金属涂层的制备方法以及钢工件与流程

文档序号：13796800阅读：815来源：国知局

本发明涉及钢工件表面处理技术领域，具体而言，涉及一种金属涂层的制备方法以及钢工件。

背景技术：

随着科技的进步，在电子、航空航天等领域会使用到大量的钢工件，但是其对于钢工件的性能的要求也越来越高，传统的等离子喷涂、气相沉积、激光熔覆等工艺可以在钢基体表面完成高熔点金属涂层制备，但是存在热应力较大等问题，同时对钢基体力学性能有影响，并且钢工件的其磨损性能以及抗高温烧蚀性能有待提高。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种金属涂层的制备方法，以使得在钢基体的表面形成金属涂层后，钢工件能够具有优异的耐磨损以及高温下抗烧损的特性。

本发明的第二个目的在于提供一种钢工件，其表面具有一层金属涂层，以使得其具有优异的耐磨损以及高温下抗烧损的特性。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提供了一种金属涂层的制备方法，其包括：利用电火花沉积工艺在钢基体的表面涂覆金属涂层，金属涂层为钨涂层或钼涂层，或钨涂层和钼涂层交替复合而成的钨钼合金复合涂层。

本发明还涉及一种钢工件，其包括钢基体，钢基体的表面涂覆有上述的制备方法制备得到的金属涂层。

本发明的金属涂层的制备方法在钢基体的表面制备出超高熔点纯金属涂层或者超高熔点复合合金金属涂层，保证得到的钢工件表面钨、钼、钨钼合金等高熔点金属涂层的可靠制备，最大限度的节约了资源、降低了成本，赋予了钢基体材料耐磨损、抗烧蚀等独特的机械、物理和化学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是实施例6的钢工件的金属涂层的表面的sem图；

图2是实施例6的钢工件的截面的sem图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施方式或实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施方式的金属涂层的制备方法以及钢工件进行具体说明。

本发明的一些实施方式提供了一种金属涂层的制备方法，其包括：利用电火花沉积工艺在钢基体的表面涂覆金属涂层，金属涂层为钨涂层或钼涂层，或钨涂层和钼涂层交替复合而成的钨钼合金复合涂层。

钨(w)因其熔点高达3410℃，室温强度高达800mpa，具有良好的化学稳定性以及高温特性，2000℃高温环境下的导热性能达(105±10)w/(m·k)，而1500℃时热膨胀系数仅为7.4×10^-6k^-1；基体材料表面涂覆钨涂层可广泛应用于电子、航空航天等领域，如火箭发动机及空间动力系统的喉衬材料、x射线和γ射线的器件材料、各种武器表面涂层及新型药型罩材料等。钼熔点很高，在自然界单质中名列第六，被称作难熔金属。钼的密度为10.23g/cm，约为钨的一半(钨密度19.36g/cm)。钼的热膨胀系数很低，20～100℃时为4.9×10/℃，钼的热传导率较高，为142.35w/(m·k)。钼的硬度较大，摩氏硬度为5～5.5。此外，钼、钨钼合金等高熔点金属作为钢基体的保护涂层，能够赋予了基体材料耐磨、抗烧蚀等独特的机械、物理和化学性能，具有熔点高、硬度高、耐磨性好以及导热率高和膨胀系数低、抗粘结和耐电弧侵蚀等优良性能，应用前景广泛。

通过电火花沉积工艺即脉冲微区电弧沉积技术，利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料作为工作电极(阳极)，在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件(阴极)表面微小区域产生火花放电，在10^-5～10^-6s时间内电极与工件接触部位瞬间达到8000～25000℃的高温，在火花放电能量和电场作用下，将电极材料转移至工件表面，形成一层优质防护涂层的强化方法，电极材料与工件材料通过冶金结合形成强化层。该技术具有热影响区小，工件不变形，涂层与基体冶金结合强度高，工件温升低不影响基材力学性能等特点。

发明人通过长期的理论研究，创新性地提出与钢基体有冶金结合的超高熔点金属涂层作为保护钢件的功能性防护涂层，并采用了脉冲微区电弧沉积技术(电火花沉积)，在钢基体上完成钨、钼、钨钼合金等超高熔点金属涂层的可靠制备，最大限度的节约了资源，降低了成本，又赋予了基体材料耐磨损、抗烧蚀等独特的机械、物理和化学性能，以满足现代工业和国防军工对新型高性能材料的要求。

本发明的一些实施方式提供的金属涂层的制备方法包括将钢基体与电火花沉积堆焊设备的脉冲电源负极相连，将钨或钼制备而成的电极与脉冲电源阳极相连，开启脉冲电源，将钨或钼涂覆于钢基体表面。从而通过上述操作可以很好地完成钨或钼的涂覆操作。

根据一些实施方式，钨或钼的电极由粉末冶金工艺制备而成。通过上述工艺制备而成的电极具有更高的性能，钨或钼能够更好地在钢基体上进行熔化涂覆。

根据一些实施方式，金属涂层为钨涂层或钼涂层时，金属涂层的厚度为100～200微米，优选100～160微米，更优选110～150微米。上述厚度的金属涂层在钢基体的表面更能够达到很好的附着效果，能够对钢基体的表面进行充分的保护，使得钢基体的性能大大提高，也使得其能够满足电火花沉积工艺的要求。

根据一些实施方式，金属涂层为钨钼合金复合涂层时，每层钨涂层或钼涂层的厚度均为25～35微米，优选26～33微米，更优选28～31微米。当钨涂层和钼涂层进行复合时，两层涂层之间需要进行密切的结合，上述厚度可以使得两种涂层之间能够互相较好地结合在一起，共同增强钢基体的性能。

根据一些实施方式，电火花沉积工艺的比沉积时间为(1～2)min/cm²，沉积功率为1000～1500w，优选1200～1400w，沉积电压为80～100v，优选80～90v、脉冲频率为375～700hz。通过上述的工艺参数的选择，使得在上述工艺的条件下能够把具有高熔点的钨和钼很好与钢基体进行结合，进而在其表面进行涂覆，使得涂覆后的金属涂层具有很好的稳定性，能够对钢基体的表面性能进行有力的增强。

根据一些实施方式，涂层制备过程中，采用惰性气体进行保护，优选地，保护气体的流量为1～3l/min，优选地，惰性气体为氩气或氮气。惰性气体能够对形成的金属涂层进行保护，使得其在涂覆的过程中，不会被空气中的气体氧化，能够充分地保障形成的金属涂层的性能。保护气体的流量也会对涂覆过程造成影响，上述范围的气体流量使得既能够对涂覆过程进行保护，又不会因为流量过大而对涂覆的均匀性效果造成影响。

根据一些实施方式，制备材质为钨涂层的金属涂层时，将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于钢基体的表面；制备材质为钼涂层的金属涂层时，将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于钢基体的表面。

根据一些实施方式，制备钨钼合金复合涂层时，将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于钢基体的表面；再将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于制备有纯钼涂层的钢基体的表面。

根据一些实施方式，制备钨钼合金复合涂层时，将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于钢基体的表面；再将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于制备有纯钨涂层的钢基体的表面。

根据一些实施方式，制备钨钼合金复合涂层时，将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于钢基体的表面；再将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于制备有纯钨涂层的钢基体的表面；再将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于制备有钨-钼合金复合涂层的钢基体的表面；再将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于制备有钨-钼-钨合金复合涂层的钢基体的表面。

根据一些实施方式，制备钨钼合金复合涂层时，将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于钢基体的表面；再将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于制备有纯钼涂层的钢基体的表面；再将纯钼电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钼涂覆于制备有钼-钨合金复合涂层的钢基体的表面；再将纯钨电极与脉冲电源阳极相连，将钢基体与脉冲电源负极相连，开启脉冲电源，将纯钨涂覆于制备有钼-钨-钼合金复合涂层的钢基体的表面。

需要说明的是，其他实施方式中，钨涂层和钼涂层的层数可以根据实际需要进行调整。

根据一些方式，在对钢基体的表面涂覆金属涂层之前，对钢基体进行表面预处理。通过将钢基体进行表面预处理后能够更好地使得钨或钼在钢基体的表面进行涂覆，其结合更加紧密，性能更加优越。

根据一些实施方式，表面预处理包括对钢基体进行除锈和除油处理，并使钢基体的表面粗糙度达到ra1.6以上。除锈可以通过喷砂或者磨削的方式进行，通过除锈可以使得钢基体的表面没有铁的氧化物，除油后使得其表面能够更加容易与钨或钼结合形成涂层。同时再通过精加工或磨削的方式使得钢基体的表面达到上述的粗糙度的要求，进而在具有一定粗糙度的情况下，钨或钼在熔融状态下，才更加容易与钢基体的表面结合附着在钢基体的表面，并且结构比较稳定，最终形成的金属涂层也不易脱落。

根据一些实施方式，除油处理是采用有机溶剂对钢基体进行清洗，优选地，有机溶剂选自汽油、酒精、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、二氯甲烷、三氯乙烷、三氯乙烯、四氯化碳以及四氯乙烯中的任意一种。

根据本发明的一些实施方式提供的金属涂层的制备方法，其具体包括：

a.超高熔点金属涂层制备的装备与工装

准备一台电火花沉积堆焊设备，其中，钢基体需要可靠夹持，钢工件必须可靠夹持，涂层制备过程中不能出现的晃动、移位等问题。异型钢工件需设计、制造专用夹具。

b.电极的制备

制作出规定尺寸的钨、钼电极。可以采用粉末冶金工艺制备的钨、钼棒料。根据电火花沉积堆焊设备装夹需求，通过机械加工等方式将钨、钼棒料加工到规定的尺寸。

c.钢基体的预处理

对钢基体表面进行除油和除锈处理，钢基体表面粗糙度大于ra1.6。

d.超高熔点金属涂层的制备

将钢基体与电火花沉积堆焊设备的负极相连，将钨或钼电极与脉冲电源阳极相连，开启脉冲电源，将钨或钼超高熔点金属材料涂覆于钢基体的表面，为制备出综合性能更优的复合超高熔点金属涂层，可以采用钨、钼电极在钢工件表面交替涂覆，实现钨钼合金涂层的可靠制备。

e.钢工件的后处理

采用磨削工艺对金属涂层进行打磨。对金属涂层进行打磨可以采用磨削工艺进行打磨。

需要说明的是，上述a步骤、b步骤和c步骤的顺序可以进行切换，不会影响最终形成的金属涂层的效果。且上述a、b、c、d步骤中的参数以及具体的工艺参见前述内容，在此不再赘述。

本发明的一些实施方式还涉及一种钢工件，其包括钢基体，钢基体的表面涂覆有上述的制备方法制备得到的金属涂层。

通过上述描述可以看出，通过在钢基体的表面涂覆有冶金结合的超高熔点金属涂层作为保护钢件的功能性防护涂层，并采用了脉冲微区电弧沉积技术(电火花沉积)，在钢基体上完成钨、钼、钨钼合金等超高熔点金属涂层的可靠制备，最大限度的节约了资源，降低了成本，又赋予了基体材料耐磨损、抗烧蚀等独特的机械、物理和化学性能，以满足现代工业和国防军工对新型高性能材料的要求。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的金属涂层的制备方法，首先，通过喷砂对钢基体的表面除锈，再通过进行煤油对钢基体的表面进行除油，再将钢基体的表面粗糙度磨削到ra1.7。

其次，将钢基体与电火花沉积堆焊设备的脉冲电源负极相连，将钨电极与脉冲电源阳极相连，开启脉冲电源，在流量为2l/min的氩气的保护下，将纯钨涂覆于基体表面，涂覆的金属涂层的厚度为100微米，其中，电火花沉积工艺的比沉积时间为1min/cm²，沉积功率为1000w，沉积电压为80v、脉冲频率为375hz。