一種在不銹鋼表面制備硼化物涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于不銹鋼表面改性處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種TiB2/C耐蝕涂層的制備工藝。將不銹鋼基體作高能微弧合金化設(shè)備的陰極，將沉積電極作高能微弧合金化設(shè)備的陽(yáng)極，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高能微弧合金化沉積，在基底表面獲得涂層。通過(guò)對(duì)TiB2粉末摻雜碳粉后制備的TiB2/C涂層致密性提高，且高能微弧合金化工藝促進(jìn)了涂層與基體呈冶金結(jié)合，脆性降低，表面無(wú)明顯缺陷，在高溫，酸性等苛刻條件下，對(duì)基體可提供長(zhǎng)期有效保護(hù)。
【專利說(shuō)明】
一種在不銹鋼表面制備硼化物涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于不銹鋼表面改性處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種TiB2/C耐蝕涂層的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]二硼化鈦(TiB2)作為過(guò)渡金屬基陶瓷，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗氧化性、硬度、耐磨損性及導(dǎo)電性能，一直被認(rèn)為是最有潛力得到廣泛應(yīng)用的硼化物陶瓷，如導(dǎo)電陶瓷材料，抗磨材料，切削工具等領(lǐng)域，都是二硼化鈦(TiB2)典型應(yīng)用行業(yè)。鑒于二硼化鈦(TiB2)具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)，眾多研究人員將其用來(lái)作為涂層材料來(lái)提高金屬基體的表面硬度，改善其耐磨性能，他們通過(guò)熱噴涂、激光恪覆、脈沖電極沉積等技術(shù)方法在金屬表面獲得TiB2基涂層材料，在既不改變金屬材料本身的良好塑性、韌性等性能下，又提高了金屬的表面硬度、磨損強(qiáng)度、抗氧化以及導(dǎo)電性，從而進(jìn)一步拓寬了金屬材料的應(yīng)用范圍。
[0003]在諸多TiB2涂層制備技術(shù)中，激光熔覆技術(shù)方法的優(yōu)勢(shì)在于通?？梢詫?shí)現(xiàn)金屬基體與陶瓷涂層的冶金結(jié)合，從而使得所獲得的涂層在高溫潮濕等環(huán)境下不易脫落、失效等。然而由于激光熔覆過(guò)程中加熱和冷卻速率極快，熔覆層與基體間熱膨脹系數(shù)的差異，容易導(dǎo)致熔覆涂層局部形成微裂紋或變形等缺點(diǎn)，對(duì)涂層的致密性造成不利，這在從某種程度上制約了涂層更大的發(fā)揮。
[0004]其次，二硼化鈦(TiB2)本身脆性大，導(dǎo)致涂層應(yīng)力集中、易于開(kāi)裂，這些缺陷往往會(huì)導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)滲透，影響其使用性能。
[0005]高能微弧合金化(HEMAA)是一種簡(jiǎn)單易控且成本低的表面處理技術(shù)，能夠在金屬表面沉積陶瓷涂層，設(shè)備不如激光設(shè)備昂貴，易于工業(yè)化應(yīng)用推廣，是目前陶瓷涂層制備中非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，然而目前卻很少有報(bào)道關(guān)于采用高能微弧合金化技術(shù)制備金屬硼化物涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于:激光熔覆、等離子噴涂等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)對(duì)制備的二硼化鈦(TiB2)涂層的致密性不利，易形成微裂紋或變形;二硼化鈦(TiB2)涂層脆性高，與基體結(jié)合不牢固，易于剝落，不易在金屬表面沉積；
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]提供一種在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法:將經(jīng)過(guò)表面處理后的不銹鋼基體作高能微弧合金化設(shè)備的陰極，將沉積電極作高能微弧合金化設(shè)備的陽(yáng)極，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高能微弧合金化沉積，在基底表面獲得致密微晶化的TiB2涂層，克服了陶瓷硼化物脆性大，不易在金屬表面沉積的缺點(diǎn)，提高了不銹鋼的硬度和耐磨性能，
[0009]其中，選用牌號(hào)為304L或316L的不銹鋼基底，其表面處理為:依次采用400、2000#SiC砂紙打磨并用丙酮除油；
[0010]沉積電極為T丨82沉積電極或T i B2/C沉積電極，[0011 ] TiB2沉積電極的制備方法為:將TiB2粉末壓制成型，隨后在高溫下燒結(jié)制備得到電極，
[0012]TiB2/C沉積電極的制備方法為:TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為95.0?98.0wt.%,碳粉為2.0?5.0wt.% ,再球磨后壓制成型，隨后在高溫下燒結(jié)制備得到電極，
[0013]其中，球磨采用行星式球磨機(jī)，研磨介質(zhì)為氧化鋯球，其中大球、中球、小球比例為1:2:4，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為2h，
[0014]將球磨干燥后的TiB2粉末裝入鋼模壓制成型，壓力為6?7MPa，時(shí)間為2?5min，
[0015]高溫?zé)Y(jié)過(guò)程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，首先經(jīng)1.5h從室溫(25°C)升至450°C，隨后經(jīng)2h從450 °C升溫至1600 °C，再經(jīng)1.5h從1600 °C升溫至1900 °C，在1900 °C下保溫4h后，自然冷卻至室溫(25°C);
[0016]高能微弧合金化沉積在氬氣側(cè)吹保護(hù)下進(jìn)行，氬氣流速為15L/min，沉積前調(diào)節(jié)高能微弧合金化設(shè)備的工藝參數(shù)，其中，沉積電壓控制在85 ± 5V;沉積頻率控制在600 ±200Hz ；沉積電流脈寬控制在400 土 200ys，輸出功率為1100 土 200W，
[0017]沉積時(shí)間為3?5min，沉積過(guò)程中保持電極勾速旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為1100r/min)，且不斷保持電極相對(duì)于基體均勻移動(dòng)，保證涂層均勻性。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:通過(guò)高能微弧合金化設(shè)備制備的TiB2涂層脆性降低，與基體呈冶金結(jié)合，且均勻致密，表面無(wú)明顯缺陷，在高溫，酸性等苛刻條件下，對(duì)基體可提供長(zhǎng)期有效保護(hù);通過(guò)對(duì)TiB2粉末摻雜碳粉制備TiB2/C復(fù)合陶瓷電極，在保留TiB2優(yōu)異綜合性能的基礎(chǔ)上，提高了其導(dǎo)電性，減少了沉積TiB2涂層形成的裂紋，涂層的致密性提高。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為不銹鋼304L基體材料與形成的TiB2/C涂層材料在0.3MH2S04+2ppmF溶液中腐蝕極化曲線，如圖中可見(jiàn)相對(duì)于基體，形成的TiB2/C涂層腐蝕電位升高。
[0020]圖2為碳摻雜前后形成的TiB2涂層表面形貌，圖a為無(wú)碳摻雜，圖b為碳摻雜改性的涂層，
[0021]純TiB2涂層相對(duì)于TiB2/C涂層表面有明顯裂紋，TiB2摻雜碳后表面缺陷減少，涂層光滑、平整。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
[0023](I)不銹鋼基體表面預(yù)處理
[0024]將304L不銹鋼切割成長(zhǎng)X寬X高為1mmX 1mmX 5mm的樣品，并在預(yù)磨機(jī)上依次采用400、2000#SiC砂紙逐級(jí)打磨去除表面氧化層，然后放入丙酮溶液中除油清洗3min，用去離子水清洗并干燥；
[0025](2)TiBj；OR電極的制備
[0026]將純TiB2粉末裝入鋼模，7MPa壓力下保壓4min壓制成型，隨后將壓制成型后的TiB2在氬氣保護(hù)下，首先經(jīng)1.5h從室溫(25°C )升至450°C，隨后經(jīng)2h升溫至1600°C，再經(jīng)1.5h從1600°C升溫至1900°C，在1900°C下保溫4h后，自然冷卻至室溫；
[0027](3)將經(jīng)過(guò)步驟(I)表面處理后的304L不銹鋼連接高能微弧合金化裝備陰極，將步驟(2)中制備的TiB2沉積電極連接高能微弧合金化設(shè)備陽(yáng)極，調(diào)節(jié)高能微弧冷焊機(jī)設(shè)備的沉積電壓控制為85V、沉積頻率為700Hz、沉積電流脈寬為500ys、冷焊機(jī)輸出功率為11OOW，
[0028]沉積過(guò)程在氬氣側(cè)吹保護(hù)下進(jìn)行，保持這期間氬氣流量為15L/min，沉積過(guò)程中保持電極勻速旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為llOOr/min)，且不斷保持電極相對(duì)于基體均勻移動(dòng)，保證涂層均勻性，沉積3min后獲得一層厚度為18μπι的TiB2涂層，涂層表面有明顯的裂紋，如附圖2中a所不O
[0029]實(shí)施例2
[0030](I)不銹鋼基體表面預(yù)處理
[0031]具體操作同實(shí)施例1;
[0032](2)TiB2/C沉積電極的制備
[0033]TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為98.0wt.%，碳粉為2.0wt.%，
[0034]再球磨后壓制成型，球磨采用行星式球磨機(jī)，研磨介質(zhì)為氧化鋯球，其中大球、中球、小球比例為1:2:4,調(diào)節(jié)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為2h ；將球磨干燥后的TiB2/C粉末裝入鋼模，7MPa壓力下保壓4min壓制成型；
[0035]隨后將壓制成型后的TiB2/C在氬氣保護(hù)下，首先經(jīng)1.5h從室溫(25°C)升至450°C，隨后經(jīng)2h升溫至1600°C，再經(jīng)1.5h從1600°C升溫至1900°C，在1900°C下保溫4h后，自然冷卻至室溫(25°C);
[0036](3)高能微弧合金化沉積
[0037]將經(jīng)過(guò)步驟(I)表面處理后的304L不銹鋼連接高能微弧合金化裝備陰極，將步驟(2)中制備的TiB2/C沉積電極連接高能微弧合金化設(shè)備陽(yáng)極，調(diào)節(jié)高能微弧冷焊機(jī)設(shè)備的沉積電壓控制為85V、沉積頻率為600Hz、沉積電流脈寬為400ys、冷焊機(jī)輸出功率為I OOOff，
[0038]沉積過(guò)程在氬氣側(cè)吹保護(hù)下進(jìn)行，保持這期間氬氣流量為15L/min，沉積過(guò)程中保持電極勻速旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為llOOr/min)，且不斷保持電極相對(duì)于基體均勻移動(dòng)，保證涂層均勻性，沉積4min后獲得一層厚度為18μπι的TiB2/C涂層，但涂層表面仍有少許裂紋。
[0039]實(shí)施例3
[0040](I)不銹鋼基體表面預(yù)處理[0041 ]具體操作同實(shí)施例1，
[0042]此時(shí)，不銹鋼基體在0.3MH2S04+2ppmF溶液中腐蝕極化曲線如附圖1中所示；
[0043](2)TiB2/C沉積電極的制備
[0044]TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為96.0wt.%，碳粉為4.0wt.%，球磨、壓制成型、燒結(jié)工藝同實(shí)施例2;
[0045](3)高能微弧合金化沉積
[0046]具體操作同實(shí)施例2，
[0047]沉積4min后獲得一層18μπι厚且均勻致密的TiB2/C涂層，涂層表面無(wú)明顯缺陷(如附圖2中b所示)，且在酸性條件下對(duì)基體提供很好的保護(hù)，TiB2/C涂層在0.3MH2S04+2ppmF溶液中腐蝕極化曲線如附圖1中所示。
[0048]取三片本實(shí)施例中最終獲得的TiB2/C涂層樣片夾在墊上布料的虎鉗上，然后對(duì)試片做90°彎曲(若彎曲一次沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，則增加次數(shù))，結(jié)果顯示，在進(jìn)行4次90°彎曲測(cè)試后，三片試樣表面才開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，表明高能微弧合金化沉積能夠降低涂層脆性。
[0049]實(shí)施例4
[0050](I)不銹鋼基體表面預(yù)處理[0051 ]具體操作同實(shí)施例1;
[0052](2)TiB2/C沉積電極的制備
[0053]TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為95.0wt.%，碳粉為5.0wt.%，球磨、壓制成型、燒結(jié)工藝同實(shí)施例2;
[0054](3)高能微弧合金化沉積
[0055]將經(jīng)過(guò)步驟(I)表面處理后的304L不銹鋼連接高能微弧合金化裝備陰極，將步驟
(2)中制備的TiB2/C沉積電極連接高能微弧合金化設(shè)備陽(yáng)極，調(diào)節(jié)高能微弧冷焊機(jī)設(shè)備的沉積電壓控制為85V、沉積頻率為700Hz、沉積電流脈寬為500ys、冷焊機(jī)輸出功率為1500W，
[0056]沉積過(guò)程在氬氣側(cè)吹保護(hù)下進(jìn)行，保持這期間氬氣流量為15L/min，沉積過(guò)程中保持電極勻速旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為llOOr/min)，且不斷保持電極相對(duì)于基體均勻移動(dòng)，保證涂層均勻性，沉積4min后獲得一層厚度為20μπι且均勻致密的TiB2/C涂層，涂層表面無(wú)明顯缺陷，在酸性條件下對(duì)基體提供很好的保護(hù)。
[0057]取三片本實(shí)施例中最終獲得的TiB2/C涂層樣片夾在墊上布料的虎鉗上，然后對(duì)試片做90°彎曲(若彎曲一次沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，則增加次數(shù))，結(jié)果顯示，在進(jìn)行4次90°彎曲測(cè)試后，三片試樣表面才開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，表明高能微弧合金化沉積能夠降低涂層脆性。
[0058]對(duì)比實(shí)施例1
[0059](I)不銹鋼基體表面預(yù)處理
[0060]具體操作同實(shí)施例1;
[0061 ] (2)TiB2/C粉末的制備
[0062]TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為96.0wt.%，碳粉為4.0wt.%，
[0063]再采用行星式球磨機(jī)對(duì)其球磨，研磨介質(zhì)為氧化鋯球，其中大球、中球、小球比例為1:2:4，調(diào)節(jié)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為2h ；
[0064](3)采用步驟(2)中得到的TiB2/C粉末，于經(jīng)過(guò)步驟(I)預(yù)處理的不銹鋼基體表面進(jìn)行等離子噴涂，得到18μπι厚的TiB2/C涂層，
[0065]其中，等離子噴涂工藝參數(shù)為:噴涂距離為100mm，噴涂功率為80kW，氬氣流速為40L/min，氫氣流速為15L/min，送粉率30g/min。
[0066]取三片本實(shí)施例中最終獲得的TiB2/C涂層樣片夾在墊上布料的虎鉗上，然后對(duì)試片做90°彎曲(若彎曲一次沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，則增加次數(shù))，結(jié)果顯示，未完成一次彎曲測(cè)試時(shí)，三片試樣涂層均出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。
[0067]對(duì)比實(shí)施例2
[0068]步驟(I)、(2)、(3)與對(duì)比實(shí)施例1相同，
[0069](4)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，對(duì)上述步驟(3)中得到的涂層進(jìn)行激光重熔處理，激光熔覆功率為80W/mm2;頻率8Hz;電流脈寬4ys;電流220A;掃描速率3mm/s，保護(hù)氣體氮?dú)饬魉贋?5L/
mino
[0070]取三片本實(shí)施例中最終獲得的TiB2/C涂層樣片夾在墊上布料的虎鉗上，然后對(duì)試片做90°彎曲(若彎曲一次沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，則增加次數(shù))，結(jié)果顯示，完成I次彎曲測(cè)試后，三片試樣表面均出現(xiàn)了裂紋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:所述制備方法為，將經(jīng)過(guò)表面處理后的不銹鋼基體作高能微弧合金化設(shè)備的陰極，將沉積電極作高能微弧合金化設(shè)備的陽(yáng)極，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高能微弧合金化沉積，在基底表面獲得涂層。2.如權(quán)利要求1所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:所述不銹鋼基體為304L或316L不銹鋼基底，其表面處理為，依次采用400、2000#SiC砂紙打磨并用丙酮除油。3.如權(quán)利要求1所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:所述沉積電極為電極或TiB2/C沉積電極。4.如權(quán)利要求3所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:所述TiB2/C沉積電極的制備方法為，TiB2、碳粉經(jīng)80目過(guò)濾網(wǎng)篩取后，將TiB2粉末與碳粉摻雜混合均勻，其中TiB2粉末為95.0?98.0wt.%，碳粉為2.0?5.0wt.%，再球磨后壓制成型，隨后在高溫下燒結(jié)制備得到電極。5.如權(quán)利要求4所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:球磨采用行星式球磨機(jī)，研磨介質(zhì)為氧化鋯球，其中大球、中球、小球比例為1: 2: 4，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為2h。6.如權(quán)利要求4所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:將球磨干燥后的TiB2粉末裝入鋼模壓制成型，壓力為6?7MPa，時(shí)間為2?5min。7.如權(quán)利要求4所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:燒結(jié)過(guò)程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，首先經(jīng)1.5h從室溫升至450°C，隨后經(jīng)2h從450°C升溫至1600°C，再經(jīng)1.5h從1600 °C升溫至1900°C，在1900°C下保溫4h后，自然冷卻至室溫。8.如權(quán)利要求1所述的在不銹鋼表面制備二硼化鈦涂層的方法，其特征在于:高能微弧合金化沉積在氬氣側(cè)吹保護(hù)下進(jìn)行，氬氣流速為15L/min，沉積前調(diào)節(jié)高能微弧合金化設(shè)備的工藝參數(shù)，其中，沉積電壓控制在85 土5V;沉積頻率控制在600 土 200Hz ;沉積電流脈寬控制在400 土 200ys，輸出功率為1100 土 200W。
【文檔編號(hào)】C25D17/10GK105821459SQ201610186043
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】潘太軍, 沈杰, 陳楊, 左小偉, 陳婧
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)