一種基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法。非晶納米晶涂層各元素的化學(xué)成分按重量百分比為：4%～8.82%B，6%～72%Mo，0～15%Cr，0～15%Ni,0～15%Mn,0～15%V,Fe是余量；先采用粉末冶金工藝制備得到Fe2B-Mo2FeB2基金屬陶瓷或Mo2FeB2基金屬陶瓷的電極材料，然后對電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，其流量為0.01～10L/min，沉積的工藝參數(shù)為：輸出功率為2000～8000W，輸出電壓為100～300V，沉積速率為0.5～10min/cm2。該制備方法使得電火花沉積的效率顯著提高，涂層中非晶納米晶相對含量的控制方便簡單。
【專利說明】—種基于電火花沉積的_ _晶納米晶涂層制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面涂層的制備方法，特別涉及一種基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，可用于實(shí)現(xiàn)金屬零部件表面的強(qiáng)化、改性及修復(fù)與再制造，能顯著提高零部件表面的耐磨性及耐腐蝕性。

【背景技術(shù)】
[0002]表面工程技術(shù)能在材料表面制備出與基體材料不同，具有光、電、磁、熱、耐磨、耐腐蝕等特殊性能的涂層或覆層，它以最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法改變了材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了材料表面的強(qiáng)化、改性及修復(fù)與再制造。該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應(yīng)用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]非晶、納米晶材料憑借其超高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕以及良好的磁學(xué)特性等獨(dú)特而優(yōu)異的性能而使它成為目前極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦秃辖鸩牧?，但由于制備條件的限制，大塊體非晶、納米晶材料在生產(chǎn)實(shí)際中并未得到廣泛的應(yīng)用。相比而言，非晶、納米晶涂層的制備條件較為寬松。目前，用于制備非晶、納米晶涂層的主流技術(shù)有超音速火焰噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)以及激光熔覆技術(shù)等。然而，一般而言，噴涂涂層都存在與基體結(jié)合以物理結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度不太高，涂層耐沖擊和耐重載性能較差以及涂層含有不同程度的孔隙等缺點(diǎn)；而激光熔覆設(shè)備價(jià)格昂貴，維護(hù)成本及零部件價(jià)格也很高，因此該技術(shù)一般用在特殊領(lǐng)域，普通工業(yè)制造及維修領(lǐng)域難有效益。
[0004]電火花沉積工藝是利用電極材料在工件表面旋轉(zhuǎn)，在相互接觸的微小區(qū)域瞬時(shí)(10_6?10_5S)流過高密度的電流(10_5?10_6A/cm2)，由于放電能量在時(shí)間和空間上高度集中，在微小的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了 5000?25000K的高溫，使該區(qū)域的局部材料熔化甚至氣化，由于放電時(shí)產(chǎn)生的壓力，熔化的電極材料被高速的轉(zhuǎn)移到工件表面，并擴(kuò)散進(jìn)入到工件表層，形成冶金型牢固結(jié)合的沉積層。與其它表面技術(shù)相比，電火花沉積工藝具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)能量輸入低，基本保持在室溫，熱影響區(qū)極小，因此，可以忽略其對基體的影響；(2)涂層與基體呈冶金結(jié)合且結(jié)合強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于熱噴涂；(3)涂層細(xì)密、一致性好；(4)僅需要少量的前處理與后處理，有時(shí)甚至不需要；(5)設(shè)備便宜且操作簡單；(6)適用原地或在線修復(fù)(設(shè)備移動性好)，這點(diǎn)對于大型工件或在線設(shè)備的修復(fù)非常重要；(7)在微小的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了 5000?25000K的高溫使電極材料的局部熔化為非晶、納米晶的形成創(chuàng)造了有利的條件。但是，迄今為止，電火花沉積的沉積速度慢、效率低的缺點(diǎn)一直未得到有效克服，其主要原因是，目前電火花沉積用電極材料絕大多數(shù)還是采用市場上易于購買的鎢鈷類硬質(zhì)合金以及一些諸如TiB2、TiC之類的金屬陶瓷。沉積效率高，具有自熔性特點(diǎn)的電極材料一直未得到應(yīng)有的重視。
[0005]另外，為了得到非晶、納米晶的復(fù)合組織，中國發(fā)明專利CN1730714A公開了一種耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶涂層及制備方法，即先利用超音速火焰噴涂制備出非晶涂層，然后利用熱處理(500?800°C下回火I?4h)方法使其轉(zhuǎn)變成非晶、納米晶的復(fù)合組織。上述方法制備的涂層具有優(yōu)異的綜合性能，但是其所述的熱處理過程有如下不足之處:(I)會降低原基體材料的力學(xué)性能；(2)對于大型工件，對其熱處理設(shè)備有更高的要求；(3)設(shè)備及工序等的增加不利于企業(yè)效益的提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
非晶納米晶涂層的化學(xué)成分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是，4%?8.82%B, 6%?72%Mo，O?15%Cr，O?15%Ni, O ?15%Mn, O ?15%V, Fe 是余量。
[0008]具體制備方法如下:
A、采用粉末冶金工藝制備用于電火花沉積的電極材料，具體步驟如下:
(1)配料:以FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Mn粉，Cr粉，Ni粉，V粉和石墨為原料，配制符合下述要求的混合料,化學(xué)成分按重量百分比為:4%?8.82%B,6%?72%Mo，0?15%Cr，0?15%Ni, O?15%Mn, O?15%V, 0.1?0.9%C，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素；
(2)加成型劑:用硬脂酸鋅作為成型劑，加入量是步驟(I)已配混合料重量的0.5?1.5% ；
(3)混料:將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨；
(4)成型:將球磨好的原料壓制成需要的形狀及尺寸；
(5)燒結(jié):將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于IXKT1MPa,燒結(jié)溫度為1150?1310°C，保溫時(shí)間為I?60min。
[0009]B、采用電火花沉積制備非晶納米晶涂層，具體步驟如下:
(1)對將用于電火花沉積的基材進(jìn)行表面處理，包括除銹，除油以及必要的車削以消除表面層裂紋；
(2)采用第(一)步驟中制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用惰性氣體(氬氣或氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體)進(jìn)行保護(hù)，惰性氣體的流量為0.01?10L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為2000?8000W，輸出電壓為100?300V，沉積速率為0.5?10min/cm2。
[0010]通過改變電極材料的化學(xué)成分或者改變保護(hù)性惰性氣體的流量或者兩者同時(shí)改變來調(diào)節(jié)非晶納米晶涂層中非晶與納米晶的相對含量。
[0011]所述的保護(hù)性惰性氣體的流量是0.0l?10L/min。
[0012]所述保護(hù)性惰性氣體為氬氣、氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體。
[0013]所述電火花沉積過程中，電極材料的溫度始終控制在50°C以下。
[0014]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于電火花沉積工藝的非晶納米晶涂層制備方法具有這樣的有益效果，(I)Mo2FeB2基金屬陶瓷電極材料，特別是Fe 2B-Mo2FeB2基金屬陶瓷電極材料中含有較多的(Fe2B+Fe)共晶組織，在電火花沉積放電過程中能產(chǎn)生更多的液相，從而顯著提高電極材料的沉積效率；(2)僅通過調(diào)整電極材料的成分和(或)保護(hù)性惰性氣體的流量就實(shí)現(xiàn)了對涂層中非晶、納米晶相對含量的控制，簡化了工序，節(jié)約了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明非晶納米晶涂層的典型微觀組織圖； 圖2為本發(fā)明不同實(shí)施例下涂層的XRD圖譜，圖中從下到上的8條曲線依次是實(shí)施例1到實(shí)施例8制備所得涂層的XRD圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1是本發(fā)明非晶納米晶涂層的典型微觀組織圖，圖中:1 一涂層，2—基體(工件)。
[0017]圖2是不同實(shí)施例中涂層的XRD圖譜，根據(jù)圖譜譜線中非晶峰與尖銳衍射峰的相對強(qiáng)度，可以定性的判斷出在不同實(shí)施例下涂層中非晶與納米晶的相對含量變化。
[0018]實(shí)施例1:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Cr粉，Ni粉和石墨為原料配制成分為Fe-6.0wt%B-48.0wt%Mo-2.5 wt%Cr_3.1 wt%N1-0.5wt%C 的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)0.5%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X KT1MPa,燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時(shí)間為30min。
[0019](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為8L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為3000W，輸出電壓為240V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積5min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0020]實(shí)施例2:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Cr粉，Ni粉和石墨為原料配制成分為Fe-6.0wt%B-48.0wt%Mo-2.5 wt%Cr_3.1 wt%N1-0.5wt%C 的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)0.5%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X KT1MPa,燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時(shí)間為30min。
[0021](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為0.lL/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為3000W，輸出電壓為240V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積8min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0022]實(shí)施例3:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉和石墨為原料配制成分為Fe-8.0wt%B-23.62wt%Mo_0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)0.7%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨,待球磨完成,將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X KT1MPa,燒結(jié)溫度為1210°C，保溫時(shí)間為50min。
[0023](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用體積分?jǐn)?shù)各占50%的氬氣和氦氣的混合氣體進(jìn)行保護(hù)，混合氣體的流量為4L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為2500W，輸出電壓為180V，沉積速率為4min/cm2。電極材料每沉積15min后，將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0024]實(shí)施例4:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Mn粉和石墨為原料配制成分為Fe_8.0wt%B-13.62wt%Mo-7.5wt%Mn-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)1.2%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X 1-1MPa,燒結(jié)溫度為1200°C，保溫時(shí)間為5min。
[0025](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氦氣進(jìn)行保護(hù)，氦氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為4000W，輸出電壓為300V，沉積速率為lmin/cm2。電極材料每沉積13min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0026]實(shí)施例5:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，V粉和石墨為原料配制成分為Fe_8.0wt%B-33.62wt%Mo-7.2wt%V-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)1.0%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X 1-1MPa,燒結(jié)溫度為1270°C，保溫時(shí)間為50min。
[0027](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為6000W，輸出電壓為300V，沉積速率為8min/cm2。電極材料每沉積1min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0028]實(shí)施例6:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Cr粉和石墨為原料配制成分為Fe_8.0wt%B-33.62wt%Mo-9wt%Cr-0.5wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)0.9%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X KT1MPa,燒結(jié)溫度為1290°C，保溫時(shí)間為30min。
[0029](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為10L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為4500W，輸出電壓為280V，沉積速率為6min/cm2。電極材料每沉積9min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0030]實(shí)施例7:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Ni粉和石墨為原料配制成分為Fe_4.5wt%B_28wt%Mo-8.5wt%N1-0.lwt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)0.75%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于
IX KT1MPa,燒結(jié)溫度為1260°C，保溫時(shí)間為45min。
[0031](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為5600W，輸出電壓為295V，沉積速率為6min/cm2。電極材料每沉積14min后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
[0032]實(shí)施例8:
(I)采用FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉和石墨為原料配制成分為Fe_7.5wt%B_68.5wt%Mo-0.85wt%C的混合料；稱取上述混合料重量分?jǐn)?shù)1.2%的硬脂酸鋅加入到上述混合料中；將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨，待球磨完成，將球磨好的混合料壓制成所需的形狀和尺寸；將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于I X KT1MPa,燒結(jié)溫度為1310°C，保溫時(shí)間為55min。
[0033](2)采用上一步驟制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣的流量為9L/min，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為7500W，輸出電壓為280V，沉積速率為9min/cm2。電極材料每沉積Ilmin后,將其冷卻至室溫才重新進(jìn)行沉積。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，其特征是:所述的非晶納米晶涂層化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是，4%?8.82%B, 6%?72%Mo，O?15%Cr，O?15%Ni, O?15%Mn,O?15%V，余量是Fe，具體制備方法如下: A采用粉末冶金工藝制備用于電火花沉積的電極材料: (1)配料:以FeB粉，Mo粉，F(xiàn)e粉，Mn粉，Cr粉，Ni粉，V粉和石墨為原料，按所述非晶納米晶涂層的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配制得到混合料； (2)加成型劑:用硬脂酸鋅作為成型劑，加入量是步驟(I)已配混合料重量的0.5?1.5% ； (3)混料:將已加入成型劑的混合料置入球磨機(jī)中球磨； (4)成型:將球磨好的原料壓制成需要的形狀及尺寸； (5)燒結(jié):將壓制好的坯料裝入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度高于IXKT1MPa,燒結(jié)溫度為1150?1310°C，保溫時(shí)間為I?60min ;得到的電極材料為？^^0和82基金屬陶瓷或Mo2FeB2基金屬陶瓷； B、采用電火花沉積制備非晶納米晶涂層，具體步驟如下: (1)對將用于電火花沉積的工件進(jìn)行表面處理，包括除銹，除油，如果表面有裂紋，則需進(jìn)行車削以消除裂紋層； (2)采用第A步驟中制得的電極材料進(jìn)行電火花沉積，并用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，沉積的具體工藝參數(shù)為:輸出功率為2000?8000W，輸出電壓為100?300V，沉積速率為0.5?1min/cm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，其特征是:通過改變電極材料的化學(xué)成分或者改變保護(hù)性惰性氣體的流量或者兩者同時(shí)改變來調(diào)節(jié)非晶納米晶涂層中非晶與納米晶的相對含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，其特征是:保護(hù)性惰性氣體的流量是0.01?10L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，其特征是:所述保護(hù)性惰性氣體為氬氣、氦氣或氬氣與氦氣的混合氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電火花沉積的非晶納米晶涂層制備方法，其特征是:所述電火花沉積過程中，電極材料的溫度始終控制在50°C以下。
【文檔編號】C22C45/02GK104513947SQ201410841146
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】陳志國, 魏祥, 黃奇勝 申請人:湖南人文科技學(xué)院