一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制作方法，包括以下步骤：采用机械的方法预处理工件表面进行除油除锈，将Cu、Ni‑Cr‑B‑Si、Co‑Cr‑B‑Si、Fe‑Cr‑B‑Si球磨混合制成高熵合金粉，混合后预制在钢基体表面经感应加热制得高熵合金涂层，然后在惰性气体Ar的保护下加热并压入粒径3‑35μm大小的金刚石，制得金刚石增强的高熵合金复合涂层。该涂层具有更高的硬度和耐磨性，而且高温压入金刚石避免金刚石在加热时的石墨化，此外金刚石在界面处形成了少量碳化物，提高了连接强度。高熵合金基体和金刚石都具有高强度、高耐磨的特点，使得涂层具备良好的耐磨、耐蚀性能。

权利要求

1.一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括下述工艺步骤：步骤一、对工件表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污；

步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的混合粉按一定比例进行球磨混合，制成高熵合金粉；其中Cu单质金属粉，其纯度为99.5% 100%，粉末粒径在30μm 300μm；其~ ~中Ni-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为Ni；

~ ~ ~ ~

Fe-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为Fe；

~ ~ ~ ~

Co-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为Co；其~ ~ ~ ~中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：23 28：23 27：22 27：23 28；

~ ~ ~ ~

步骤三、在钢基体表面采用感应加热熔覆高熵合金粉，制备高熵合金涂层；

步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层，并在其表面压入金刚石，继续在Ar气的保护气氛中保温；其中压入的方法，将金刚石按30 50%的面积比例布置于涂层表面，涂层~温度保持在320℃ 420℃，在180MPa 260MPa压力作用下压入涂层中，继续保温5 min 8min；

~ ~ ~

步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的工件，其材料为低碳钢。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中的磨球与混合粉质量比为2.5 3.5∶~

1，密封后打开真空阀抽真空20 30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 280 r/~min 350 r/min，倒向频率 32 Hz 45 Hz，球磨混料时间为60 80分钟。

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4.根据权利要求1所述的一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的感应加热的方式，其感应电源功率在1 kW 4kW，其感应加热的工作频率550 kHz~ ~

2MHz，感应加热电流10A 15A之间，熔覆后涂层的厚度在50μm 750μm。

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5.根据权利要求1所述的一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的金刚石，其粒径为3μm 35μm。

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说明书

一种金刚石增强高熵合金复合涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料表面处理，更具体涉及一种熔覆制备金刚石增强高熵合金复合涂层。

背景技术

[0002] 农业机械、矿山机械等机械产品常工作在恶劣的磨损环境中，因此其设备部件常承受较大的磨料磨损，该类磨损实质是从材料表面上切下微量切屑而造成的。从实验室里磨料磨损试验所获得的磨屑，观察发现其类似于切削加工的切屑一样，呈螺旋形、弯曲形等，因此提高表面硬度可以解决此类磨损。为降低物料、硬质颗粒对设备部件冲刷造成的磨料磨损，在设备部件表面常涂敷一层耐磨材料来提高硬度，能够起到保护设备部件的作用。耐磨涂层技术可以在基材表面获得性能优异（如高硬度、耐磨性和耐腐蚀高等）的涂层。制备涂层的方法有热喷涂、熔覆、溅射、气相沉积等，其中热喷涂工艺需专门的设备和熟练的操作技术，一般涂层相对较薄，大面积施工效率较高。熔覆通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能束使之与基材表面薄层一起熔化后凝固的方法，在基层表面形成与基体冶金结合的添料熔覆层。溅射、气相沉积时基材温度低，而且需要真空环境，因此涂层结合力偏小，成本高，而且该技术不适用于大尺寸的零件。金刚石具有极高的耐磨性、耐蚀性和低的摩擦系数，随着金刚石的制造技术的发展，金刚石的价格大幅下降，因此将金刚石用于制备耐磨涂层、提高涂层的耐磨性成为可能。金刚石具有较高的表面能，且易热损伤，使普通金属材料很难润湿，并且高温易导致金刚石石墨化，降低金刚石性能，最终降低涂层的质量。采用熔覆技术制备一层与基体有化学冶金结合且具有较高的硬度和耐磨性涂层，在此基础上，利用熔覆材料中含有的Cr作为活性元素，压入金刚石磨粒后能够提高金刚石与涂层的连接强度，金刚石为增强相，进一步提高涂层的硬度，最终提高零部件耐磨料磨损的性能。该类涂层因含有脆性的金刚石，因此不能承受大的冲击载荷，避免用于冲击较大的工况。

[0003] 本发明在熔覆有类似钎料成分的涂层上，在加热的熔覆层上利用压力将磨粒压入涂层中，形成金刚石增强的高熵合金耐磨涂层。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的问题是提高钢基体的耐磨性和耐蚀性，首先在钢基体表面感应熔覆含有活性元素Cr的涂层，在加热后涂层具有较好塑性的同时，将金刚石颗粒压入中温的涂层，在较高温度下金刚石与涂层间的活性元素Cr有少量反应并形成碳化物，提高金刚石与涂层的连接强度，使金刚石成为增强相，进一步增强了涂层的硬度。最后形成金刚石增强高熵合金的耐磨涂层。

[0005] 本发明制备金刚石增强高熵合金复合涂层的方法，包括下述工艺步骤：

[0006] 步骤一、对低碳钢工件表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污。

[0007] 步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si混合粉按比例进行球磨混合，其中Cu单质金属粉的纯度为99.5% 100%，粉末粒径为30μm  300μm；其中Ni-Cr-B-Si的成分~ ~质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si的成分质~ ~ ~ ~
量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si的成分质量~ ~ ~ ~
百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为Co；其中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-~ ~ ~ ~
Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：23 28：23 27：22 27：23 28。采用钢制球磨罐进行球~ ~ ~ ~
磨混合，磨球与混合粉质量比为2.5 3.5∶1，密封后打开真空阀抽真空20 30分钟，然后将球~ ~
磨罐放入行星式球磨机，转速为 280 r/min  350 r/min，倒向频率 32 Hz  45 Hz，进行球~ ~
磨混料时间为60 80分钟，最后制成高熵合金粉；
~

[0008] 步骤三、在钢基体表面采用感应加热熔覆步骤二制得的高熵合金粉，感应电源功率为1 kW  4kW，工作频率550 kHz 2MHz，加热电流10A 15A之间，熔覆后制成高熵合金涂~ ~ ~层，涂层厚度为50 750μm；
~

[0009] 步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层后，在其表面压入粒径为3μm 35μ~m的金刚石，金刚石按30 50%的面积比例布置在涂层表面，涂层温度保持在320℃ 420℃，在~ ~
180MPa 260MPa的压力作用下压入涂层中，继续保温5 min 8min。
~ ~

[0010] 步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

[0011] 本发明的有益效果：

[0012] （1）金刚石具有极好的耐磨性和耐蚀性，通过压入中温的涂层中，不仅避免了熔覆过程高温导致金刚石的石墨化，而且金刚石与涂层间进行少量界面反应形成的碳化物提高了涂层对金刚石的连接强度。另外，在冷却过程中，由于涂层的热膨胀系数大，因冷缩会形成对金刚石的压应力，可以进一步提高金刚石的连接强度。

[0013] （2）涂层采用成熟的Ni-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si进行感应熔覆，形成了有碳化物增强的高熵合金涂层，这有利于提高涂层的耐磨性和耐蚀性。

[0014] （3）采用大量应用的Ni-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si和Co-Cr-B-Si自熔合金粉进行熔覆，有利于降低成本。

具体实施方式

[0015] 实施例1：

[0016] 步骤一、对20钢工件表面进行预处理，即用砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污；

[0017] 步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si混合粉按一定比例进行球磨混合，制成高熵合金粉；其中Cu单质金属粉的纯度为99.5% 100%，粉末粒径为30μm 300μm；~ ~
其中Ni-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为~ ~ ~ ~
Ni；Fe-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为~ ~ ~ ~
Fe；Co-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为~ ~ ~ ~
Co；其中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：23：23：27：27。其中球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为2.5∶1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为350 r/min，倒向频率45 Hz，进行球磨混料时间为60分钟。

[0018] 步骤三、采用感应加热在钢基体表面熔覆步骤二制得的高熵合金粉，感应电源功率在4kW，其感应加热的工作频率550 kHz，感应加热电流15A之间，熔覆后制成高熵合金涂层，涂层厚度在550μm；

[0019] 步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层至320 350℃，在其表面压入粒径~3μm 20μm的金刚石，按30%的面积比例布置金刚石在涂层表面，在260MPa压力作用下压入涂~
层中，继续保温5 min。

[0020] 步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

[0021] 经实验表明，在钢基体表面感应熔覆后获得的涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒较细小，且在FCC的高熵合金基体中分布着细小的Cr7C3，压入金刚石后涂层表面基本均匀，经扫描电镜观察，在金刚石表面形成了碳化物，该类涂层能够提高耐磨粒磨损的性能。因金刚石具有优异的耐磨性和硬度，碳钢20钢经制备涂层后其耐磨性提高了6.5倍以上。

[0022] 实施例2：

[0023] 步骤一、对45钢工件表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污；

[0024] 步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si混合粉按比例进行球磨混合，其中Cu单质金属粉的纯度为99.5% 100%，粉末粒径为30μm  300μm；其中Ni-Cr-B-Si的成分~ ~质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为Ni；Fe-Cr-B-Si的成分质~ ~ ~ ~
量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为Fe；Co-Cr-B-Si的成分质量~ ~ ~ ~
百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为Co；其中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-~ ~ ~ ~
Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：28：23：22：23。采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为3.5∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 280 r/min，倒向频率 32 Hz，进行球磨混料时间为60分钟。制成高熵合金粉。

[0025] 步骤三、在钢基体表面采用感应加热熔覆步骤二制得的高熵合金粉，感应电源功率在1 kW，其感应加热的工作频率2MHz，感应加热电流10A，熔覆后制成高熵合金涂层，涂层厚度为50μm；

[0026] 步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层到320 340℃，在其表面压入粒径~为10μm 15μm的金刚石，按40%的面积比例布置金刚石在涂层表面，在260MPa的压力作用下~
压入涂层中，继续保温5 min。

[0027] 步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

[0028] 经实验表明，经感应熔覆后获得的涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒较细小，且在FCC的高熵合金基体中分布着细小的Cr7C3，压入金刚石后涂层表面基本均匀，经扫描电镜观察，在金刚石表面形成了碳化物，该类涂层能够提高耐磨粒磨损的性能，因金刚石具有优异的耐磨性和硬度，碳钢45钢经制备涂层后其耐磨性提高了4.9倍以上。

[0029] 实施例3：

[0030] 步骤一、对Q235钢工件表面进行预处理，即用砂轮或砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污；

[0031] 步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si混合粉按一定比例进行球磨混合，制成高熵合金粉；其中Cu单质金属粉的纯度为99.5% 100%，粉末粒径为30μm  300μm；~ ~
其中Ni-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为~ ~ ~ ~
Ni；Fe-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为~ ~ ~ ~
Fe；Co-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为~ ~ ~ ~
Co；其中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：25：25：25：25。其中球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300 r/min，倒向频率40 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。

[0032] 步骤三、在钢基体表面采用感应加热熔覆步骤二制得的高熵合金粉，感应电源功率在2kW，其感应加热的工作频率1MHz，感应加热电流12A之间，熔覆后制作高熵合金涂层，涂层厚度为750μm；

[0033] 步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层到400 420℃，在其涂层表面压入~粒径为25μm 35μm的金刚石，按50%的面积比例布置金刚石在涂层表面，在200MPa压力作用~
下压入涂层中，继续保温6 min。

[0034] 步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

[0035] 经实验表明，经感应熔覆后获得的涂层形貌光滑，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒较细小的面心立方结构固溶体的高熵合金，其基体中分布着细小的Cr7C3，压入金刚石后涂层表面基本均匀，经扫描电镜观察，在金刚石表面形成了碳化物，该类涂层能够提高材料耐磨粒磨损的性能。因金刚石具有优异的耐磨性和硬度，制备的涂层经耐磨性测试后，其耐磨性提高了6.2倍。

[0036] 实施例4：

[0037] 步骤一、对Q255钢工件表面进行预处理，即用砂纸打磨表面进行除锈、除毛刺和飞边，用丙酮清除表面的油污；

[0038] 步骤二、将Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si混合粉按比例进行球磨混合，制成高熵合金粉。其中Cu单质金属粉的纯度在99.5% 100%，粉末粒径在30μm 300μm；其中~ ~Ni-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：14 17，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 0.9，其余为Ni；
~ ~ ~ ~
Fe-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：12 15，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.6 1.0，其余为Fe；
~ ~ ~ ~
Co-Cr-B-Si的成分质量百分比为Cr：15 18，B：2.5 4.5，Si：3 4.5，C：0.5 0.8，其余为Co；其~ ~ ~ ~
中Cu、Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si的质量百分比为：23：28：22：27。其中球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为3.1∶1，密封后打开真空阀抽真空
26分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为310 r/min，倒向频率30 Hz，进行球磨混料时间为70分钟。

[0039] 步骤三、采用感应加热在钢基体表面熔覆步骤二制得的高熵合金粉，感应电源功率在3kW，其感应加热的工作频率1MkHz，感应加热电流12.5A之间，熔覆后制作高熵合金涂层，涂层厚度在500μm；

[0040] 步骤四、在惰性气体的保护下加热高熵合金涂层到350 360℃，在其表面压入粒径~5μm 15μm的金刚石，按40%的面积比例布置金刚石在涂层表面，在压力240MPa作用下压入涂~
层中，继续保温6 min。

[0041] 步骤五、冷却后获得金刚石增强高熵合金涂层。

[0042] 经实验表明，在钢基体表面感应熔覆后获得的涂层形貌光滑、基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织晶粒细小的FCC高熵合金，由于合金粉经过球磨混合细化了Cr7C3，使得Cr7C3弥散分布，压入金刚石后涂层表面基本均匀，经扫描电镜观察，在金刚石表面形成了碳化物，该类涂层能够提高耐磨粒磨损的性能。因金刚石具有优异的耐磨性和硬度，碳钢Q255钢经制备涂层后其耐磨性提高了6.1倍以上。