一种表面处理ZTA颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法与流程

本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种表面处理zta颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法。

背景技术：

随着我国能源、交通、基础原材料工业的迅速发展，特别是西部大开发战略的实施以及南水北调、高速铁路、西气东输等重大项目的建设，建筑材料、有色金属、工程机械、火力发电等各行业对高性能抗磨材料的需求量显著增加。但是由于金属冶金学的限制，单一金属材料的性能提高是有限的。采用整体合金化的材料其耐磨性虽然有所提高，但其韧性也同时大幅降低，降低了在冲击场合部件的服役安全性和耐磨性。因此，亟需通过构建新型耐磨材料理论和优化制备工艺以期解决单一材料难以满足的相互矛盾。

选择具有较高断裂韧性的zta颗粒作为的增强相，通过铸造的方式进行冶金熔炼，从而获得具有抗冲击性能的新型高耐磨材料。复合材料的界面问题，尤其是界面优化设计以及界面对性能的影响,是获得高性能金属基复合材料的关键。界面是金属基复合材料中重要的结构，界面的性能直接决定了复合材料的性能，因此，应合理地控制界面结合强度。zta颗粒与铁基之间结合性较差，通过铸渗法制备的复合材料中zta陶瓷颗粒和铁基的结合方式为单一的机械结合，使得zta陶瓷颗粒无法达到预期的增强效果，严重影响了耐磨件在苛刻的实际工况下规模化应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种表面处理zta颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法，制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击能力，又保证了在苛刻工况下良好的服役安全性。

本发明采用以下技术方案：

一种表面处理zta颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法，对zta颗粒进行活化处理，然后采用直流磁控溅射法在zta颗粒表面镀覆金属铬；然后进行敏化和活化处理，采用化学镀对zta颗粒进行表面改性，将镀覆cr-ni层的zta颗粒和ni粉、al粉和cr粉末填入石墨模具，真空烧结获得具有蜂窝状结构的预制体；采用铸渗法浇注金属液，冷却后得到具有钉扎作用的增强钢铁基复合耐磨件。

具体的，将zta颗粒放入丙酮中浸泡，随后酸洗，接着依次使用超声波和去离子水清洗，将清洗后的zta颗粒烘干完成活化处理。

进一步的，浸泡时间为10～30min，超声波清洗时间为5～15min，采用电热恒温鼓风干燥箱进行烘干处理。

具体的，采用直流磁控溅射法在zta表面镀覆金属铬的过程中，对基体不预加热，沉积室初始真空度为(2.0～3.0)×10^-2pa，选择纯度99.99％的氩气为工作保护气体，在工作室内颗粒以反复旋转下落的形式穿过沉积区，水平旋转速度<80～120m/min，垂直下落速度<3～6m/s，zta颗微粒表面获得厚度均匀的铬膜。

进一步的，镀覆处理工艺如下：

正离子加速电压200～280v，溅射电流10～15a，溅射功率3300～4000w，基体温度约为100℃，工作气压(1.0～3.0)×10^-1pa，镀覆时间为0.5～10h。

更进一步的，在200～300℃退火处理1～5h。

具体的，使用丙酮超声清洗镀铬的zta颗粒10～30min，随后用去离子水清洗，烘干，放入sncl2溶液进行敏化处理，用pdcl2溶液进行活化处理，然后放入nah2po2溶液中去除表面pd元素，无水乙醇清洗后的zta颗粒置于镀液中施镀1～10h，施镀温度为50～70℃，使zta颗粒表现出核壳结构。

进一步的，sncl2溶液的浓度为5～15g/l，处理时间为10～15min；pdcl2溶液的浓度为0.3～0.6g/l，nah2po2溶液的浓度为5～15g/l，镀层厚度为2～13μm。

具体的，将ni粉、al粉和cr粉按1：1：1的质量比混合均匀，以8～12℃/min的恒定升温速率加热至1300～1450℃烧结，保温1～5h后随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体。

具体的，金属液采用铬镍低合金铸铁、合金钢、高锰钢或高铬铸铁，浇注温度为1350～1550℃。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种表面处理zta颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法，通过物理气相沉积(pvd)磁控溅射处理对zta颗粒表面镀铬，铬层与zta陶瓷颗粒表面形成冶金结合，增强了铬层和zta陶瓷颗粒之间的界面结合性，磁控溅射处理后的zta陶瓷颗粒再进行化学镀镍，随后与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉烧结，增加了过渡层的厚度，有效地改善了zta与基体之间界面的结合强度；耐磨件复合层结构具有钉扎作用，将增强体设计为蜂窝状，由于伸入陶瓷增强体的圆柱形金属基体增大了陶瓷与基体的结合面积和结合力，有效地防止了复合层的整体剥落和破碎，提高了复合材料的力学性能。同时，蜂窝状zta陶瓷由于“双阴影效应”显著保护了基体，改善了复合材料的耐磨性。

进一步的，经过活化处理生成的钯离子可活化zta陶瓷颗粒表面，使镀层具有较大的附着力。

进一步的，采用磁控溅射镀覆表面颗粒可以确保镀层与颗粒的良好的结合，并且方便控制镀层厚度。

进一步的，在200～300℃退火处理1～5h可以消除铬膜破裂的应力。

进一步的，在保证催化活性及稳定性的前提下，为了降低成本，对于贵金属pd的含量控制在较小的数值。

进一步的，为了控制ni、al和cr的生成物将比例确定为1:1:1，由于ni，cr的熔点为1455℃，预制体烧结温度控制1300～1450℃范围内。

进一步的，铬镍低合金铸铁、合金钢、高锰钢和高铬铸铁耐磨材料为目前应力磨损工况应用最为广泛的三类耐磨材料。

综上所述，本发明通过物理气相沉积(pvd)和化学镀引入的活性元素可优化zta颗粒和金属间的结合方式，使界面结合由机械结合转化为冶金结合，具有较高的结合强度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1采用直流磁控溅射对zta颗粒表面处理示意图；

图2为本发明实施例1表面处理后zta陶瓷颗粒显微组织。

具体实施方式

本发明一种表面处理zta颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法，包括以下步骤：

s1、将zta颗粒先用丙酮浸泡10～30min，随后酸洗，接着使用超声波将其丙酮清洗5～15min，去离子水清洗，处理后的zta颗粒在电热恒温鼓风干燥箱中烘干；

s2、采用直流磁控溅射的方法在zta表面镀覆金属铬，在工作室内颗粒以反复旋转下落的形式穿过沉积区，通过控制zta颗粒在沉积区内的旋转速度、运动时间，使其表面金属化；

镀覆具体为：

正离子加速电压200～280v，溅射电流10～15a，溅射功率3300～4000w，基体温度约为100℃，工作气压(1.0～3.0)×10^-1pa，镀覆时间为0.5～10h，为了消除铬膜破裂的应力，选择200～300℃退火1～5h。

对基体不预加热，随着溅射过程的进行，基体温度会有所升高，但不超过200℃，沉积室初始真空度为(2.0～3.0)×10^-2pa，随着温度的升高，气压会有所变化；

选择纯度99.99％的氩气为工作保护气体，在工作室内颗粒以反复旋转下落的形式穿过沉积区，通过控制zta颗粒在沉积区内的旋转速度、运动时间，水平旋转速度<80～120m/min，垂直下落速度<3～6m/s，zta颗微粒表面获得所需厚度的均匀铬膜，使其表面金属化；

s3、使用丙酮超声清洗镀铬的zta颗粒10～30min，随后用去离子水清洗，烘干，放入5～15g/l的氯化亚锡(sncl2)溶液敏化处理10～15min，随后用0.3～0.6g/l的氯化钯(pdcl2)溶液活化处理，紧接着在5～15g/l的次亚磷酸钠(nah2po2)溶液中去除表面的pd元素，无水乙醇清洗后的zta颗粒置于镀液中施镀1～10h，施镀温度为50～70℃，利用恒温磁力搅拌器镀覆，使zta颗粒表现出核壳结构，镀层厚度为2～13μm；

s4、将预镀覆cr-ni层的zta颗粒与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉末置于石墨模具中，在真空炉中进行烧结，以8～12℃/min恒定升温速率加热至1300～1450℃烧结温度，保温1～5h，随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体；

ni粉、al粉和cr粉按1：1：1的质量比混合均匀，采用行星式球磨机使ni粉、al粉和cr粉混合均匀。

s5、为了保证预制体的位置，将制备的预制体固定于型腔底部，并用钢丝固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，冷却后可得到拥有良好耐磨性的增强钢铁基复合耐磨件。

金属液采用铬镍低合金铸铁、合金钢、高锰钢、高铬铸铁或者其他合金，且浇注温度选择1350～1550℃。

陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料为生产性价比相对更高的耐磨产品提供了一种的有效途径。复合材料因引入增强相，其表面硬度显著提高，表现出优异的抗磨性能，基体又为复合材料提供了较好的韧性，获得兼具金属高强度、良好塑性和韧性和陶瓷材料高硬度、高耐磨优点的新型耐磨复合材料，表现出较好的使用性能。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)首先将zta在丙酮中浸泡10min，酸洗zta颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗5min，去离子水清洗，处理后的zta颗粒在电热恒温鼓风干燥箱中烘干；

2)其次，采用直流磁控溅射的方法在zta表面镀覆金属铬，沉积室初始真空度为2.0×10^-2，正离子加速电压200v，溅射电流10a，溅射功率3300w，工作气压1.0×10^-1,镀覆时间为0.5h，选择200℃退火1h，消除铬膜破裂的应力。

3)随后，在丙酮中将镀铬的zta颗粒超声清洗10min，去离子水清洗，烘干，放入5g/l的氯化亚锡(sncl2)溶液敏化处理10min，用0.3g/l的氯化钯(pdcl2)溶液活化处理，5g/l的次亚磷酸钠(nah2po2)溶液用于去除表面的pd元素，无水乙醇清洗后置于镀液中，利用恒温磁力搅拌器镀覆1h，温度为50℃，使zta颗粒表现出核壳结构，可测得镀层厚度为2μm；

4)将预镀覆cr-ni层的zta颗粒与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉末置于石墨模具中，在真空炉中进行烧结，以8℃/min升温速率加热至烧结温度1300℃，保温1h，随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体；

5)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钢丝固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1350℃，冷却后即可得到的复合耐磨件。

实施例2

1)首先将zta在丙酮中浸泡20min，酸洗zta颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗10min，去离子水清洗，处理后的zta颗粒在电热恒温鼓风干燥箱中烘干；

2)其次，采用直流磁控溅射的方法在zta表面镀覆金属铬，沉积室初始真空度为2.5×10^-2，正离子加速电压240v，溅射电流13a，溅射功率3600w，工作气压2.0×10^-1，镀覆时间为5.5h，选择250℃退火2.5h，消除铬膜破裂的应力。

3)随后，在丙酮中将镀铬的zta颗粒超声清洗20min，去离子水清洗，烘干，放入10g/l的氯化亚锡(sncl2)溶液敏化处理13min，用0.5g/l的氯化钯(pdcl2)溶液活化处理，10g/l的次亚磷酸钠(nah2po2)溶液用于去除表面的pd元素，无水乙醇清洗后置于镀液中，利用恒温磁力搅拌器镀覆6h，施镀温度60℃，使zta颗粒表现出核壳结构，可测得镀层厚度为8μm；

4)将预镀覆cr-ni层的zta颗粒与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉末置于石墨模具中，在真空炉中进行烧结，以10℃/min升温速率加热至烧结温度1400℃，保温3h，随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体；

5)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钢丝固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1450℃，冷却后即可得到的复合耐磨件。

实施例3

1)首先将zta在丙酮中浸泡30min，酸洗zta颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗15min，去离子水清洗，处理后的zta颗粒在电热恒温鼓风干燥箱中烘干；

2)其次，采用直流磁控溅射的方法在zta表面镀覆金属铬，沉积室初始真空度为3.0×10^-2，正离子加速电压280v，溅射电流15a，溅射功率4000w，工作气压3.0×10^-1,镀覆时间为10h，选择300℃退火5h，消除铬膜破裂的应力。

3)随后，在丙酮中将镀铬的zta颗粒超声清洗30min，去离子水清洗，烘干，放入15g/l的氯化亚锡(sncl2)溶液敏化处理15min，用0.6g/l的氯化钯(pdcl2)溶液活化处理，15g/l的次亚磷酸钠(nah2po2)溶液用于去除表面的pd元素，无水乙醇清洗后置于镀液中，利用恒温磁力搅拌器镀覆10h，使zta颗粒表现出核壳结构，可测得镀层厚度为13μm；

4)将预镀覆cr-ni层的zta颗粒与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉末置于石墨模具中，在真空炉中进行烧结，以12℃/min升温速率加热至烧结温度1450℃，保温5h，随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体；

5)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钢丝固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1550℃，冷却后即可得到的复合耐磨件。

实施例4

1)首先将zta在丙酮中浸泡18min，酸洗zta颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗12min，去离子水清洗，处理后的zta颗粒在电热恒温鼓风干燥箱中烘干；

2)其次，采用直流磁控溅射的方法在zta表面镀覆金属铬，沉积室初始真空度为2.3×10^-2，正离子加速电压220v，溅射电流12a，溅射功率3800w，工作气压2.6×10^-1,镀覆时间为2h，选择280℃退火2h，消除铬膜破裂的应力。

3)随后，在丙酮中将镀铬的zta颗粒超声清洗22min，去离子水清洗，烘干，放入8g/l的氯化亚锡(sncl2)溶液敏化处理11min，用0.4g/l的氯化钯(pdcl2)溶液活化处理15min，12g/l的次亚磷酸钠(nah2po2)溶液用于去除表面的pd元素，无水乙醇清洗后置于镀液中，利用恒温磁力搅拌器镀覆8h，施镀温度为65℃，使zta颗粒表现出核壳结构，可测得镀层厚度为12μm；

4)将预镀覆cr-ni层的zta颗粒与混合均匀的ni粉、al粉和cr粉末置于石墨模具中，在真空炉中进行烧结，以10℃/min升温速率加热至烧结温度1400℃，保温2h，随炉冷却，得到zta颗粒呈蜂窝状结构的预制体；

5)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钢丝固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇注温度选择1400℃，冷却后即可得到的复合耐磨件。

请参阅图1和图2，图1为本发明实施例1采用直流磁控溅射对zta颗粒表面处理示意图，由图可知，在靶材周围产生大量等离子体，使zta颗粒表面均匀镀覆cr镀层，通过控制施镀时间来确保镀层厚度。在表面镀cr的zta颗粒上继续化学镀ni，对比4个实施例可知，随着化学镀时间的延长，镀层厚度逐渐增厚，在施镀6h镀层厚度达到12μm，在8h镀层为13μm，因此，在保证镀层厚度的前提下，为了降低成本，6h为最佳化学镀时间。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。