一種高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于涂層材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶合金具有短程有序長程無序、成分組織均勻、不存在晶體缺陷等特點(diǎn)，因而具有很高的強(qiáng)度、韌性、良好耐磨和耐蝕性能等優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。鐵基非晶合金作為其中一類重要的非晶合金，它不僅具有一般非晶合金所具有的特點(diǎn)，且大部分鐵基非晶合金還具有優(yōu)異的軟磁性能，在磁性材料中獲得了廣泛的應(yīng)用。同時，最重要的是自然界中鐵的資源豐富、制備非晶時要求真空度低等特點(diǎn)使得材料成本和制備成本低，容易獲得推廣使用。然而由于鐵基非晶合金室溫塑性較差，且大尺寸鐵基非晶合金較難制備，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。從鐵基非晶合金的性能優(yōu)勢出發(fā)，將非晶合金與現(xiàn)代表面工程技術(shù)結(jié)合起來，制備具有優(yōu)良耐磨耐腐蝕性能的非晶納米晶復(fù)合涂層，對零部件的再制造修復(fù)、改善工件表面性能、提高零件的可靠性、延長使用壽命具有重要的實(shí)用價值。
[0003]近些年來，熱噴涂制備非晶納米晶復(fù)合涂層的方法得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，但熱噴涂制備的涂層存在結(jié)合強(qiáng)度低、涂層薄、孔隙多等不足。與熱噴涂技術(shù)相比，等離子堆焊技術(shù)具有成本低、結(jié)合強(qiáng)度高、熱畸變小、熱影響區(qū)小、稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的耐磨、耐腐蝕涂層的制備工藝。但等離子堆焊過程中堆焊層的冷卻速度很低，難以制備出非晶涂層。已公開專利CN103128421B公開了 “一種鐵基非晶/納米晶復(fù)合涂層的制備方法”，采用手工電弧焊的方法制備出一種鐵基非晶/納米晶復(fù)合涂層。與手工電弧焊相比，等離子堆焊不僅堆焊效率高、堆焊質(zhì)量好，而且操作方便、安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種硬度高，耐磨性能好，抗裂紋性能好的高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層。
[0005]本發(fā)明另一目的是提供一種簡單、可靠、安全、低成本的高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的制備方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層及其制備方法，通過等離子堆焊法制備而成。該方法可以很容易的制備厚度達(dá)幾個毫米的堆焊層，并且該方法為冶金結(jié)合工藝，相對于現(xiàn)有鐵基非晶納米晶涂層的熱噴涂法，即機(jī)械結(jié)合方法，等離子堆焊方法使得堆焊涂層與基材結(jié)合的更為牢固。所述等離子堆焊法包括下述具體步驟:
[0008](I)將工業(yè)上使用的純金屬？6 31、3丨、111和工業(yè)上用的？6-0-(:、？6^6-11合金按比例配制成原料并制備成粒度為100?300 μm的合金粉末；
[0009](2)對基材表面依次進(jìn)行氧化物去除和表面清洗；
[0010](3)采用等離子堆焊機(jī)，將經(jīng)步驟(I)制備好的合金粉末堆焊成合金涂層，其中，等離子堆焊機(jī)的各項工藝參數(shù)為:焊接電壓為25?30V、焊接電流為140?190A、焊接速度為35?40mm/min、保護(hù)氣流速度為10?12L/min，送粉速度為15?25g/min，擺動幅度為20 ?30mm ;
[0011]其中，高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的堆焊涂層厚度按實(shí)際要求進(jìn)行控制。
[0012](4)等離子堆焊結(jié)束后，將等離子堆焊涂層和基材在空氣中自然冷卻到室溫，即完成該高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的制備。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(I)中所述合金粉末采用真空氣霧法制備而成:將工業(yè)上使用的純金屬Fe、Al、S1、Mn和工業(yè)上用的Fe-Cr-C、Fe_B、Fe-Ti合金按比例配制后置于真空感應(yīng)爐中熔化、精煉，然后將熔融的金屬液體倒入保溫坩禍中并進(jìn)入霧化爐中，經(jīng)高壓氣體流霧化并在霧化塔中凝固、沉降，落入收粉罐中得到。
[0014]其中，上述合金粉末除了可以采用現(xiàn)有技術(shù)中將純金屬或者合金以粉末或塊體配制成所需比例原料，經(jīng)熔化后采用水霧化或者氣霧化的方法霧化成粉末的方法進(jìn)行制備；也可以采用將純金屬或者合金以粉末或塊體配制成所需比例原料，熔化后凝固、粉碎，即采用物理方法制備粉末；或者采用本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用的其他方法制備。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟⑴中按照比例配制的合金粉末的成分為:
[0016]Fe7UCr15^Ala6TihlB4Uia3Mna5，其中，各數(shù)值為原子百分?jǐn)?shù)。
[0017]在該鐵基非晶合金粉末的組成成分中，B、C都是類金屬元素，除可以降低非晶合金的臨界冷卻速率外，主要作用是形成非晶合金，而且B、C是重要的耐磨相形成元素；S1、Mn具有聯(lián)合脫氧和固溶強(qiáng)化作用，可以降低熔點(diǎn)，提高熔融金屬流動性，提高非晶形成能力；Cr、Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，形成的碳化物有利于增加耐磨性;A1對提高非晶形成能力有利。
[0018]其中，所述合金粉末也可以根據(jù)上述比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，并與所述堆焊工藝配合，形成性能良好的高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層。
[0019]優(yōu)選地，在所述步驟(2)中，所述基材為35CrMo鋼；所述基材表面氧化物的去除采用車削或打磨的方法；所述基材表面清洗采用金屬洗凈劑、熱堿液或有機(jī)溶劑進(jìn)行表面清洗。
[0020]一種采用上述的高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的制備方法在基材上形成的鐵基非晶涂層。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用該等離子堆焊法制備的鐵基堆焊涂層是一種非晶納米晶復(fù)合涂層，具有高的非晶含量、高的洛氏硬度，耐磨粒磨損性能遠(yuǎn)好于35CrMo鋼，可廣泛應(yīng)用于冶金機(jī)械、礦山機(jī)械、動力機(jī)械、石油、化工設(shè)備，建筑運(yùn)輸設(shè)備以及工具、模具的制造和修復(fù)；此外，該等離子堆焊方法制備涂層的工藝簡單，操作簡便易行，無需焊前預(yù)熱、焊后緩冷，堆焊后涂層無裂紋，并且焊接過程中飛濺小，涂層無剝落，涂層成形良好；其中合金制備可以采用鐵合金替代純金屬組元的方法，降低了成本，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的實(shí)施例1和實(shí)施例2為不同厚度涂層時的X射線衍射圖；
[0023]圖2是本發(fā)明高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的實(shí)施例1的透射電鏡圖；
[0024]圖3是本發(fā)明高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的實(shí)施例1的涂層中非晶納米晶微觀組織的透射電鏡圖；
[0025]圖4是本發(fā)明高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的實(shí)施例1和實(shí)施例2為不同厚度涂層時的洛氏硬度對比圖；
[0026]圖5是本發(fā)明高非晶含量的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的實(shí)施例1和實(shí)施例2為不同厚度涂層時的耐磨性能對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0028]實(shí)施例1
[0029](I)制備等離子堆焊所用合金粉末:
[0030]將工業(yè)上使用的純金屬Fe、Al、S1、Mn和工業(yè)上用的Fe-Cr-C、Fe_B、Fe-Ti合金按成分為Fe77^Crlix2Ala6Ti1.^qC1.QSia3MnQ.5，(原子百分?jǐn)?shù)，at% )進(jìn)行原料配置，將配制好的金屬原料在真空感應(yīng)爐中熔化、精煉后，熔化的金屬液體倒入保溫坩禍并送入霧化爐中，并進(jìn)入導(dǎo)流管和噴嘴，此時熔體流被高壓氣體流所霧化。霧化后的金屬粉末在霧化塔中進(jìn)行凝固、沉降，落入收粉罐中；
[0031](2)選用35CrMo鋼作為基材，并在進(jìn)行等離子堆焊前對基材表面依次進(jìn)行氧化物去除和表面清洗，其中，去除氧化物采用打磨法，直至露出金屬光澤；表面清洗則依次采用金屬洗凈劑、酒精和丙酮進(jìn)行清洗；
[0032](3)使用型號為LU-D500-F600/B800-CNC型數(shù)