一种加速制备合金涂层的方法 【技术领域】
本发明涉及材料表面技术领域，特别涉及机械能加速金属材料表面制备合金涂层的方法。
背景技术
粉末渗金属是在金属材料表面制备合金涂层的方法之一。是通过活性原子在金属材料表面的扩散而形成的金属化合物涂层。
为了满足扩散条件，能够产生活性原子和使活性原子向基体内部扩散而形成金属化合物涂层，必须满足一定的热力学和动力学条件。在传统的粉末渗金属工艺中，是通过单一的热能形成金属活性原子，并向零件基体内部扩散，形成金属化合物涂层。这需要加热到较高的温度并持续较长的时间，如粉末渗铝、渗硅、渗铜、渗锰等工艺，加热温度通常都在1000℃左右，需要保温几个小时到十几个小时，这不仅能耗高、效率低，而且零件容易产生热变形，影响质量，限制了粉末渗金属工艺的应用。
中国专利申请“机械能助渗金属表面改性新技术”(专利公开号：1320717A)将传统的粉末渗金属工艺进行了改进，其方法是将装有渗剂的滚筒在加热炉内以3-60转/分的转速进行旋转，利用渗剂和撞击粒子在加热炉的滚筒内对工件表面的撞击，使工件表面产生足够数量的原子扩散所需的空位，在400～600℃条件下，实现机械能助渗金属表面改性，可用于金属渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗。但是由于渗罐转速慢、粒子颗粒小，产生的冲击效应小，不会导致欲渗金属粉末颗粒的粉碎、冷焊、与零件表面粘结等，转动渗罐地作用是通过小颗粒对零件表面的冲击产生空位，促进活性原子向零件基体内扩散形成合金涂层，涂层形成的原理与传统的渗金属的涂层形成原理相同，因此，其作用效果有限，并且这种方法仅能在金属表面形成金属化合物涂层，不能形成含有弥散氧化物的合金涂层。中国专利申请“形成纳米结构的机械方法和专用机械设备”(专利公开号：1336321A)利用封闭空间放置球状弹丸，弹丸在进行循环往复的振动中，撞击封闭空间壁板，使金属零件形成纳米结构表层，并提出在纳米结构形成时或形成之后，在纳米结构表层进行物理化学处理。其所述的在纳米结构表层进行物理化学处理的方法，是先在表面形成的纳米结构，然后利用活性原子沿晶界扩散能力强的特性，促进活性原子沿纳米晶界向基体内扩散形成涂层。因此，这种方法对活性原子有一定的要求，该专利能用于加速渗氮，还无法实现加速渗金属。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种在金属材料表面利用撞击制备合金涂层的方法，将热能与机械撞击相结合，通过振动使扩散、反应、烧结等多个物理化学过程同时进行而形成合金涂层，这种方法不仅可以克服传统渗金属工艺中加热温度高，保温时间长，能耗大等缺点，弥补小颗粒冲击作用弱、作用效果有限、仅能制备金属化合物涂层的不足，而且可以制备出含有弥散纳米氧化物的合金涂层，更快、更有效地实现渗金属涂层。
具体步骤为：
在封闭容器内放置介质球、复合粉剂和待处理零件，同时将封闭容器放置在加热炉内加热并与机械振动装置连接。机械振动装置按预定的振动频率和振幅产生机械振动，带动加热炉内的封闭容器振动，使封闭容器内的介质球产生往复运动，撞击封闭容器内的复合粉剂和试样。
本发明所述的复合粉剂由硅粉或纯金属粉和合金粉、填充剂和催化剂组成，复合粉剂的成分配比按重量百分比计为：金属/合金粉10～70％，填充剂20～89％，催化剂0.1～10％。纯金属粉可以是Zn、Al、Cu、Cr、Mn；合金粉可以是Fe-Zn、Fe-Al、Fe-Cu、Fe-Cr、Fe-Mn、Fe-Si、Al-稀土合金；填充剂包含焙烧粘土、氧化铝、氧化硅、稀土氧化物；催化剂包含氯化物、氟化物；粉剂粒度为30～300目。
本发明所述的介质球直径在1～10mm之间，介质球可以是金属、合金、陶瓷等材料。
本发明所述的介质球与复合粉剂的比例按重量比为20∶1～4∶1，介质球和复合粉剂在封闭容器中的装填量为封闭容器空间的1/4～3/4。待处理零件在封闭容器内可以固定，也可以自由放置。
本发明所述的封闭容器在加热炉内加热，加热温度在400～1000℃的范围内。封闭容器可以采用自生成保护气氛、通保护气氛或抽真空等方式防止复合粉剂和零件表面发生氧化。封闭容器在加热炉内振动，振幅在1～40mm范围内，振动频率在5～50Hz范围内，振动时间为5～300分钟，振动方式可以在加热过程中振动封闭容器，也可在加热到预定温度后振动封闭容器。
本发明的特点在于，将热能与机械撞击相结合，通过机械振动使大质量的介质球作用于封闭容器内复合粉剂的颗粒和零件表面，产生以下效应：
1、大质量介质球产生球磨作用，使复合粉剂的粉末颗粒发生塑性变形和粉碎，可以使部分颗粒粉碎到纳米级，金属粉末与氧化物粉末相互作用形成弥散纳米氧化物颗粒的粉末；
2、大质量的介质球产生锤击作用，使一部分复合粉剂的粉末颗粒通过点焊、钉扎等作用粘结在零件表面形成附着层；
3、附着层的韧性粉末颗粒发生严重的塑性变形，内部产生空位、位错等缺陷，降低扩散和烧结的激活能；
4、介质球撞击零件表面，促进零件表面原子的迁移。
在热能和上述效应的共同作用下，发生催化剂分解，活化金属粉末颗粒和零件表面，粘结于零件表面的粉末附着层中颗粒发生粉末烧结、界面反应和零件基体原子向粘结于零件表面颗粒内扩散等过程，形成合金涂层。
这一技术的优点是同时利用热能和大质量介质球的机械撞击作用，大质量介质球产生强烈的撞击，作用于复合粉剂的小颗粒上，使复合粉剂的颗粒粉碎、颗粒与表面钉扎粘结形成附着层、同时在热能的作用下，发生催化剂分解，活化金属粉末颗粒和零件表面，附着层与基体的扩散烧结等物理化学过程的同时发生，可以在金属材料表面形成合金涂层，并且还可以形成用其它渗金属方法无法形成的含有弥散氧化物的合金涂层，同时还可以降低处理温度，大大缩短涂层形成的时间。
【附图说明】
图1介质球、复合粉剂、试样填装封闭容器示意图
图2振动装置示意图
图3涂层厚度与处理时间关系曲线(基体20钢，560℃)
图4 20钢渗铝涂层截面(520℃、振动120分钟)
【具体实施方式】
实施例1
试验装置
按图1所示，将介质球1，自由放置的试样2，复合粉剂3一起混合放置在封闭容器4内。封闭容器安装在机械振动装置上，如图2所示，机械振动装置7为惯性激振，由电机带动偏心块构成，偏心块重量和偏心距可以调整；装有介质球、复合粉剂和待处理零件的封闭容器4通过连杆6与惯性振动装置相连，并且封闭容器4被放置在加热炉5内加热，使封闭容器4在加热状态下产生振动。
处理工艺
复合粉剂的主要成分(重量百分比)为20％铝粉(Al、200目)，76％氧化铝(Al2O3、200目)，4％氯化铵(NH4Cl)。介质球采用FeCrAl合金球，直径4mm。介质球与复合粉剂的比例为(重量比)10∶1，介质球和复合粉剂的装填量为封闭容器体积的2/3。
将复合粉剂和介质球充分混合填装于封闭容器内，将20号钢试样自由放置于封闭容器内，将封闭容器密封并通氩气保护，防止氧化。加热到560℃后，开动振动装置，振幅为5mm，振动频率为25Hz，振动15、30、60、90、120分钟，随炉冷却。
处理结果
经上述处理后的20号钢表面形成厚度为27～90微米的弥散纳米氧化铝的Fe-Al合金层，渗层主要为FeAl3和Fe2Al5相。图3为560℃时涂层厚度与处理时间的关系，仅经过15分钟的处理，就可以在20钢表面获得27微米厚的涂层，经过120分钟涂层厚度可达90微米，涂层形成的温度和时间均大大小于传统渗铝工艺。
实施例2
试验装置与实施例1相同。
处理工艺
复合粉剂的主要成分(重量百分比)为48％铝粉(Al、200目)，47％氧化铝(Al2O3、200目)，5％氯化铵(NH4Cl)。介质球采用FeCrAl合金球，直径4mm。介质球与复合粉剂的比例为(重量)10∶1，装填量为封闭容器体积的1/2。
将复合粉剂和介质球充分混合填装于封闭容器，将20号钢试样和Cr5Mo试样自由放置于封闭容器内，将封闭容器密封并通氩气保护，防止氧化。加热到440℃～600℃，到达温度后，开动振动装置，振幅为10mm，振动频率为25Hz，振动120分钟，随炉冷却。
处理结果
经上述处理后的20号钢表面在440℃时就可以形成厚度为22微米的弥散纳米氧化铝Fe-Al合金层，在600℃时涂层厚度可达100微米以上，渗层主要为FeAl3和Fe2Al5相；Cr5Mo试样可以形成6～27微米厚的涂层。图4为20钢渗铝涂层在520℃、处理120分钟形成的涂层，涂层致密，与基体结合良好。
实施例3
试验装置与实施例1相同。
处理工艺
复合粉剂的主要成分(重量百分比)为15％硅铁合金粉(Fe-75％Si、200目)，80％氧化铝(Al2O3、200目)，5％氟硼酸钾(KBF4)。介质球采用FeCrAl合金球，直径6mm。介质球与复合粉剂的比例为(重量)8∶1，装填量为封闭容器体积的3/4。
将复合粉剂和介质球充分混合填装于封闭容器，将20钢试样自由放置在封闭容器内，将封闭容器密封并通氩气保护，防止氧化。加热到520℃，到达温度后，开动振动装置，振幅为5mm，振动频率为25Hz，振动120分钟，随炉冷却。
处理结果
经上述处理后的20钢试样表面形成8μm的渗硅层。