一种扭转涂层的制备方法和制备装置与流程

1.本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种扭转涂层的制备方法和制备装置。


背景技术：

2.现在的工程应用零件大多用于如循环载荷、腐蚀和高温等极端条件下，这就要求零件必须具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性。在许多科研院所和工厂研究中都把提高零件上述的力学性能摆在首要位置上，但大多数采取的都是传统的加工工艺，这些对材料的改性都是有限的，这就需要一种更加具有创新性的改性手段来提高材料的性能。在材料科学领域中，表面改性技术已经被证明是一种有效提高材料整体性能的技术，同时表面改性是工程材料的一个重要步骤，经过改性后工程材料可以承受各种现代能量转换系统和化学加工工业中遇到的日益恶劣的环境。然而，现在大多数传统技术进行表面改性表现出扩散动力学慢、加工困难或兼容性差等缺点，这些都阻碍了材料性能的提升。
3.扭转变形和包埋扩散渗技术是提升材料的力学和表面化学性能两种不同方法。扭转变形是一种塑性变形方式，可以细化材料的晶粒，改变相分布和形貌；对金属材料进行扭转变形可以引入梯度微结构和大量的位错，这种位错增值可以使基体材料强韧化，使金属的力学性能得到很大的提高。包埋扩散渗是将金属或合金置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入基体金属表面，进而在基体表面形成一种具有特殊性能渗层的技术，在金属材料表面改性领域具有很大的发展潜力。扩渗渗后的渗层与基体冶金结合，表层不容脱落。包埋渗技术可以在金属材料表面引入金属或非金属涂，从而显著地提高材料的耐腐蚀性、耐磨性和硬度等性能。在金属材料表面扩散渗入c、b、cr、al和ti等元素达到表面改性的研究已得到认可，所以扩散渗已经成为一种常见的表面改性手段。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题在于提供一种扭转涂层的制备方法，本技术提供的涂层的制备方法耦合了扭转变形和包埋扩散渗，可以在金属棒材表面得到结合力强、层深厚的金属或非金属涂层，从而提高材料的耐磨、耐蚀等性能。
5.有鉴于此，本技术提供了一种扭转涂层的制备方法，包括：
6.将金属棒材置于混合粉末中，对所述金属棒材加热且扭转变形。
7.优选的，所述混合粉末中包括渗源金属、填充剂和催渗剂，所述填充剂选自氧化铝或氧化镧，所述催渗剂选自氯化铵，所述渗源金属选自铝和铬中的一种或两种。
8.优选的，所述扭转变形的扭转方式为单向扭转。
9.优选的，所述扭转变形的扭转速度为1～5
°
/min，所述扭转变形的扭转角度低于但接近于金属棒材的扭转断裂角度。
10.优选的，所述金属棒材的材质为碳钢或合金钢。
11.优选的，所述加热为感应加热，所述感应加热的温度为1000～1500℃。
12.本技术还提供了一种扭转涂层的制备装置，包括：上扭转杆、下扭转杆、上夹具、下夹具、坩埚、扭转容器、加热装置和坩埚；
13.所述扭转容器的顶端和底端对称设置有上扭转杆和下扭转杆；
14.所述上扭转杆的下端设置有上夹具，所述下扭转杆的上端设置有下夹具；所述上夹具和所述下夹具用以夹持金属棒材的顶端和底端；
15.所述坩埚与所述下夹具连接，所述坩埚用以放置混合粉末；
16.所述坩埚外部设置有加热装置。
17.优选的，所述扭转容器由上容器、外层和下容器构成，所述外层连接所述上容器和所述下容器。
18.优选的，所述加热装置为感应线圈。
19.本技术提供了一种扭转涂层的制备方法，其是将金属棒材置于粉末中，对所述金属棒材加热且扭转变形；本技术提供的涂层的制备方法耦合了扭转变形和包埋扩散渗，即扭转变形和包埋扩散渗同时进行，该种方法对棒状材料扭转塑性变形加工，在材料表层引入高密度缺陷，同时利用感应加热对其进行表面加热扩渗金属或非金属，有助于降低扩渗温度、提高扩渗效率、增大渗层厚度、提高扩渗件整体性能。
附图说明
20.图1为本发明中的制备工艺装置图；
21.图2为本发明实施例1和实施例2中40cr钢扭转180
°
心部(a、d)、中部(b、e)和表层(c、f)基于ebsd数据计算出的位错密度分布图；
22.图3为本发明实施例1和实施例2中的40cr钢扭转180
°
后感应加热包埋扩散渗铬样品的扫描电子显微镜剖视图；
23.图4为本发明实施例2中的能谱扫描元素面分布图，图4(a)和图4(b)分别表示的是铬元素和铁元素的分布。
具体实施方式
24.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
25.鉴于现有技术的性能需求与申请人的研究结果，本技术提供了一种耦合扭转变形和包埋扩散渗以制备金属涂层的方法，该方法将扭转变形和包埋扩散渗耦合在一起在金属棒材表面制备涂层，一方面感应加热的引入提高了扭转温度从而可以克服室温扭转材料塑性差、累积扭转角较低的缺点；另一方面由于扭转变形在金属棒材表面引入了形变缺陷，提高了元素快速扩散通道的比例，从而提高扩散渗效率。具体的，本发明实施例公开了一种扭转涂层的制备方法，包括：
26.将金属棒材置于混合粉末中，对所述金属棒材加热且扭转变形。
27.在本技术中，所述金属棒材的材质为碳钢或合金钢。所述混合粉末中包括渗源金属、填充剂和催渗剂，所述填充剂选自氧化铝或氧化镧，所述催渗剂选自氯化铵，所述渗源金属选自铝和铬中的一种或两种。所述扭转变形的扭转方式为单向扭转。所述扭转变形的
扭转速度为1～5
°
/min，所述扭转变形的扭转角度低于但接近于金属棒材的扭转断裂角度。所述加热为感应加热，所述感应加热的温度为1000～1500℃。
28.在本技术制备涂层的过程中，扭转变形和包埋扩散渗耦合制备了涂层，上述耦合的方式并非是先扭转变形或先包埋扩散渗，而是扭转变形和包埋扩散渗同时进行，所述加热是感应加热，是在包括扩散渗中引入的，而并非是直接对金属棒材采用其他加热手段加热，即热源是包埋扩散渗的热源。
29.研究结果表明：热扩散渗温度下进行的扭转变形可以在包括钢材料的金属内部引入呈梯度分布的位错，且位错密度从心部到边部逐渐增高。此外，扭转变形加工的棒材表层孪晶界数量增高，表层晶体取向转动剧烈，这些组织演化同样有益于提高扩渗速率。相比于先扭转后热扩散，这种同时进行的技术手段可以很明显的降低热扩散的温度。
30.本技术还提供了一种扭转涂层的制备装置，具体如图1所示，其包括：上扭转杆、下扭转杆、上夹具、下夹具、坩埚、扭转容器、加热装置和坩埚；
31.所述扭转容器的顶端和底端对称设置有上扭转杆和下扭转杆；
32.所述上扭转杆的下端设置有上夹具，所述下扭转杆的上端设置有下夹具；所述上夹具和所述下夹具用以夹持金属棒材的顶端和底端；
33.所述坩埚与所述下夹具连接，所述坩埚用以放置混合粉末；
34.所述坩埚外部设置有加热装置。
35.在本技术提供的装置中，坩埚内装有混合粉末，用以进行包埋扩散渗，所述加热装置具体为磁感应线圈，其在坩埚周围围绕，用于加热坩埚。
36.如图1所示，图1为本发明提供的一种耦合扭转变形和表面扩散金属涂层的装置，其中，下扭转杆1上连接下夹具2并置于下容器11内，下夹具2上接坩埚4；坩埚内装有混合粉末5，在坩埚周围围绕的是用来加热的磁感应线圈3；扭转实验机的上扭转杆9连接上夹具6并置于上容器7内；10为容器的外层，皆由不锈钢制成，8为开关阀；容器7可以设计为圆弧状，下容器11可以设计为立方体，高度满足扭转实验范围；下扭转杆1与下夹具2之间为插合连接。
37.本发明上述装置的使用方法和操作步骤如下：
38.1、首先，将棒状材料夹在上夹具6与下夹具2之间，上夹具6先不夹紧(此时棒材主体部分位于刚玉坩埚之中)；
39.2、将混合粉末(nh4cl、la2o3、al2o3和cr/al)装进刚玉坩埚中，将棒材包埋充分；
40.3、填充完混合粉末后，上夹具6加紧棒材，然后，旋紧上容器7和下容器11，关闭上容器的开关阀门8；
41.4、当仪器开始扭转的时候，包围在刚玉坩埚周围的感应线圈3开始加热进行热扩散渗；
42.5、试验结束后，可以打开开关阀8，松开上下夹具，用钳子取出样品。
43.为了进一步理解本发明，下面结合实施例进行探究扭转加热扩散渗最合适的扭转方式和扩散温度。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
44.实施例1
45.将商业40cr加工成标准拉伸试样，放入上述装置，扭转方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为3
°
/min；扭转的样品同时包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，
混合粉末由重量百分比为45％的cr(纯度99.9％，颗粒直径约100μm)、5％的nh4cl(颗粒直径约100μm)粉末、5％la2o3以及45％的al2o3(颗粒直径约100μm)组成，感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间约1h，结果在40cr表层形成了厚度约为25μm的铬涂层。
46.未扭转处理的40cr涂层厚度仅为18μm，涂层厚度得到增加，梯度缺陷助扩散渗的效果明显。
47.实施例2
48.首先将商业40cr加工成标准拉伸试样，放入本发明装置，扭转方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为5
°
/min；扭转的样品同时包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的cr(纯度99.9％，颗粒直径约100μm)、5％的nh4cl(颗粒直径约100μm)粉末、5％la2o3以及45％的al2o3(颗粒直径约100μm)组成，感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间约1h，结果在40cr表层形成了厚度约为30μm的铬涂层。相比于实施例1，涂层厚度又得到增加，说明适当的提高扭转速度可以有效的提高涂层的扩散效率和深度。
49.实施例3
50.首先将商业40cr加工成标准拉伸试样，放入本发明装置，扭转方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为5
°
/min；扭转的样品同时包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的cr(纯度99.9％，颗粒直径约100μm)、5％的nh4cl(颗粒直径约100μm)粉末、5％la2o3以及45％的al2o3(颗粒直径约100μm)组成，感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间约2h，结果在40cr表层形成了厚度约为31μm的铬涂层。相比于实施例1和实施例2，实施例3的涂层厚度得到了提升。说明适当的提高扩散时间可以提高涂层的扩散效率和深度，但是效果不是很明显。
51.图2分别表示的为本发明实施例1(40cr钢扭转180
°
心部(a)、中部(b)和表层(c))和实施例2(40cr钢扭转180
°
心部(a)、中部(b)和表层(c))基于ebsd数据计算出的位错密度分布图；局部取向差kam图可以用来计算几何位错密度，从而判断在变形过程中材料应力分布的状态；kam的值越大，说明位错密度越高，材料的应力分布越集中。从图中可以看出，在实施例1和实施例2中，在1100℃在扭转和热扩散渗，20从心部、中部到表层的kam值是逐渐增大的，特别是在表层区域，位错的密度最为集中；这说明，通过扭转变形在材料表面引入高密度晶体缺陷，使得材料的心部和表层产生了明显的差异，在性能上体现为材料心部保持着韧性而材料的表层获得很高的硬度。另外，两个实施例中最明显的不同点在于扭转速度的不同，在实施例1中的扭转速度为3
°
/min，实施例2中的扭转速度为5
°
/min；结果表明实施例2中边部的kam值的大小明显高于实施例1中边部的kam值，这说明实施例2中选的扭转速度(5
°
/min)更加适用于实验，样品性能可以得到明显的提高。
52.图3分别表示的为本发明实施例1(图3a和图3b)和实施例2(图3c和图3d)感应加热包埋扩散渗铬后的扫描电子显微镜组织照片和能谱线扫描结果；从图3b中可以看出，扭转速度为3
°
/min的热扩渗中，40cr钢表层形成了厚度约25μm的铬涂层，当扭转速度增加到5
°
/min后，在相同的热扩散温度和时间下，在40cr钢表层形成的涂层厚度约为30μm。而在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40cr钢涂层厚度约22μm，所述表面梯度缺陷助渗合金法可以很好的提高渗铬层厚度。从实施例1和实施例2中可以看出，扭转速度为5
°
/min时，形成的涂层厚度更深。此时，若扭转速度再提高就会明显影响扩散速度，事实证明过
快的扭转速度会不利于扩散的进行。所以在扭转和热扩散渗同时进行时，可以优选扭转速度为5
°
/min。能谱线扫描结果显示，涂层含有较高的铬元素，也即在包埋热扩散过程中，涂层和基体发生了铬原子和铁原子的互扩散，是一种典型的冶金结合，显而易见冶金结合具有较高的界面结合强度。图4表示的是实施例2中样品的横截面铬和铁元素的分布图，可以很明显的看出铬扩散进入40cr钢中的具体深度和位置。本发明所述表面梯度缺陷助渗合金的方法优选截面为圆形的金属棒材，如20钢、40钢或40cr钢，优选大直径棒材，优选扭转速度<5
°
/min的慢速扭转。棒状材料在扭转变形过程中，应变量和应变速率沿半径方向递增，表层具有最大的应变量和最高的应变速率，直径增大有助于向表层引入更高密度的晶体缺陷，从而提高感应加热扩散渗时原子的扩散速率。实验过程采用较慢的扭转速度可以实现大角度的扭转变形，可以提高表层缺陷密度，提高扩渗效率。相对于传统热扩散(通常的加热温度为1300℃)而言，可以降低加热温度，避免基体组织粗化，提高统材料的整体性能。
53.对比例1
54.将商业40cr钢加工成标准的拉伸试样，再进行室温扭转变形加工，扭转的方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为5
°
/min，然后扭转加工中的样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％cr粉(纯度99.2％，颗粒直径约80μm)、45％的al2o3粉末(颗粒直径为100μm)、5％的氯化铵粉末(颗粒直径约为100μm)和5％la2o3粉末(颗粒直径约为80μm)；感应加热的温度设置为1100℃，扩散时间1h后铬层厚度约为20μm。然在相同的扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40cr钢涂层厚度约18μm，涂层厚度增加很小，梯度缺陷助扩散渗的效果不明显。
55.对比例2
56.将商业40cr钢加工成标准的拉伸试样，再在200℃下进行扭转变形加工，扭转的方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为5
°
/min，然后扭转加工中的样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，扩散参数同上。在相同扩散温度和扩散时间条件下，与未扭转处理的样品相比，涂层厚度无明显变化，说明在高温下扭转处理，表层引入的梯度缺陷含量减少，梯度缺陷助扩散渗的效果不明显。
57.扩散渗时间影响很大，时间越长渗层越厚，但工业化生产为了追求效益，时间不宜过长，因此均采用12小时。扭转与未扭转相比，不影响耐腐蚀性能。
58.对比例3
59.将商业40cr钢加工成标准的拉伸试样，再进行1100℃扭转变形加工，扭转的方式为单向扭转，扭转角度为180
°
，扭转速度为5
°
/min，然后扭转加工中的样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％cr粉(纯度99.9％，颗粒直径约80μm)、45％的al2o3粉末(颗粒直径为100μm)、5％的氯化铵粉末(颗粒直径约为100μm)和5％la2o3粉末(颗粒直径约为80μm)；感应加热的温度设置为1100℃，扩散时间2h后，40cr钢表层形成了厚度约为25μm的铬涂层。而在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40cr钢涂层厚度约为20μm。所述表面梯度缺陷助渗合金法可以很好的提高渗铬层厚度。
60.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。