一種鐵基非晶納米晶復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于涂層材料技術領域，特別涉及一種鐵基非晶納米晶復合涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]斷裂、腐蝕和磨損是金屬材料失效的三種主要方式，其中最嚴重的損失在于材料的磨損，占總消耗量的50%左右。各類磨損、腐蝕所引起的失效往往發生于材料及其構件的表面，為了防止一些在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質等條件下工作的零件因其表面局部損壞而使整個零件報廢，為提高零件的可靠性，延長使用壽命，研究人員開發了大批實用、先進、高效的表面工程技術修復或強化零件表面，制備出優于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能。
[0003]近年來，隨著非晶合金的發現以及對其研究的深入，非晶合金的高抗腐蝕性、高強度、高硬度和高抗磨損性讓人們在提高材料耐磨耐腐蝕性能上產生了一種新的思路。由于非晶合金涂層相對較易實現，人們相繼開發出了熱噴涂、激光熔覆、化學鍍等一系列非晶涂層制備方法。但是這些方法制備的非晶涂層與基體的結合強度較弱、涂層厚度太薄，從而在一定程度上限制了它的發展和應用。
[0004]目前國內外專利報道的非晶涂層制備方法更多的在于熱噴涂、激光熔覆等方法制備的薄涂層，而堆焊方法由于過程中冷卻速度較低，得到非晶涂層的難度相對較大，使得在這方面的專利報道較少。CN103128421B報道了“一種鐵基非晶/納米晶復合涂層的制備方法”，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、堆焊質量好，而且操作方便、安全。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種硬度高，耐磨性能好，抗裂紋性能好的鐵基非晶納米晶復合涂層。
[0006]本發明另一目的是提供一種簡單、可靠、安全、低成本的鐵基非晶納米晶復合涂層的制備方法。
[0007]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0008]—種鐵基非晶納米晶復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幾個毫米的堆焊層，并且該方法為冶金結合工藝，相對于現有鐵基非晶納米晶涂層的熱噴涂法，即機械結合方法，等離子堆焊方法使得堆焊涂層與基材結合的更為牢固。所述等離子堆焊法包括下述具體步驟:
[0009](I)將工業上使用的純金屬Fe、Cu、S1、Mn和工業上用的Fe-N1、Fe-Nb、Fe_B、Fe-C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；
[0010](2)對基材表面依次進行氧化物去除和表面清洗；
[0011](3)采用等離子堆焊機，將經步驟(I)制備好的合金粉末堆焊成合金涂層，其中，等離子堆焊機的各項工藝參數為:焊接電壓為25?30V、焊接電流為140?190A、焊接速度為35?40mm/min、保護氣流速度為10?12L/min，送粉速度為15?25g/min，擺動幅度為20 ?30mm ;
[0012]其中，鐵基非晶納米晶復合涂層的堆焊涂層厚度按實際要求進行控制。
[0013](4)等離子堆焊結束后，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鐵基非晶納米晶復合涂層的制備。
[0014]優選地，所述步驟⑴中所述合金粉末采用真空氣霧法制備而成:將工業上使用的純金屬Fe、Cu、S1、Mn和工業上用的Fe_N1、Fe_Nb、Fe-B, Fe-C合金按比例配制后置于真空感應爐中熔化、精煉，然后將熔融的金屬液體倒入保溫坩禍中并進入霧化爐中，經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。
[0015]其中，上述合金粉末除了可以采用現有技術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；或者采用本領域技術人員慣用的其他方法制備。
[0016]優選地，所述步驟⑴中按照比例配制的合金粉末的成分為:
[0017]Fe?.Jih37Cuh34Nbi1B18.YA75Si^1Mna77，其中，各數值為原子百分數。
[0018]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具有聯合脫氧和固溶強化作用，可以降低熔點，提高熔融金屬流動性，提高非晶形成能力；Nb是強碳化物形成元素；N1、Cu可以促使各組分的融合更加充分，提高涂層韌性。
[0019]其中，所述合金粉末也可以根據上述比例進行調節，并與所述堆焊工藝配合，形成性能良好的鐵基非晶納米晶復合涂層。
[0020]優選地，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、熱堿液或有機溶劑進行表面清洗。
[0021]—種采用上述的鐵基非晶納米晶復合涂層的制備方法在基材上形成的鐵基非晶涂層。
[0022]與現有技術相比，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，耐磨粒磨損性能遠好于35CrMo鋼，可廣泛應用于冶金機械、礦山機械、動力機械、石油、化工設備，建筑運輸設備以及工具、模具的制造和修復；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，適用于工業化生產。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明鐵基非晶納米晶復合涂層的實施例1和實施例2為不同厚度涂層時的X射線衍射圖；
[0024]圖2是本發明鐵基非晶納米晶復合涂層的實施例1的透射電鏡圖；
[0025]圖3是本發明鐵基非晶納米晶復合涂層的實施例1和實施例2為不同厚度涂層時的洛氏硬度對比圖；
[0026]圖4是本發明鐵基非晶納米晶復合涂層的實施例1和實施例2為不同厚度涂層時的耐磨性能對比圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合【具體實施方式】對本發明的上述
【發明內容】
作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的范圍內。
[0028]實施例1
[0029](I)制備等離子堆焊所用合金粉末:
[0030]將工業上使用的純金屬Fe、Cu、S1、Mn和工業上用的Fe-N1、Fe_Nb、Fe-B, Fe-C合金按成分為 Fe?。.S9Nih37Cu1.^Nbi1B18.Y7Q75Si1.Q1Mn0.77，(原子百分數，at% )進行原料配置，將配制好的金屬原料在真空感應爐中熔化、精煉后，熔化的金屬液體倒入保溫坩禍中，并進入導流管和噴嘴，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行凝固、沉降，落入收粉罐中；
[0031](2)選用35CrMo鋼作為基材，并在進行等離子堆焊前對基材表面依次進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、酒精和丙酮進行清洗；
[0032](3)使用型號為LU-D500-F600/B800-CNC型數控等離子堆焊機對基材表面進行等離子堆焊:
[0033]工藝參數設定如下:焊接電壓26V，焊接電流180A，焊接