[发明专利]一种NbC强化具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种NbC强化具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层及其制备方法，属于耐磨涂层领域。本发明中所述涂层包含NbC相和Nb在Fe中的固溶体相，并且这两种物相的晶粒尺寸都是纳米级的。其制备过程包括对合金模具钢基体进行表面处理，以纯Nb棒和以渗碳体为强化相的钢铁材料为电极材料，采用电火花沉积在基体材料表面进行交替沉积，并通过钢铁电极材料的成分和沉积工艺参数的控制实现具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层的制备。本发明中形成高硬度NbC相的碳元素来自于钢铁电极材料，并且通过电火花沉积极快的冷却速率获得了纳米晶涂层，不但能形成无缺陷，具有硬度梯度的大厚度涂层，而且涂层具有优异的耐磨耐性等优点。

技术领域

本发明涉及一种耐磨涂层及其制备方法，特别是涉及一种NbC强化且具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

表面工程技术能在材料表面制备出与基体材料不同，具有优异耐磨和耐腐蚀等特殊性能的涂层或覆层，能以最经济、最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，实现材料表面的强化、改性及修复与再制造。该技术在实际中已得到了广泛的应用，并创造了巨大的经济效益。

电火花沉积工艺就是一种利用电火花放电将电极材料熔化并转移至基体材料表面，以形成特定性能涂层的表面处理技术。其沉积的具体原理是，当作为阳极的电极材料通过旋转或振动的方式与作为阴极的基体材料（工件）无限接近时，利用短周期、高电流的电脉冲放电，产生的高达5000～10000℃的高温将电极材料与基体材料无限接近的微小区域瞬间熔化甚至气化，并在电场力的作用下，熔融的电极材料转移至基体材料表面与熔融的电极材料发生熔合并快速凝固，形成冶金结合的沉积层。与其他表面技术相比，电火花沉积工艺具有如下的优点：（1）能量输入底，基体保持在室温，热影响区小，因此，可以忽略其对基体的影响；（2）涂层与基体呈冶金结合且结合强度高，明显优于热喷涂；（4）设备便宜且操作简单；（5）适用原地或在线修复，这点对大型工件或在线设备的修复非常重要；（6）熔融电极材料能在基材表面快速凝固，能形成纳米晶，甚至非晶涂层，进一步提升材料的性能。然而，目前在电火花沉积制备耐磨涂层的实际生产中，为获得优异的耐磨性能，其所使用的电极材料一般都为高硬度的硬质合金或金属陶瓷。虽然该类涂层具有较好的耐磨性，获得了较多的应用，但同时也存在一些不足。高硬度硬质合金或金属陶瓷的高硬度来自于其大量脆性的硬质相，而电火花沉积是一种快速凝固的表面处理技术，因此，在电火花沉积过程中，制备的涂层中极易产生纵向的裂纹，不利于涂层耐磨性的提高，并且由于较大热应力的存在，使得涂层容易发生剥落，因此其实用的涂层厚度一般在50μm左右，并不能获得大厚度的耐磨涂层。为获得较大的涂层厚度，并避免涂层中裂纹的产生，最近，栾程群等报道了一种基于电火花沉积，以塑性较好的Nb棒为电极材料在合金模具钢H13钢表面制备Nb涂层的工作，结果表明，涂层截面组织连续、致密，无明显的缺陷，含Fe₂Nb 和Fe_0.2Nb_0.8 两种物相，涂层的硬度达642HV，为基体的3.2倍，在同等摩擦磨损实验条件下，其磨损质量仅为基体材料的1/3，显著的提高了H13钢模具的寿命（栾程群，等. H13钢表面电火花沉积Nb涂层组织与性能研究，表面技术，2019,48（1）：285-289.）。NbC具有比Fe₂Nb 和Fe_0.2Nb_0.8 两种物相高得多的硬度，并已在高温合金（专利号：CN108467959B）、金属陶瓷（专利号：）、薄膜材料（专利号：CN105779951A）、焊丝（专利号：CN103894757A）和涂层（专利号：CN103526198A、CN103255414A）等领域获得了广泛的应用。但目前关于采用电火花沉积在合金模具钢表面制备NbC强化且具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层的研究仍未见公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种NbC强化具有硬度梯度的纳米晶耐磨涂层及其制备方法。

为达到上述目标，本发明采用下述技术方案：