本發(fā)明涉及一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層以及制備該涂層的方法，屬于表面涂層和表面改性領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，很多裝備與構(gòu)件服役于摩擦、腐蝕的復(fù)雜工況環(huán)境，需要良好的摩擦相容性，即不能強(qiáng)度硬度太低，極易造成本身磨損，也不可以強(qiáng)度硬度太高，造成對(duì)磨件的損傷。在裝備或構(gòu)件表面制備減摩耐蝕涂層是提高材料表面摩擦相容性的重要途徑。

Fe基非晶合金具有高的硬度、高的彈性模量及優(yōu)良的耐蝕性能，且成本低廉，引起廣泛關(guān)注。目前已開發(fā)出的Fe基非晶合金成分與Zr基、Pd基、Cu基非晶合金體系相比，其玻璃形成能力較差，難以作為大尺寸的結(jié)構(gòu)件使用。將非晶合金與表面涂層制備技術(shù)相結(jié)合，制備非晶涂層可突破非晶合金尺寸上的限制，拓展非晶合金應(yīng)用領(lǐng)域。目前，已有采用噴涂技術(shù)、電火花沉積技術(shù)和激光熔覆技術(shù)制備涂層的研究報(bào)道。然而，一般而言，噴涂非晶涂層的膜基結(jié)合力較差，電火花沉積非晶涂層的沉積層一般較薄，均難以適用于復(fù)雜工況條件。激光熔覆可制備與基體呈冶金結(jié)合的涂層，但由于激光熔覆的工藝特點(diǎn)，很難獲得完全的單相非晶組織，一般獲得的是非晶與金屬間化合物組成的復(fù)相組織。由于第二相與非晶相的化學(xué)電位差，導(dǎo)致兩者容易發(fā)生電偶腐蝕，降低非晶基復(fù)合涂層的耐蝕性。

固溶體與非晶態(tài)合金均具有化學(xué)近程有序性與長(zhǎng)程無(wú)序性，都是Hume-Rothery相，他們之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。非晶態(tài)合金可以看作是具有更高固溶度的單相固溶體合金。采用非晶合金成分材料制備固溶體合金涂層，即可保持非晶態(tài)合金高強(qiáng)度，高耐蝕性的特點(diǎn)，也可保持固溶體合金固有的特性，獲得低摩擦系數(shù)，高耐蝕性的合金涂層，應(yīng)用于冶金、石油、化工、能源、電力等工業(yè)中存在的，在腐蝕環(huán)境下承受摩擦磨損作用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面改性與修復(fù)，有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性的固溶體合金涂層，解決在腐蝕環(huán)境下承受摩擦磨損作用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件的摩擦相容性問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明還提供一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性的固溶體合金涂層的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.0～3.0％；Co：8.4～11％；Cr:28.0～32.0％；Ni：17.0～21.5％；Mo：3.3～4.5％；Si：1.0～1.6％；B：3.1～4.0％；其余為Fe。鐵基非晶合金粉末用氣體霧化方法制備，為了保證粉末的固體流動(dòng)性，保證后其激光熔敷層的成型質(zhì)量，選擇粒度范圍在30-70μm粉末作為熔覆材料，制備的鐵基非晶合金粉末為完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

上述成分中，各個(gè)元素的主要作用是：

Cu可有限固溶到Fe中形成固溶體，提高熔覆層強(qiáng)度。Cu元素還可起到提高熔覆層抗大氣腐蝕的性能；

Co可與γ-Fe形成無(wú)限互溶固溶體，同時(shí)還可提高熔覆層的熱強(qiáng)性；

Cr可與α-Fe形成無(wú)限互溶固溶體，同時(shí)可提高Fe的電極電位，防止電化學(xué)腐蝕，是提高熔覆層耐蝕性的重要元素；

Ni可與γ-Fe形成無(wú)限互溶固溶體，同時(shí)可降低熔覆層脆性，降低熔覆層開裂傾向，減小摩擦系數(shù)；

Mo可有限固溶到Fe中，同時(shí)還能夠細(xì)化熔覆層組織，提高熔覆層韌性和耐磨性，降低裂紋敏感性；

B、Si主要是提高粉末的脫氧造渣能力，提高熔覆層的成型質(zhì)量。

發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)得出本發(fā)明采用以下配比，達(dá)到的效果最好。以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.5％；Co：10％；Cr：30％；Ni:20％；Mo：4.0％；Si:1.3％；B:3.5％；其余為Fe。

本發(fā)明所述的低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層的制備采用預(yù)涂覆技術(shù)，先在合金鋼基體上涂覆厚度1-1.5mm的Fe基非晶粉末，利用5kW橫流CO2激光器制得，具體工藝參數(shù)為：激光功率3.0～3.6kW，掃描速度200mm/min～400mm/min，光斑尺寸為10mm×1mm。熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為3-5L/min。最終制得的涂層主要由固溶體組成，厚度為0.8mm～1.2mm。本發(fā)明中，激光功率太小，且掃描速度太大，此時(shí)輸入功率較低，不能形成冶金結(jié)合的熔覆層；如果激光功率太大，且掃描速度太小，輸入功率較高，基材熔化較深，涂層的稀釋率較高，就會(huì)破壞涂層的成分，影響涂層的顯微組織。

由于涂層主要是由Fe基固溶體組成，固溶體中溶入了大量的合金元素，如Cr、Ni、Co、Mo等，這些元素的原子半徑與Fe原子相當(dāng)，主要形成置換固溶體。由于置換固溶體是一種弱強(qiáng)化的固溶強(qiáng)化方式，可提高涂層的強(qiáng)度與硬度，但提高量有限，得到適中的強(qiáng)度與硬度。固溶強(qiáng)化，可提高涂層強(qiáng)度，提高其彈性模量及彈性變形能力，使涂層具有大的彈性比功。在摩擦載荷作用下，可通過(guò)彈性變形調(diào)節(jié)其與摩擦副之間的載荷作用與分布，從而減少或避免對(duì)摩擦副的劃傷，從而起到降低摩擦系數(shù)的作用。材料的耐蝕性主要取決于合金性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)。固溶體結(jié)構(gòu)均勻單一，且自身的表面活性較高，易在表面迅速形成均勻鈍化膜，使腐蝕難以發(fā)生。在具體的合金中，其耐蝕性主要取決于合金元素本身的特性。固溶體合金涂層中存在大量的Cr、Ni、Mo、Co等提高合金耐蝕性的元素，因而涂層具有高的耐蝕性。

本發(fā)明的固溶體合金涂層，與基體呈冶金結(jié)合，具有低的摩擦系數(shù)、適中的硬度和高的耐蝕性，應(yīng)用于冶金、石油、化工、能源、電力等工業(yè)中普遍存在的，在腐蝕環(huán)境下承受摩擦磨損作用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面改性與修復(fù)，有巨大的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為霧化Fe基非晶粉末的X射線衍射檢測(cè)結(jié)果；

圖2為不同工藝參數(shù)下制備涂層的X射線衍射檢測(cè)結(jié)果；

圖3為涂層的微觀組織形貌；

圖4為涂層的硬度變化曲線；

圖5為涂層的摩擦系數(shù)變化曲線；

圖6為涂層的電化學(xué)極化曲線；

圖中：1為基體，2為結(jié)合區(qū)，3為熔覆層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.0～3.0％；Co：8.4～11％；Cr:28.0～32.0％；Ni:17.0～21.5％；Mo:3.3～4.5％；Si:1.0～1.6％；B:3.1～4.0％；其余為Fe。

實(shí)施例1

一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.0％；Co：8.4％；Cr:28.0％；Ni:17.0％；Mo:3.3％；Si:1.0％；B:3.1％；其余為Fe。

1)制備非晶合金粉末：

首先將上述所需成分用真空熔煉的方法獲得母合金，然后將母合金放入霧化爐中，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末。霧化后篩選粒度范圍在30-100μm粉末作為熔覆粉末。粉末的x射線衍射圖如圖1所示，由圖可見，粉末為完全非晶態(tài)。

2)選用304L不銹鋼作為基體。熔覆前將試樣用600#砂紙磨平，在丙酮溶液中超聲清洗10min清洗去油。

3)采用5kW橫流CO2激光器對(duì)304L不銹鋼基體進(jìn)行激光熔覆。具體工藝參數(shù)為，預(yù)涂覆厚度1.5mm，激光功率3.6kW，掃描速度200mm/min，光斑尺寸10mm×1mm。熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為3L/min。

4)激光熔覆后，將試樣在空氣中自然冷卻。

實(shí)施例2

一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.5％；Co：10％；Cr:30％；Ni:20％；Mo:4.0％；Si:1.3％；B:3.5％；其余為Fe。

步驟(1)、(2)和(4)均與實(shí)施例1相同，僅調(diào)整步驟(3)中的工藝參數(shù)如下：預(yù)涂覆厚度1.2mm，激光功率3.6kW，掃描速度300mm/min，光斑尺寸10mm×1mm。熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為4L/min。

實(shí)施例3

一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：3.0％；Co：11％；Cr:32.0％；Ni:21.5％；Mo:4.5％；Si:1.6％；B:4.0％；其余為Fe。

步驟(1)、(2)和(4)均與實(shí)施例1、2相同，僅調(diào)整步驟(3)中的工藝參數(shù)如下：預(yù)涂覆厚度1.0mm，激光功率3.6kW，掃描速度400mm/min，光斑尺寸10mm×1mm。熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為5L/min。

組織結(jié)構(gòu)與性能評(píng)價(jià)：

以下對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層分別通過(guò)顯微組織觀察、物相分析、硬度實(shí)驗(yàn)、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與性能評(píng)價(jià)。

(1)對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層進(jìn)行物相分析，涂層的X射線衍射圖如圖2所示。由圖分析可知，涂層主要由涂層主要由Fe(Ni)和(FeCrNi)固溶體組成。

(2)對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層進(jìn)行微觀組織分析，如圖3所示，由圖可知，熔覆層的顯微組織形貌分為三個(gè)部分：從基體到涂層分別為基體、結(jié)合區(qū)和熔覆層。基體為奧氏體不銹鋼，涂層由“絲條狀”樹枝晶組成，涂層與基體之間出現(xiàn)了約為5μm的平面晶，實(shí)現(xiàn)了涂層與基體的冶金結(jié)合。

(3)對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層進(jìn)行硬度分析測(cè)試。采用HV-100A型顯微硬度計(jì)，載荷200g，保載時(shí)間10s。沿熔覆層橫截面的最大熔深方向，由熔覆層表面至基體每隔0.1mm的距離測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試三次，取平均值。不同工藝參數(shù)下試樣的顯微硬度曲線如圖4所示。從中可以看出熔覆層硬度分布較為均勻，沿著熔覆層的深度變化不大，平均硬度約為480HV0.2?；w硬度在180HV0.2左右，涂層硬度約是基體硬度的2.5倍。

(4)對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層進(jìn)行摩擦磨損分析測(cè)試。采用MMU-5屏摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，選用銷-盤式滑動(dòng)干摩擦的方式在室溫下測(cè)定熔覆層摩擦系數(shù)，對(duì)磨件為軸承鋼(GCr15)，表面硬度為HRC63。施加載荷100N，摩擦?xí)r間60min，摩擦副轉(zhuǎn)速100r/min。不同工藝參數(shù)下熔覆層摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示。從圖中可以看出，304L基體的磨損過(guò)程比較劇烈，摩擦系數(shù)變化幅度較大，摩擦系數(shù)平均值為0.55左右；在同樣的載荷條件下，涂層的摩擦系數(shù)在0.08-1.2之間，有較低的摩擦系數(shù)。

(5)對(duì)實(shí)施例1，2和3中所制備的固溶體合金涂層進(jìn)行電化學(xué)極化測(cè)試。采用M398電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)，三電極體系測(cè)定涂層在3.5％NaCl電解質(zhì)溶液中的極化曲線。實(shí)驗(yàn)中工作電極為熔覆層，參比電極為飽和KCl溶液，輔助電極為金屬鉑片。不同工藝參數(shù)下熔覆層的極化曲線如圖6所示。由極化曲線可以看出，熔覆層的電化學(xué)性能基本相近，均為典型的活性溶解，無(wú)明顯的鈍化區(qū)。不同掃工藝參數(shù)下涂層的腐蝕電位均明顯高于304L基體，自腐蝕電流密度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基體，有優(yōu)于304L不銹鋼的耐蝕性。

技術(shù)特征：

1.一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，其特征在于：以鐵基非晶合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)制得，其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.0～3.0％；Co：8.4～11％；Cr:28.0～32.0％；Ni:17.0～21.5％；Mo:3.3～4.5％；Si:1.0～1.6％；B:3.1～4.0％；其余為Fe。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，其特征在于：以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鐵基非晶合金粉末的成分為：Cu：2.5％；Co：10％；Cr：30％；Ni:20％；Mo：4.0％；Si:1.3％；B:3.5％；其余為Fe。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層，其特征在于：所述鐵基非晶合金粉末用氣體霧化方法制備，粉末粒度為30-70μm，為完全非晶態(tài)。

4.制備權(quán)利要求1所述的一種低摩擦系數(shù)高耐蝕性固溶體合金涂層的方法，其特征在于：制備工藝參數(shù)為：激光功率3.0～3.6kW，掃描速度200mm/min～400mm/min，光斑尺寸為10mm×1mm；熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為3-5L/min。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供一種低摩擦系數(shù)高耐蝕固溶體合金涂層及其制備方法。將Fe基非晶合金粉末采用激光熔覆技術(shù)在合金鋼基體表面制備合金涂層。其中Fe基非晶粉末的成分為Cu：2.0～3.0％；Co：8.4～11％；Cr：28.0～32.0％；Ni：17.0～21.5％；Mo：3.3～4.5％；Si：1.0～1.6％；B：3.1～4.0％；其余為Fe。制備時(shí)激光功率3.0～3.6kW，掃描速度200mm/min～400mm/min，光斑尺寸10mm×1mm。熔覆時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為3?5L/min。本發(fā)明制備的涂層主要由固溶體組成，與基體之間為冶金結(jié)合，具有適中的硬度，低的摩擦系數(shù)，高的耐蝕性。

技術(shù)研發(fā)人員：王彥芳;石志強(qiáng);鐘鵬;孫旭

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)石油大學(xué)（華東）

文檔號(hào)碼：201610867338

技術(shù)研發(fā)日：2016.09.30

技術(shù)公布日：2017.01.04