一种热喷涂Ni基合金自润滑涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种热喷涂Ni基合金自润滑涂层的制备方法 (Preparation method of thermal spraying Ni-based alloy self-lubricating coating ) 是由 卢金斌 孟雯露 徐洪洋 秦艳芳 申刚 常婕 于 2020-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热喷涂Ni基合金自润滑涂层的制备方法,采用等离子喷涂设备在低碳钢表面喷涂由一定比例的Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti-3SiC-2粉组成的混合粉末,虽Ti-3SiC-2具有较好稳定性,为进一步避免在喷涂热作用过程中分解,确保其良好的自润滑性能,在喷涂前对Ti-3SiC-2进行了镀镍处理,经喷涂后制备了含有一定量Ti-3SiC-2的Ni基涂层,由于Ni基合金对Ti-3SiC-2的良好润湿,使得涂层致密、空隙率小,并且Ti-3SiC-2保持较好,其良好的润滑性提高了涂层的润滑性,制备的涂层具有耐磨性高、减磨的优点。(The invention discloses a preparation method of a thermal spraying Ni-based alloy self-lubricating coating, which adopts plasma spraying equipment to spray Ni-Cr-B-Si alloy powder, Ti powder and nickel-coated Ti powder with a certain proportion on the surface of low-carbon steel 3 SiC 2 Mixed powder of powders, albeit Ti 3 SiC 2 Has good stability, and can further avoid the thermal effect in sprayingDecomposing in the process to ensure good self-lubricating property, and spraying Ti 3 SiC 2 Nickel plating treatment is carried out, and a certain amount of Ti is prepared after spraying 3 SiC 2 Due to the Ni-based alloy to Ti 3 SiC 2 Good wetting, compact coating, low porosity, and Ti 3 SiC 2 The lubricating property of the coating is improved due to the good lubricating property of the coating, and the prepared coating has the advantages of high wear resistance and wear reduction.)
技术领域
本发明属于高能束表面处理领域，特别涉及针对低碳钢采用表面热喷涂制备耐磨减摩复合涂层的方法。
背景技术
机械设备种类繁多，在其运行时一些部件通常进行不同形式的机械运动。零部件在使用过程中与其他物质发生相对运动产生摩擦，不仅消耗能量产生大量的热，而且使零件出现不同程度的磨损，甚至导致过早失效，因此，对零部件的表面耐磨和减磨性能提出了更高的要求。低碳钢具有较好塑性和韧性，焊接性能和冷成形性能良好，可采用多种冲压方法进行冷成形，获得了广泛的应用，但因其表面硬度较低，耐磨性差，使低碳钢应用受到了一定的限制。在零件表面制备耐磨涂层，能够提高零部件的耐磨性，提高机械装备使用寿命和可靠性，但有时单纯提高耐磨性会损伤对偶件的表面，引起对偶件磨损加剧，因此有时需要润滑减少摩擦，但在诸如高温、重载、真空、辐射等工况下普通润滑油效果并不佳。在零件表面制备降低摩擦的同时提高耐磨性的涂层是有效的方法之一。金属基自润滑涂层具有良好的耐磨、润滑和抗高温等性能，但润滑剂种类、数量、与基体结合情况在一定程度上影响涂层的强度、韧性，若大裂纹和孔洞等缺陷出现，则会大幅降低零件的力学性能。
自熔合金粉Ni-Cr-B-Si通常经冶炼后用水(或气)雾化制成粉末，其中的硼和硅可以降低合金熔点和起造渣作用以避免被氧化，其中的铬生成碳化铬和硼化铬硬质相弥散分布在镍基体中，使得合金粉具有高硬度、高耐磨、耐腐蚀性等性能，特别适合于制备涂层，在材料工程中获得了大量的应用。Ni-Cr-B-Si采用喷涂可以制得耐磨涂层，能够改善零件的耐磨性能，但在某些场合其高硬度反而会加剧对偶件的磨损，尤其在无法采用润滑油的情况下如何提高其润滑性能，避免因摩擦导致的温度升高和对偶件磨损加剧等问题。三元化合物Ti3SiC2的微观结构为通过一个二维封闭的填充Si层连接两个边缘共享的Ti6C八面体层结构，其特殊的结构使得Ti3SiC2具有较好的高温性能、导热性良好、高热稳定性，其层状结构使得它比石墨具有更低的摩擦系数和更好自润滑性能，在喷涂的过程中将Ti3SiC2加入涂层中，可以提高涂层润滑性能，但等离子弧、火焰等高温可能导致其分解，失去润滑作用，因此，对Ti3SiC2进行镀镍处理，避免其高温分解，且Ni基自熔合金不仅能够对镀镍Ti3SiC2良好润湿，通过热喷涂添加Ti3SiC2获得的Ni基涂层具有耐磨减摩的特点。
发明内容
本发明设计在Ni-Cr-B-Si自熔合金粉中添加镀镍Ti3SiC2作为自润滑的成分，经喷涂在碳钢表面制得涂层，该涂层具有一定的润滑性，可降低工作时的摩擦及其产生的高温，尤其适于在无法用润滑油的情况下使用。该涂层制备工艺具有粉末制备简单、成本较低的优点。
本发明解决其技术问题所采用的制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、将Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti3SiC2粉按质量比为78～87：3～7：10～15的比例混合，并用球磨机进行球磨混合制作喷涂粉，制作的粉末粒径25-60μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量含量为Cr：16～18％，B：2.5～4.5％，Si：3～4.5％，C：0.8～1.1％，其余为Ni；另外，Ti粉的纯度高于99.5％，粒径在30-60μm；镍包Ti3SiC2的粒度为50～75μm，其中镍的重量含量在12～15％，其余为Ti3SiC2。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.6～3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空25～35分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为270～320r/min，倒向频率30～45Hz，进行球磨混料时间为60～80分钟。
步骤二、选取要强化的碳钢工件表面作为基体，对工件表面清除铁锈和油污，然后喷砂处理粗化工件表面，最后采用外热方式对工件表面进行预热，预热温度控制在250～300℃。
步骤三、采用热喷涂的方式对工件表面预喷涂Ni-Al粘结层，所用Ni-Al合金粉末的粒度为85-150μm，含Al的质量为9～18％，其余为Ni，粘结层厚度控制在30-100μm。
步骤四、采用等离子热喷涂设备按一定喷涂工艺参数加热混合的喷涂粉对工件表面进行热喷涂，冷却后即为耐磨涂层，喷涂工艺参数为：喷涂距离为90-120mm，工作电流为520-650A，工作电压为50-70V，Ar气速度为30-50升/min，H2速度为5-10升/min，送粉量为38-45g/min，冷却气压力为0.3-0.5MPa，喷枪移动速度为30-80mm/s。
本发明的有益效果：
(1)本发明喷涂的涂层中含有的具有良好的高温和自润滑性能Ti3SiC2，可以降低涂层工作时的摩擦，进而降低了摩擦产生的高温，另外，Ti3SiC2较好的导热性在一定程度上也可以进一步降低涂层的高温。
(2)本发明采用Ni基合金作为涂层的基体，具有良好的高温性能、韧性和耐磨性，能够提高涂层的耐磨性。
(3)涂层中添加的镍包Ti3SiC2经过镀镍，并在喷涂粉中含有一定的Ti元素，使得Ti3SiC2在喷涂高温过程中具有较好的稳定性，最终保持Ti3SiC2良好的润滑性能。
具体实施方式
以下将结合各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
实施例1：
步骤一、将Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti3SiC2粉按质量比为78：7：15的比例混合，并用球磨机进行球磨混合制作喷涂粉，制作的粉末粒径25-60μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量含量为Cr：16～18％，B：2.5～4.5％，Si：3～4.5％，C：0.8～1.1％，其余为Ni；另外，Ti粉的纯度高于99.5％，粒径在30-60μm；镍包Ti3SiC2的粒度为50～75μm，其中镍的重量含量在12～15％，其余为Ti3SiC2。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.6∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为270r/min，倒向频率30Hz，进行球磨混料时间为60分钟。
步骤二、选取Q235钢作为基体，对工件表面清除铁锈和油污，然后喷砂处理粗化工件表面，最后采用外热方式对工件表面进行预热，预热温度控制在250℃。
步骤三、采用热喷涂的方式对工件表面预喷涂Ni-Al粘结层，所用Ni-Al合金粉末的粒度为85-150μm，含Al的质量为9％，其余为Ni，粘结层厚度控制在30μm。
步骤四、采用等离子热喷涂设备按一定喷涂工艺参数加热混合的喷涂粉对工件表面进行热喷涂，冷却后即为耐磨涂层，喷涂工艺参数为：喷涂距离为90mm，工作电流为520A，工作电压为50V，Ar气速度为30升/min，H2速度为5升/min，送粉量为38g/min，冷却气压力为0.3MPa，喷枪移动速度为30mm/s。
经实验表明，等离子热喷涂后涂层基本致密无气孔，涂层组织呈层状分布，基本光滑，无裂纹和空洞，涂层组织主要为镍基固溶体、Ti3SiC2、Cr的碳化物，经与GCr15的试样对磨后，涂层表面形成润滑膜，有利于降低摩擦，涂层中的碳化物、硼化物有利于提高耐磨性。
实施例2：
步骤一、将Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti3SiC2粉按质量比为87：7：15的比例进行球磨混合制作喷涂粉，制作的粉末粒径25-60μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量含量为Cr：16～18％，B：2.5～4.5％，Si：3～4.5％，C：0.8～1.1％，其余为Ni；另外，Ti粉的纯度高于99.5％，粒径在30-60μm；镍包Ti3SiC2的粒度为50～75μm，其中镍的重量含量在12～15％，其余为Ti3SiC2。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空35分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为320r/min，倒向频率45Hz，进行球磨混料时间为80分钟。
步骤二、对Q345钢工件表面清除铁锈和油污，然后喷砂处理粗化工件表面，最后采用外热方式对工件表面进行预热，预热温度控制在300℃。
步骤三、采用热喷涂的方式对工件表面预喷涂Ni-Al粘结层，所用Ni-Al合金粉末的粒度为85-150μm，含Al的质量为18％，其余为Ni，粘结层厚度控制在100μm。
步骤四、采用等离子热喷涂设备按一定喷涂工艺参数加热混合的喷涂粉对工件表面进行热喷涂，冷却后即为耐磨涂层，喷涂工艺参数为：喷涂距离为120mm，工作电流为650A，工作电压为70V，Ar气速度为50升/min，H2速度为10升/min，送粉量为45g/min，冷却气压力为0.5MPa，喷枪移动速度：80mm/s。
经实验表明，等离子热喷涂工艺具有适应性强，制备的涂层基本致密无气孔，工件的变形较小，金相组织及其性能不发生变化，涂层组织呈层状分布，较光滑，无裂纹和空洞，涂层组织主要为镍基固溶体、Ti3SiC2、Cr的碳化物，经与GCr15的试样对磨后，涂层表面能够形成润滑膜，制作的涂层降低了摩擦，提高基体耐磨性，但对较强腐蚀、重载荷等情况下耐磨性有待进一步提高。
实施例3：
步骤一、将Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti3SiC2粉按质量比为80：5：12的比例混合，并用球磨机进行球磨混合制作喷涂粉，制作的粉末粒径25-60μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量含量为Cr：16～18％，B：2.5～4.5％，Si：3～4.5％，C：0.8～1.1％，其余为Ni；另外，Ti粉的纯度高于99.5％，粒径在30-60μm；镍包Ti3SiC2的粒度为50～75μm，其中镍的重量含量在12～15％，其余为Ti3SiC2。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为2.8∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为290r/min，倒向频率38Hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤二、选取将要强化的Q195钢工件表面作为基体，对工件表面清除铁锈和油污，然后喷砂处理粗化工件表面，最后采用外热方式对工件表面进行预热，预热温度控制在270℃。
步骤三、采用热喷涂的方式对工件表面预喷涂Ni-Al粘结层，所用Ni-Al合金粉末的粒度为85-150μm，含Al的质量为12％，其余为Ni，粘结层厚度控制在60μm。
步骤四、采用等离子热喷涂设备按一定喷涂工艺参数加热混合的喷涂粉对工件表面进行热喷涂，冷却后即为耐磨涂层，喷涂工艺参数为：喷涂距离为108mm，工作电流为580A，工作电压为60V，Ar气速度为40升/min，H2速度为8升/min，送粉量为40g/min，冷却气压力为0.4MPa，喷枪移动速度：50mm/s。
经实验表明，等离子热喷涂后涂层较致密无明显气孔，喷涂层由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起，基本呈层状组织，结构基本光滑，无裂纹和空洞，涂层组织主要为镍基固溶体、Ti3SiC2、Cr的碳化物，经与GCr15的试样对磨，涂层表面形成润滑膜降低了摩擦，提高基体耐磨性。
实施例4：
步骤一、将Ni-Cr-B-Si合金粉、Ti粉、镍包Ti3SiC2粉按质量比为80：7：12的比例混合，并用球磨机进行球磨混合制作喷涂粉，制作的粉末粒径25-60μm；其中Ni-Cr-B-Si成分的质量含量为Cr：16～18％，B：2.5～4.5％，Si：3～4.5％，C：0.8～1.1％，其余为Ni；另外，Ti的纯度高于99.5％，粒径在30-60μm；镍包Ti3SiC2的粒度为50～75μm，其中镍的重量含量在12～15％，其余为Ti3SiC2。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与金属粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300r/min，倒向频率40Hz，进行球磨混料时间为70分钟。
步骤二、选取将要强化的Q195钢工件表面作为基体，对工件表面清除铁锈和油污，然后喷砂处理，粗化工件表面，最后采用外热方式对工件表面进行预热，预热温度控制在270℃。
步骤三、采用热喷涂的方式对工件表面预喷涂Ni-Al粘结层，所用Ni-Al合金粉末的粒度为85-150μm，含Al的质量为15％，其余为Ni，粘结层厚度控制在60μm。
步骤四、采用等离子热喷涂设备按一定喷涂工艺参数加热混合的喷涂粉对工件表面进行热喷涂，冷却后即为耐磨涂层，喷涂工艺参数为：喷涂距离为95mm，工作电流为600A，工作电压为60V，Ar气速度为40升/min，H2速度为7升/min，送粉量为39g/min，冷却气压力为0.4MPa，喷枪移动速度：50mm/s。
经实验表明，等离子热喷涂后涂层较致密无明显气孔，喷涂层由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起，基本呈层状组织，结构基本光滑，无裂纹和空洞，涂层组织主要为镍基固溶体、Ti3SiC2、Cr的碳化物，经与GCr15的试样对磨，涂层表面能够形成润滑膜，降低了摩擦，提高了基体耐磨性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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