一种金刚石-碳化钨硬度梯度耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明属于硬质耐磨涂层材料制备技术领域，具体涉及一种以气雾化的Fe-Cr-B-Si合金粉末为基础母粉，在母粉中加入镀铬金刚石和复合镀镍/铬的碳化钨作为梯度硬度添加相而制备出功能化涂层粉末，采用激光熔覆技术将涂层粉末熔敷于钢铁工件表面制备超耐磨涂层的方法。

背景技术

金属构件是工程领域中应用量最大的一类装备部件，磨损失效是其最大的失效形式之一。如何提高金属构件的耐磨性一直是国内外机械工程领域的重要研究热点。其中，采用表面工程技术，在金属部件表面涂覆一层硬度及耐磨性高于部件本体的耐磨涂层来提高部件的使用寿命，是一种常用而有效的技术途径。目前，耐磨涂层材料主要包括合金、陶瓷及合金-陶瓷等类别的耐磨产品，然而，随着自动化/智能化装备的快速发展，对装备部件工作效率及使用寿命的要求不断提高，现有的这些耐磨涂层材料仍无法满足高性能机械装备的发展需求，迫切需要开发新型超硬耐磨涂层材料，以满足工程装备日益增长的耐磨性需求。将碳化钨颗粒加入铁基耐磨粉末中利用焊接方法在金属部件表面制备耐磨涂层，是工程领域中常用的技术工艺，但在很多应用场景中仍无法满足耐磨工程需要；同时，碳化钨颗粒在不同的合金体系的焊接涂层中与金属基体间的界面结合能力存在差异，也需要考虑提高其与基体材料间的界面结合力问题。专利CN112591753B采用喷雾干燥及二次煅烧技术生产了一种稀土掺杂碳化钨复合粉体，并采用等离子熔覆技术在钢材表面制备了碳化钨耐磨涂层，碳化钨与涂层基体金属间形成了良好的冶金结合。此外，WC-10Co-4Cr也是一种常用的硬质耐磨涂层材料，含有对WC具有良好润湿性与结合力的贵金属Co，但价格较高，限制了其应用范围。金刚石是目前自然界硬度最高、耐磨性最好的物质，将金刚石作为耐磨焊接涂层材料应用，会显著提高涂层的硬度及耐磨性，但目前在此领域的研究开发较少，发展空间巨大。申请号为202211673050.7的专利公布了“一种含金刚石的超耐磨镍基复合材料及制备方法”，将镀铬金刚石微粉与镍基耐磨合金粉末混配应用，制备了激光熔覆耐磨涂层，金刚石与涂层基体金属间形成了良好冶金结合，涂层耐磨性显著提高，但涂层中的金刚石与基体金属间的硬度及耐磨性差异大，二者间的同步磨损协调性欠缺，涂层组织缺乏可居中调节硬度及耐磨性的次级硬质梯度调节相。而将具有硬度梯度的金刚石与碳化钨结合应用，可以制备出具有梯度耐磨性的焊接涂层材料，可以更好的满足不同场景。本工作在采用镀铬金刚石作为硬质添加相的同时，还引入了硬度低于金刚石的复合镀覆镍/铬的碳化钨颗粒作为次级硬质调节相，可以居中调节金刚石与金属涂层基体间的耐磨性差异，从而克服了以单一金刚石为硬质相时涂层组织整体耐磨性不同步的弊端，使硬质熔覆涂层具有梯度功能化的硬度与耐磨性的连续调节能力，从而使耐磨涂层具有更广域的适应性。同时，本发明对碳化钨粉进行表面镀覆金属处理，可以明显改善其与焊接涂层金属间的界面结合力，提高耐磨熔覆涂层的质量与性能。

本发明通过将主耐磨相镀铬金刚石、梯度硬度调节相碳化钨(复合镀镍/铬)与气雾化的Fe-Cr-B-Si合金粉末以一定的比例混合，配制成具有硬度梯度调节功能的耐磨涂层粉末，进而采用激光熔覆技术将功能化涂层粉末涂敷于钢材表面而制备硬质涂层，提高钢铁部件的表面耐磨性。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种基于镀铬金刚石和复合镀镍/铬的碳化钨为硬度梯度功能相、以Fe-Cr-B-Si气雾化合金粉末为母粉的耐磨涂层材料的制备及应用方法。

本发明将镀铬金刚石、复合镀镍/铬的碳化钨与气雾化的Fe-Cr-B-Si合金粉末以一定的比例混合制成的梯度功能粉末，采用激光熔覆技术将混合功能粉末涂敷于钢材表面而制成超耐磨的梯度功能化硬质涂层。

本发明具体技术方案如下：

一种金刚石-碳化钨硬度梯度耐磨涂层的制备方法，有以下步骤：

1)基础粉末称取：按设计比例称取粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末，该粉末组分重量比为：Ni18％～22％、Cr14％～16％、B2.5％～3.5％、Si2.5％～3.5％、C0.1％～0.2％，余量为Fe；

2)金刚石表面镀铬：利用化学镀覆或盐浴包覆的方法在粒度＜50μm的金刚石微粉表面镀覆一层金属铬，镀覆铬的增重量为金刚石微粉重量的50％～200％，镀覆结束后，用去离子水对镀铬金刚石进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆金刚石置于高纯工业酒精中进行超声波处理10min，取出金刚石，在室温下自然干燥，将干燥处理后的镀铬金刚石加热至750～900℃，保温60～120min，然后随炉冷却至室温，制取镀铬金刚石；

3)碳化钨表面复合镀镍/铬：利用化学镀覆或盐浴包覆方法在粒度＜20μm的碳化钨微粉表面复合镀覆金属镍和金属铬，其中，镀覆镍的增重量为碳化钨重量的8～12％，镀覆铬的增重量为碳化钨重量的4～6％；镀覆结束后，用去离子水对复合镀覆碳化钨颗粒进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆碳化钨置于高纯工业酒精中进行超声波处理10min，取出碳化钨，在室温下自然干燥，将干燥处理后的复合镀覆碳化钨加热至750～900℃，保温60～120min，然后随炉冷却至室温；

4)配料：将粒度为-150目的气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末、表面镀铬金刚石微粉和表面复合镀镍/铬的碳化钨粉末在三维混料机中机械混合30～60min，得到混合功能粉末，其中，镀铬金刚石微粉的质量份数为5～20％，镀镍/铬的碳化钨微粉的质量份数为5～25％，余量为气雾化Fe-Cr-B-Si粉末；

5)激光熔覆制备耐磨涂层：将步骤4)所制备的混合粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.0～1.2mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm；激光功率为1.5-2.0KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速速为10mm/s。

作为优选，步骤2)中，金刚石微粉的粒度为10～15μm、镀覆增重量为100％。

作为优选，步骤3)中，碳化钨微粉的粒度为2～6μm，镍的镀覆增重量为11.6％，铬的镀覆增重量为4.7％。

作为优选，步骤4)中，镀铬金刚石微粉的质量份数为20％，镀镍/铬的碳化钨微粉的质量份数为25％，气雾化Fe-Cr-B-Si粉末的质量份数为55％；

作为优选，步骤5)中，铺料厚度1.2mm，激光功率为2.0KW。

有益效果：

1、本发明采用了镀铬金刚石、复合镀镍/铬的碳化钨与气雾化的Fe-Cr-B-Si合金粉末进行功能化组合，得到超耐磨的硬度梯度功能化复合材料，通过中间硬度相WC的居中调节作用，可以进一步提高金刚石-金属组分体系的耐磨涂层的耐磨性。

2、本发明采用成本较低的Ni来替代Co，通过表面镀覆的方式将Ni包覆于WC颗粒表面，并通过热处理预烧结的方式增强Ni对WC颗粒的润湿与附着能力，达到类似于Co对WC的作用效能。同时，以Ni代Co，还可以降低材料成本，拓宽材料应用范围。

3、金刚石和碳化钨在被金属镀覆之后，均可以形成以硬质质点为“核”、以镀覆金属为“壳”的“核-壳”复合结构，活性金属壳层的存在可以有效的降低金刚石微粉及碳化钨微粉的界面能，显著增加其与基体金属间的界面冶金结合能力，提高熔覆层组织的整体结合强度。

4、由于金刚石的价格高于WC，本发明在金刚石—Fe-Cr-B-Si合金粉末的材料体系中加入次级硬度调节相WC粉，可以相应的减少金刚石的用量比例，在改善涂层耐磨性的同时，也可以进一步降低材料成本，拓宽涂层材料的应用领域。

附图说明

图1实施例1制备的镀铬金刚石的XRD图片。

图2实施例1制备的镀铬金刚石的SEM形貌图片。

图3实施例1制备的复合镀镍/铬的碳化钨XRD图片。

图4实施例1制备的复合镀镍/铬的碳化钨SEM形貌图片。

图5实施例1的激光熔覆熔池金相图片。

具体实施方式

实施例1：

1)金刚石表面镀铬：利用化学镀覆或盐浴包覆的方法在粒度10～15μm的金刚石微粉表面镀覆一层金属铬，镀覆铬的增重量为金刚石微粉重量的50％，镀覆结束后，用去离子水对镀铬金刚石进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆金刚石置于高纯工业酒精中进行超声波处理10min，取出金刚石，在室温下自然干燥，将干燥处理后的镀铬金刚石加热至750～900℃，保温60～120min，然后随炉冷却至室温，制取镀铬金刚石并真空包装备用。

图1为镀铬金刚石XRD图，可以看出，金属铬在金刚石表面反应生成Cr

图2为镀铬金刚石SEM形貌图片，可以看出，原始金刚石颗粒表面的尖锐棱角、棱面及台阶凹面已被镀覆金属所填充覆盖，颗粒整体呈圆钝特征，表明镀铬包覆效果良好。

2)碳化钨表面复合镀镍/铬：利用化学镀覆或盐浴包覆方法在粒度2～6μm的碳化钨微粉表面复合镀覆金属镍和金属铬，其中，镀覆镍的增重量为碳化钨重量的8％，镀覆铬的增重量为碳化钨重量的4％；镀覆结束后，用去离子水对复合镀覆碳化钨颗粒进行反复冲洗至水溶液呈中性状态，然后再将水洗后的镀覆碳化钨置于高纯工业酒精中进行超声波处理10min，取出碳化钨，在室温下自然干燥，将干燥处理后的复合镀覆碳化钨加热至750～900℃，保温60～120min，然后随炉冷却至室温，真空包装备用。

图3为复合镀镍/铬的碳化钨XRD图，可以看出，金属镍成功包覆在了粉末上，金属铬由于添加比例较小，衍射强度比较小。

图4为复合镀镍/铬的碳化钨SEM图可以看出，原始碳化钨颗粒的包覆效果良好。

3)功能粉末配制：称取900g粒度为-150目的市售气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末；称取步骤1)制备的镀铬金刚石50g；称取步骤2)制备的复合镀镍/铬的WC粉50g。将称取的3种物料装入充有高纯氮气的三维混料机中混合35min，混料桶转速为25转/min，混合结束后取出物料，制备出梯度功能化混合物料，将物料真空封装备用。

4)激光熔覆制备超耐磨涂层：将所制备的混合功能粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.0mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm。激光功率为1.6KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速度为10mm/s。测试焊缝的显微硬度，并测试对比含镀镍碳化铬的激光熔覆涂层与不含镀镍碳化铬的Fe-Cr-B-Si涂层的摩擦磨损性能。

本实施例激光熔覆层的硬度可达1025HV，耐磨性较未添加硬质功能相的Fe-Cr-B-Si母粉熔覆层提高了30％以上。

图5为本实施例激光熔覆熔池金相图片，可以看出，在熔池组织均匀、细腻，硬质添加相(金刚石/碳化钨)均与熔覆基体金属间形成了良好的冶金结合。

实施例2：

功能粉末配制：称取800g粒度为-150目的市售气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末；称取粒度为10～15μm、镀覆增重量为50％的镀铬金刚石100g；称取100g粒度为2～6μm的复合镀镍/铬的WC粉，其中，镍的镀覆量为10g，铬的增重量为4g。将称取的3种物料装入充有高纯氮气的三维混料机中混合35min，混料桶转速为25转/min，混合结束后取出物料，制备出梯度功能化混合物料，将物料真空封装备用。

激光熔覆制备超耐磨涂层：将所制备的混合功能粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.1mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm。激光功率为1.7KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速度为11mm/s。本实施例激光熔覆层的硬度可达1075HV，耐磨性较未添加硬质功能相的Fe-Cr-B-Si母粉熔覆层提高了50％以上。

实施例3：

功能粉末配制：称取700g粒度为-150目的市售气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末；称取粒度为10～15μm、镀覆增重量为50％的镀铬金刚石150g；称取150g粒度为2～6μm的复合镀镍/铬的WC粉，其中，镍的镀覆量为18g，铬的增重量为9g。将称取的3种物料装入充有高纯氮气的三维混料机中混合35min，混料桶转速为25转/min，混合结束后取出物料，制备出梯度功能化混合物料，将物料真空封装备用。

激光熔覆制备超耐磨涂层：将所制备的混合功能粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.2mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm。激光功率为2.0KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速度为10mm/s。本实施例激光熔覆层的硬度可达1192HV，耐磨性较未添加硬质功能相的Fe-Cr-B-Si母粉熔覆层提高了1倍以上。

实施例4：

功能粉末配制：称取550g粒度为-150目的市售气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末；称取粒度为10～15μm、镀覆增重量为50％的镀铬金刚石200g；称取250g粒度为2～6μm的复合镀镍/铬的WC粉，其中，镍的镀覆量为25g，铬的增重量为10g。将称取的3种物料装入充有高纯氮气的三维混料机中混合40min，混料桶转速为25转/min，混合结束后取出物料，制备出梯度功能化混合物料，将物料真空封装备用。

激光熔覆制备超耐磨涂层：将所制备的混合功能粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.0mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm。激光功率为1.8KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速度为10mm/s。本实施例激光熔覆层的硬度可达1271HV，耐磨性较未添加硬质功能相的Fe-Cr-B-Si母粉熔覆层提高了1.2倍以上。

实施例5：

功能粉末配制：称取550g粒度为-150目的市售气雾化Fe-Cr-B-Si合金粉末；称取粒度为10～15μm、镀覆增重量为100％的镀铬金刚石200g；称取250g粒度为2～6μm的复合镀镍/铬的WC粉，其中，镍的镀覆量为25g，铬的增重量为10g。将称取的3种物料装入充有高纯氮气的三维混料机中混合35min，混料桶转速为25转/min，混合结束后取出物料，制备出梯度功能化混合物料，将物料真空封装备用。

激光熔覆制备超耐磨涂层：将所制备的混合功能粉末均匀铺附于低碳钢板表面，铺料厚度1.2mm，单层焊道的铺料宽度4mm，焊道长度30mm。激光功率为2.0KW，激光光斑直径为4mm，光斑移动速度为10mm/s。本实施例激光熔覆层的硬度可达1296HV，耐磨性较未添加硬质功能相的Fe-Cr-B-Si母粉熔覆层提高了1.3倍以上。