μm，镀覆Cr的增重量为金刚石微粉重量的10～200％；
2)配料：将粒度为-150目的气雾化Ni-Cr-B-Si粉末和表面镀Cr金刚石微粉在三维混料机中机械混合30～60min，得到混合功能粉末；其中，表面镀Cr金刚石微粉的质量份数为5～90％，余量为Ni-Cr-B-Si粉末；
3)造粒：以聚乙烯比咯烷酮的高纯酒精溶液为粉末粘接剂，粘接剂的用量为所述混合功能粉末质量的1～3％，采用喷雾造粒技术制取粒径为80～100目的复合颗粒团，得到所述含金刚石的超耐磨镍基复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料的制备方法，其特征在于，所用粘接剂中聚乙烯比咯烷酮的质量份数为10％，酒精为90％。
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