一种镍铬碳化铬耐磨涂层的制备方法与流程

本发明涉及耐磨损涂层技术领域，具体为一种镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)耐磨涂层的制备方法。

背景技术：

磨损、腐蚀以及断裂是机械工程件的三大主要破坏形式。其中，由于材料磨损而造成工件失效的案例最多，每年与磨损有关的经济损失约占我国gdp的2％～7％，其涉及领域包括冶金、矿山、化工、建材及航空航天等。众所周知，材料的磨损与腐蚀大多发生在工件表面，大部分工况下，二者表现为互相促进的关系，这种协同关系将会加剧材料的失效。在实际工程应用中，人们通常采用合理的表面防护措施来改善材料的耐磨损、耐腐蚀性能，以期达到延长材料使用寿命的目的。

nicr-cr3c2涂层是一种性能优异的耐磨损、耐腐蚀涂层，具有典型的“硬质相+软基体”的耐磨组织，因此耐磨性良好，尤其适合在较高温度下使用。在发展新一代高效节能汽车和飞机发动机用耐磨材料中，这种涂层被认为是很好的候选材料之一。典型的应用是：燃煤锅炉炉管、热成型模、液压机阀门、发动机汽缸、活塞导轨、泵套等。要求工件有较高的耐高温、耐磨性能。常用的制备nicr-cr3c2涂层的方法为等离子喷涂，但由于等离子喷涂层与基体之间为机械结合，且裂纹、夹杂、孔隙等缺陷较多。范吉明等采用等离子喷涂方法制备镍铬碳化铬涂层并对工艺参数进行了优化，但涂层和基体之间的结合方式依旧是机械结合，裂纹、孔隙、夹杂等缺陷虽然减少，但依旧存在。这将使得涂层在实际应用中容易失效而降低寿命，涂层具有的优异性能并没有完全得到充分发挥。

研究表明，重熔处理对涂层进行表面改性和强化处理，可以消除涂层层状结构，改善涂层组织和性能，降低孔隙率，提高与基体界面的结合，进而在零件服役过程中延长其使用寿命。陆益军等采用激光重熔来对等离子喷涂镍铬碳化铬涂层进行重熔处理，制备出的镍铬碳化铬涂层与基体之间的结合方式有机械结合转变为冶金结合，且涂层内部缺陷减少，硬度提高，耐腐蚀性能得到改善。然而，激光重熔的设备成本高，且设备操作不便，对于大批量或大型零件的生产不适用。且激光的能量太高，重熔过后工件与室温相差过大，冷却过程中熔融的涂层由于过冷度太大易产生裂纹。

技术实现要素：

本发明是以典型的镍铬碳化铬耐磨涂层为研究对象，研究一种镍铬碳化铬耐磨涂层的制备方法，使涂层裂纹、孔隙、夹杂等缺陷减少，充分发挥其优异性能。本发明是在喷涂的基础上做了钨极氩弧重熔处理，并进行了重熔前预热和重熔后保温处理，减少了裂纹的产生。该方法使得涂层和基体之间的机械结合转变为冶金结合，涂层内部缺陷减少，涂层的力学性能及耐磨损性能提高。

本发明的技术方案为：

一种种镍铬碳化铬耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将nicr和cr3c2的粉料按照配比混合均匀，粉末粒度为25～30μm，经烧结处理后得到镍铬碳化铬粉末；

第二步，制备镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)重熔涂层：

1)喷砂预处理基体表面；

2)对经过喷砂处理的基体进行等离子喷涂；

3)对等离子喷涂后的涂层试样进行重熔前预热处理，然后采用钨极氩弧焊机进行tig重熔处理，之后再进行重熔后保温处理，最终得到镍铬碳化铬耐磨重熔涂层；tig重熔过程中采用氩气作为保护气体,其中，tig重熔电流85-100a，氩弧弧长2mm，氩气流量10l/min，重熔速度200mm/min，步长1.5mm；上述预热和保温的温度都是300℃，时间为两个小时，保温后炉内冷却。

所述的基体为碳素钢、45钢或合金钢。

在步骤1)喷砂预处后基体表面粗糙度(ra)为3.2～6.4μm。

步骤2)的等离子喷涂的过程参数设置为：镍铬碳化铬的送粉口位置距离喷嘴110mm；喷涂电压40v，喷涂电流800a，h2气流量为130l/min，送粉气体为ar气，送粉气流量为60l/min；得到厚度为300微米镍铬碳化铬涂层。

所述nicr和cr3c2的质量配比为3：7。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的实质性特点为：

本发明将等离子喷涂后的涂层进行tig重熔处理，并在此基础上进一步优化，重熔前进行预热处理，重熔后进行保温处理。钨极氩弧重熔(tig重熔)处理的加工温度高，能量集中，加工较精确，使得喷涂层中裂纹、孔隙、夹杂等缺陷减少，涂层表面变得光滑，涂层内部变得致密，涂层与基体之间的结合方式由机械结合转变为冶金结合，这对于提高涂层和基体之间结合强度是十分有利的。tig重熔使得喷涂层中cr3c2和cr7c3进一步失碳分解生成cr7c3和cr26c6，涂层内部的物相分布更加均匀致密，这对力学性能的优化是有益的。此外，加工过程中有氩气作为保护气体，不会引入杂质也避免了涂层的氧化，且设备轻便，成本低廉，便于实现自动化，重熔效果也更加出色。

本发明自主设计的镍铬碳化铬涂层的制备工艺，制备出的涂层性能良好。其中与传统的等离子喷涂镍铬碳化铬涂层相比，将等离子喷涂与tig重熔处理相结合，制备的镍铬碳化铬涂层内部缺陷减少，力学性能及耐磨损性能提高。具体表现在：

经重熔处理后，涂层与基体的界面结合形式发生改变，由机械结合转变为冶金结合，这有利于结合强度的提高；孔隙率由8.1％降低到0.2％；涂层内部缺陷减少，扫描图1和2中可以看到裂纹、孔隙和夹杂减少；硬度提高13％，且从图4可以看到，喷涂层和基体之间硬度值是突然变化，而重熔之后涂层和基体之间硬度值是缓慢过渡的；分析得到喷涂层和重熔层的磨损体积分别为5.53×10⁷μm³和2.24×10⁷μm^3，磨损体积减少了59％，耐磨性提高。

附图说明

图1、图2为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层和重熔层的界面结合处sem图片；其中，图1为喷涂层界面结合处sem图片，图2为重熔层界面结合处sem图片；

图3为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层及重熔层的xrd；

图4为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层和重熔层硬度曲线；

图5为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层和重熔层的摩擦系数曲线；

图6为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层磨痕形貌3d图片；

图7为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)重熔层磨痕形貌3d图片；

图8为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)喷涂层的表面磨损形貌图片；

图9为实施例1中的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)重熔层的表面磨损形貌图片。

图10为实施例1和实施例2中重熔层截面金相图的对比图，其中(a)nicr占30％(实施例1)，(b)nicr占25％(实施例2)。

图11为实施例3中电流为100a时重熔层截面金相图。

图12为对比例1中电流为80a时重熔层截面金相图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限制。

本发明一种镍铬碳化铬耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将nicr和cr3c2的粉料按照配比混合均匀，粉末粒度为25～30μm，经烧结处理后得到镍铬碳化铬粉末，烧结温度1400摄氏度，

第二步，制备镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)重熔涂层：

1)喷砂预处理基体表面；

2)对经过喷砂处理的基体进行等离子喷涂；

3)对等离子喷涂后的涂层试样进行重熔前预热处理，然后采用钨极氩弧焊机(yc-300wx型焊机)进行tig重熔处理，之后再进行重熔后保温处理，最终得到镍铬碳化铬耐磨重熔涂层；tig重熔过程中采用氩气作为保护气体,其中，tig重熔电流85-100a，氩弧弧长2mm，氩气流量10l/min，重熔速度200mm/min，步长1.5mm；上述预热和保温的温度都是300℃，时间为两个小时，保温后炉内冷却，能有效减少裂纹的产生。

所述的基体为碳素钢、45钢或合金钢。

在步骤1)喷砂预处后基体表面粗糙度(ra)为3.2～6.4μm。

nicr原料的纯度为99％，cr3c2原料的纯度为99％。

步骤2)的等离子喷涂的过程参数设置为：镍铬碳化铬的送粉口位置距离喷嘴110mm；喷涂电压40v，喷涂电流800a，h2气流量为130l/min，送粉气体为ar气，送粉气流量为60l/min；得到厚度为300微米镍铬碳化铬涂层。

上述nicr和cr3c2的质量配比为3：7，因为考虑到做tig重熔，涂层的导电性能不能太差，提高了其中nicr的比例，将nicr的25％提高到30％。

本发明方法通过钨极氩弧重熔(tig重熔)处理镍铬碳化铬喷涂层，减少了喷涂层中夹杂、孔隙等缺陷，改变了涂层与基体的结合形式，有利于结合强度的提高；重熔涂层中cr3c2和cr7c3的失碳分解使得硬质相的分布更加弥散均匀，使涂层硬度与基体硬度之间平滑过渡，有利于涂层内部硬度分布的均匀性和涂层的稳定性；涂层的耐磨性能得到大幅度提高，可以有效得提高工件的磨损寿命。因此本发明主要应用于机械化工、钢铁冶金、矿山开采等领域。

实施例1

本实施例采用镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)粉末是按照3:7的质量分配比例进行配比。将30％的nicr和70％的cr3c2的粉末在球磨混料机内混合24h，混合后在搅拌桶内进行分散、粘结，之后进行喷雾干燥。干燥后的30％nicr-cr3c2粉末颗粒在气氛保护炉内1400℃下烧结2h，取出破碎后用500目的标准筛进行筛分。得到25～30μm的镍铬碳化铬(30％nicr-cr3c2)粉末。

镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)涂层制备的主要步骤包括：对基体45钢喷刚玉砂处理，使得基体表面粗糙度(ra)为3.2～6.4μm→送入起弧离子气体→喷涂设备送电→等离子喷枪起弧→向等离子流中送入喷涂粉末对工件表面进行喷涂形成镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)涂层→tig重熔处理得到镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)重熔层。本方法能有效地制备高结合强度、优良力学性能和磨损性能的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)涂层，制备涂层厚度为300μm的镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)涂层，由于涂层成分中陶瓷所占比例大，涂层太厚导致裂纹增多。若涂层太薄，则在实际应用中承受不了长时间的磨损，这将影响涂层的使用寿命，优选涂层厚度为300微米。

对等离子喷涂后的涂层试样进行重熔前预热处理，进行tig重熔处理后再进行重熔后保温处理，上述预热和保温的温度都是300℃，时间为两个小时，保温后炉内冷却，

本实施例喷砂、喷涂和重熔参数如表1：

表1等离子喷涂及tig重熔参数

重熔设备为yc-300wx型焊机。

由图1和图2对比可知涂层经过tig重熔后，涂层内部的孔隙、夹杂等缺陷减少。重熔涂层的界面结合处出现明显的光亮带，说明涂层与基体的界面结合方式发生了改变，由机械结合转变为冶金结合。而且重熔涂层在界面附近出现了一定宽度的元素扩散层，有利于界面结合强度的提高。

由图3喷涂层和重熔涂层的xrd对比图可知，重熔之后cr3c2和cr7c3的衍射峰削弱，而cr23c6的衍射峰增强，这是因为tig重熔过程中，高温使得部分含cr碳化物失碳分解生成cr23c6，多余的碳则和fe生成fe3c。碳化物的失碳分解并反应使得其分布更加的弥散均匀，这将提高涂层的硬度分布的均匀性。

图4所示为重熔前后涂层截面的硬度变化曲线，由图可知，重熔之前涂层的硬度达到1007hv左右，但是涂层和基体的硬度值相差大，且分界明显，这将导致涂层和基体的结合力差影响涂层使用寿命。且涂层中的硬度分布并不均匀，波动较大。重熔后涂层的硬度最后稳定在1141hv左右，而且从基体到重熔层硬度的提高是逐渐上升的，波动小。这是因为tig重熔使得基体和涂层之间发生了扩散，硬质相也因为失碳分解而在涂层中分布更加弥散均匀，这对于提高涂层耐磨性是有利的。

图5所示为涂层喷涂层和重熔层的摩擦系数对比。由图知170s后喷涂层摩擦系数波动变小呈逐步上升的趋势，最后达到0.513左右，重熔层摩擦系数在200s后趋于稳定，计算得到其平均摩擦系数为0.419。重熔后涂层的摩擦系数降低。

磨痕的3d形貌如图6和图7所示，喷涂层磨痕深且内部凹凸不平，说明磨损过程中存在脆性断裂现象。重熔层磨痕浅且内部光滑，有轻微的犁沟痕迹。经分析得到喷涂层和重熔层的磨损体积分别为5.53×10⁷μm³和2.24×10⁷μm³，磨损量减少了59.5％，说明重熔后涂层的耐磨性大大提高。

喷涂层磨痕的形貌如图8所示，喷涂层的磨痕中存在大量大小不一的凹坑，轻微的犁沟以及深灰色起润滑作用的氧化膜保护层还有氧化物保护层脱落和摩擦过程中硬质颗粒剥落后露出的新鲜涂层(浅灰色)。喷涂层常温下磨损形式为脆性断裂和粘着磨损以及磨粒磨损。重熔层的磨痕形貌如图9所示，其表面存在轻微的犁沟、深灰色的絮状物、深灰色氧化膜及浅灰色的新鲜涂层组织。化膜色面积较喷涂层明显增大，这将有利于摩擦系数的降低。重熔层的磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损。磨损形式和磨损体积损失的减少说明重熔提高了涂层的耐磨性。

实施例2

本实施例同样采用镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)粉末，粉末粒度25～30μm。相对实施例1，改变粉末nicr与cr3c2的成分配比，将nicr所占比例由30％调整为25％，而cr3c2所占比例由70％调整为75％。

其它步骤与实施例1中相同，得到的涂层内部裂纹增多。实施例1与实施例2的涂层截面金相图如图10中(a)、(b)所示，实施例2中裂纹增多是因为陶瓷含量高，导致涂层容易开裂，但整体仍为冶金结合。

实施例3

采用镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)粉末，粉末粒度25～30μm。nicr与cr3c2的质量配比不变，仍为3:7。调整涂层制备的工艺参数，其中涂层的喷涂参数不变，只改变tig重熔的参数。具体工艺参数如下表所示。

表2tig重熔参数

其他步骤与实施例1相同，得到的涂层夹杂和裂纹增多。如图11所示为100a时涂层截面的金相显微图，夹杂和裂纹的增多是因为电流增大，重熔时产生的能量相对变高，使得熔融涂层中的陶瓷颗粒易于团聚在一起，且冷却时的过冷度变大，而熔融涂层中的空气和陶瓷颗粒不易排出或熔化，从而导致夹杂增多和开裂。

对比例1

采用镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)粉末，粉末粒度25～30μm。nicr与cr3c2的质量配比不变，仍为3:7。调整涂层制备的工艺参数，其中涂层的喷涂参数不变，只改变tig重熔的参数，具体工艺参数如下表所示。

表3tig重熔参数

其他步骤与实施例1相同，得到的涂层结合方式为机械结合。涂层截面金相图如图12所示，电流不够，重熔时产生的能量不足，导致涂层熔融不充分，涂层和基体之间没有出现光亮带，结合方式仍为机械结合。

上述实施例说明，本发明得到镍铬碳化铬(nicr-cr3c2)涂层性能优异。其中，实施例1中nicr与cr3c2质量配比为3:7，在重熔电流为90a条件下，效果最佳。

电流大，重熔时的温度高，高温下涂层能更好的熔化，涂层内部反应以及涂层和基体之间的扩散反应也更加很充分。但是电流过大、温度过高将导致重熔处理完后试样和环境的温差大，涂层冷却过程中更容易产生裂纹。因此，需要在避免裂纹产生的情况下，尽量增大电流。

重熔时，涂层熔化后需要一定时间将熔融液体内部的气体排出，若速度太快，则熔化的涂层过快冷却，来不及排出内部气体，孔隙率升高。速度过慢，涂层和基体的扩散反应过于充分，将导致实际涂层中熔入过多基体成分，降低涂层性能。

本发明未尽事宜为公知技术。