阅读说明：本技术 一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法 (Raw material preparation and construction method of wear-resistant high-permeability functional coating ) 是由 郭纯 胡瑞章 李云 陈丰 魏宝丽 张华� 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备方法,包括以下步骤：依次取Si、B、Cr、C、W、Y、Fe的单质粉末混合置于中频感应炉中进行冶炼熔化,然后进行水雾化处理,得到的水粉水混合料,然后过滤脱水、干燥处理,筛选后即得耐磨损高导磁功能涂层的原料粉末；施工方法为：将原料粉末采用冷喷涂工艺施工,工艺参数如下：工作气体和载粉气体均为氮气,工作气体压力2～3.5MPa、温度600～750℃、距离40mm,枪速300～600mm/s,送粉器的转盘转速为3～5r/min。该制备方法步骤简单,原料易得,喷涂后的涂层可以显著提高基材在高磁场下的耐磨性能。施工方法简单易操作,可以达到原料粉末更好的喷涂效果。(A raw material preparation method of a wear-resistant high-permeability functional coating comprises the following steps: sequentially mixing simple substance powder of Si, B, Cr, C, W, Y and Fe, placing the mixture in a medium-frequency induction furnace for smelting and melting, then carrying out water atomization treatment to obtain a water-powder-water mixture, then carrying out filtration dehydration and drying treatment, and screening to obtain raw material powder of the wear-resistant high-permeability functional coating; the construction method comprises the following steps: the raw material powder is constructed by adopting a cold spraying process, and the process parameters are as follows: the working gas and the powder carrying gas are both nitrogen, the pressure of the working gas is 2-3.5 MPa, the temperature is 600-750 ℃, the distance is 40mm, the gun speed is 300-600 mm/s, and the rotating speed of a rotary plate of the powder feeder is 3-5 r/min. The preparation method has simple steps and easily obtained raw materials, and the sprayed coating can obviously improve the wear resistance of the base material under a high magnetic field. The construction method is simple and easy to operate, and can achieve better spraying effect of the raw material powder.)

一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法。

背景技术

磁流变装置采用磁流变液(Magnetorheological fluid，MRF)为工作介质， 施加磁场后，磁流变液可迅速从牛顿流体状态转变为类固态，这种变化不仅 可以在毫秒级的时间内完成，而且连续、可调，呈现可控的屈服强度，可以 实现阻尼力的半主动实时连续控制，而且这种变化是可逆的。正是由于其具 有优良的流变性能，因此其性能研究及技术产品的研发得到越来越多的关注。 但是在磁流变装置尤其是大功率磁流变装置使用过程中发现：在大滑差工况 下(大后坐力)，后坐时间极短约几毫秒，在后坐力作用下磁流变液运动线速 度可达到10m/s以上。磁流变液是含有微米或纳米级的软磁性颗粒(如羰基 铁粉、铁钴合金粉、氧化铁粉等)的悬浊液，相当于固液两相流体。同时在 强磁场(高达2T)作用下磁流变液体转变为半固态，磁流变液体中的颗粒会 与缸体和活塞发生剧烈的摩擦，导致磁流变装置活塞头和缸体发生严重磨损。 最终会导致活塞和缸体的间隙增大，磁流变装置的密封失效，这将严重影响 磁流变装置的传动控制性能和使用寿命，因此润滑和密封问题是高端装备大 功率磁流变装置研究和应用亟待解决的关键问题。众所周知，机械装备部件的磨损、腐蚀和断裂一般都是从部件材料表面发生或开始的，采用表面工程 技术对高端装备系统零部件进行表面改性是延长高端装备使用寿命和提高其 性能稳定性的有效措施之一。因此，在磁流变装置等高端技术装备关键零部 件表面制备耐磨损高导磁功能涂层，可以延长该类零部件在磁场和磨损复合 服役工况下的使用寿命。

冷喷涂是基于空气动力学的一种喷涂技术。压缩气体经过加热装置预热之后进入缩放性Laval喷嘴进行加速，产生高速气流（300-1200m/s）。粒子（5-50μm）经过气流场加速之后高速撞击基体，粒子和基体均发生高塑性形变，从而在基体表面沉积形成涂层。因为喷涂过程中粒子温度低于其熔点，故称为冷喷涂。冷喷涂设备主要由送粉器、加热器、喷枪、Laval喷嘴等组成。冷喷涂的工艺参数主要是：工作气体和载粉气体的种类、工作气体的压力、温度、喷涂距离、枪速、制备涂层时送粉器送粉率，其中枪速就是喷枪摆动的速度，送粉器里面是个转盘，转盘转速越快送出的粉越多，所以一般以转盘转速表示送粉速率，单位为r/min。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种耐磨损高导磁功能涂层的 原料制备方法，该制备方法步骤简单，原料易得，制备出的原料喷涂后形成 的涂层可以显著提高基材在高磁场下的耐磨性能。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种耐磨损高导磁功能涂层的 施工方法，该施工方法简单易操作，可以达到原料粉末更好的喷涂效果。

为解决上述第一个技术问题，本发明提供了一种耐磨损高导磁功能涂层 的原料制备方法，包括以下步骤：

(1)依次取Si、B、Cr、C、W、Y、Fe的单质粉末混合置于中频感应炉中 进行冶炼熔化，其中各组分含量按重量百分比记，Si为8～15％、B为5～10％、 Cr为3～5％、C为1～1.5％、W为2～3％、Y为0.2～0.5％、余量为Fe，熔体温 度为1500℃，得到熔融状态的液态混合物；

(2)将步骤(1)得到的熔融状态的液态混合物进行水雾化处理，液态 混合物被高压雾化水破碎成金属液滴，然后迅速冷却凝固成粉末状，得到水 粉混合料，水雾化参数为：雾化顶角40°，高压水压力40MPa，导液管内经 3mm,雾化水流量70L/min；

(3)将步骤(2)得到的水粉水混合料过滤脱水，然后在真空干燥机中 进行干燥处理，然后筛选出粉末粒度在50μm～125μm的颗粒，即为耐磨损高 导磁功能涂层的原料粉末。

作为优选的，所述的冶炼熔化过程中通入氮气作为保护气。

为解决上述第二个技术问题，本发明提供了一种耐磨损高导磁功能涂层 的施工方法，将权利要求1或2所述的一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制 备方法所制备的原料粉末采用冷喷涂工艺施工，工艺参数如下：工作气体和 载粉气体均为氮气，工作气体压力为2～3.5MPa、温度为600～750℃、喷涂距 离40mm，枪速300～600mm/s，制备涂层时送粉器的转盘转速为3～5r/min。

为简单说明问题起见，以下对本发明所述的一种耐磨损高导磁功能涂层 的原料制备方法均简称为本制备方法，对本发明所述的一种耐磨损高导磁功 能涂层的施工方法均简称为本施工方法。

本制备方法中，采用磁导率高、饱和磁感应强度高、低损耗、低矫顽力 的新型Fe-Si-B-Cr-C-W软磁非晶合金组分为基础。根据现有的非晶合金理论 优化设计Fe-Si-B-Cr-C-W非晶耐磨损高导磁功能涂层用合金系,优化各组分 含量。

本制备方法中加入Si和B，主要目的是根据已有非晶体系设计原则，Si 和B元素的添加可以提高Fe基涂层成分的混合焓，从而提高涂层的非晶形成 能力。Si元素能有效改善合金的磁性(因填入Fe的3d轨道的电子减少，从 而增加了磁矩)。且根据已有文献报道Fe-Si-B系的非晶材料具有良好的磁导 率、饱和磁感应强度、低损耗和低矫顽力。在成分设计中主要是根据元素之 间的混合焓来确定某种组元的含量区间。某种元素的含量超出该区间，过高 或者过低都会导致非晶形成能力的急剧降低。

本制备方法中加入Cr、C和W，主要目的是Cr、C和W元素的加入可 以在粉末和涂层制备的过程中反应生成碳化铬和碳化物增强相，碳化铬和碳 化物增强相具有较高的硬度，弥撒分布于铁基非晶基材中可以起到耐磨增强 的作用，从而提高涂层的耐磨性能。Cr元素还能增强材料的耐蚀性(因能在 合金表面形成富Cr钝化保护膜)。但是如果涂层中生成的增强相含量过高会 导致涂层塑性下降，应力增加，甚至裂纹等严重缺陷。

本制备方法中加入稀土元素Y，主要目的是稀土元素Y属于大原子,少量 的加入可导致组元数的增加和各组元间强烈的结合力，添加Y后能提高合金 的非晶形成能力。Y的添加可以净化合金熔体,改善合金中原子之间的错配度, 增强合金过冷熔体的稳定性,抑制晶体相的析出,进而提高了合金的非晶形成 能力。

采用本施工方法进行喷涂得到的涂层，经检测涂层厚度0.5～5mm，涂层 结合强度≥60Mpa，涂层硬度≥HRC40，涂层内部组织致密，孔隙率≤2％， 涂层对摩擦配副磨损率≤1×10^-5mm³/N·m，涂层初始磁导率≥5000，矫顽力≤ 2A/m，饱和磁感应强度≥1.0T，耐磨性能非常优越。

具体实施方式

实施例一：

一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法，包括以下步骤：

(1)依次取Si、B、Cr、C、W、Y、Fe的单质粉末混合置于中频感应炉中 进行冶炼熔化，冶炼熔化过程中通入氮气作为保护气，其中各组分含量按重 量百分比记，Si为8％、B为7％、Cr为5％、C为1％、W为2.5％、Y为0.5％、 余量为Fe，熔体温度为1500℃，得到熔融状态的液态混合物；

(2)将步骤(1)得到的熔融状态的液态混合物进行水雾化处理，液态 混合物被高压雾化水破碎成金属液滴，然后迅速冷却凝固成粉末状，得到水 粉混合料，水雾化参数为：雾化顶角40°，高压水压力40MPa，导液管内经3mm, 雾化水流量70L/min；

(3)将步骤(2)得到的水粉水混合料过滤脱水，然后在真空干燥机中 进行干燥处理，然后筛选出粉末粒度在50μm～125μm的颗粒，即为耐磨损高 导磁功能涂层的原料粉末。

(4)将上述原料粉末采用冷喷涂工艺施工，工艺参数如下：工作气体和 载粉气体均为氮气，工作气体压力为2MPa、温度为700℃、喷涂距离40mm， 枪速500mm/s，制备涂层时送粉器的转盘转速为4r/min。

本实施例制造的一种耐磨损高导磁功能涂层，涂层厚度3mm，涂层结合 强度70Mpa，涂层硬度HRC45，涂层内部孔隙率1％，涂层对摩擦配副磨损 率7×10^-6mm³/N·m，涂层初始磁导率5500，矫顽力1.6A/m，饱和磁感应强度 1.2T。

实施例二：

一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法，包括以下步骤：

(1)依次取Si、B、Cr、C、W、Y、Fe的单质粉末混合置于中频感应炉中 进行冶炼熔化，冶炼熔化过程中通入氮气作为保护气，其中各组分含量按重 量百分比记，Si为15％、B为5％、Cr为3％、C为1.5％、W为3％、Y为0.2％、 余量为Fe，熔体温度为1500℃，得到熔融状态的液态混合物；

(2)将步骤(1)得到的熔融状态的液态混合物进行水雾化处理，液态 混合物被高压雾化水破碎成金属液滴，然后迅速冷却凝固成粉末状，得到水 粉混合料，水雾化参数为：雾化顶角40°，高压水压力40MPa，导液管内经3mm, 雾化水流量70L/min；

(3)将步骤(2)得到的水粉水混合料过滤脱水，然后在真空干燥机中 进行干燥处理，然后筛选出粉末粒度在50μm～125μm的颗粒，即为耐磨损高 导磁功能涂层的原料粉末。

(4)将上述原料粉末采用冷喷涂工艺施工，工艺参数如下：工作气体和 载粉气体均为氮气，工作气体压力为3.5MPa、温度为750℃、喷涂距离40mm， 枪速300mm/s，制备涂层时送粉器的转盘转速为5r/min。

本实施例制造的一种耐磨损高导磁功能涂层，涂层厚度5mm，涂层结合 强度65Mpa，涂层硬度HRC55，涂层内部孔隙率0.9％，涂层对摩擦配副磨 损率3×10^-6mm³/N·m，涂层初始磁导率5200，矫顽力1.8A/m，饱和磁感应强 度1.1T。

实施例三：

一种耐磨损高导磁功能涂层的原料制备和施工方法，包括以下步骤：

(1)依次取Si、B、Cr、C、W、Y、Fe的单质粉末混合置于中频感应炉中 进行冶炼熔化，冶炼熔化过程中通入氮气作为保护气，其中各组分含量按重 量百分比记，Si为10％、B为10％、Cr为4％、C为4.2％、W为2％、Y为 0.3％、余量为Fe，熔体温度为1500℃，得到熔融状态的液态混合物；

(2)将步骤(1)得到的熔融状态的液态混合物进行水雾化处理，液态 混合物被高压雾化水破碎成金属液滴，然后迅速冷却凝固成粉末状，得到水 粉混合料，水雾化参数为：雾化顶角40°，高压水压力40MPa，导液管内经3mm, 雾化水流量70L/min；

(3)将步骤(2)得到的水粉水混合料过滤脱水，然后在真空干燥机中 进行干燥处理，然后筛选出粉末粒度在50μm～125μm的颗粒，即为耐磨损高 导磁功能涂层的原料粉末。

(4)将上述原料粉末采用冷喷涂工艺施工，工艺参数如下：工作气体和 载粉气体均为氮气，工作气体压力为3MPa、温度为600℃、喷涂距离40mm， 枪速400mm/s，制备涂层时送粉器的转盘转速为3r/min。

本实施例制造的一种耐磨损高导磁功能涂层，涂层厚度0.5mm，涂层结 合强度72Mpa，涂层硬度HRC 41，涂层内部孔隙率0.8％，涂层对摩擦配副 磨损率5×10^-6mm³/N·m，涂层初始磁导率6000，矫顽力1.5A/m，饱和磁感应 强度1.3T。

上述实施例中：

冷喷涂设备采用的是德国CGT冷喷涂设备，型号KINETIKS 4000。

水雾化机器采用的是株洲双林菱实验型雾化制粉设备，设备型号SLT-25。