一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层及其应用，属于金属装备领域。该涂层的材料包含金属基体以及两种以上的具有不同介电常数的纳米球形颗粒，并且金属基体的介电常数在纳米球形颗粒的介电常数之间，使整个纳米复合涂层的体系具有负的哈梅克常数，充分发挥纳米颗粒的细晶强化效应、弥散强化效应以及钉扎强化效应，同时通过纳米颗粒在涂层材料中表现出来的滚珠轴承效应、小尺寸效应和高活性效应，促使金属基纳米复合涂层的硬度、耐磨性和减摩性均得以大幅提升，尤其加强了高温应用环境下的耐磨减摩性能，从而可以有效降低高温条件下设备表面磨损，改善摩擦工况条件，提升设备的使用寿命，值得在金属装备领域进行大范围推广。

A Metal-based Nanocomposite Coating with Wear Resistance and Friction Reduction Property and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层及其制备方法
本专利技术属于金属装备领域，具体涉及一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层及其制备方法。
技术介绍
对于日常工业活动中经常涉及到的金属装备，摩擦磨损状况是影响其使用效果和寿命的重要因素，尤其是在高温应用环境下磨损消耗表现得更为严重。另外，在传统金属冶炼及加工制造行业中，金属工件相对运动过程中产生的较严重摩擦现象往往会带来工艺操作条件上的束缚并导致生产成本的增加。因此，若通过引入新型材料技术能有效提升高温应用环境下金属装备表面的耐磨减摩性能，则无疑对其在线使用寿命的延长以及工艺操作环节的优化改善是重大利好因素，在控制生产成本、创新生产工艺方面具有十分重要的意义。目前，工业上通常采用金属基涂层技术来对金属装备进行表面强化处理，针对耐磨损性能的提升和摩擦润滑条件的改善，往往需要在涂层金属基体中添加不同的异相颗粒材料，对于前者强调的是添加相本身的强度和硬度，对于后者强调的则是添加相本身的自摩擦系数和自润滑特性，很难通过单一异相材料的复合加入来促使两者同时实现。另外，传统的金属基复合涂层在高温条件下，由于容易发生较为严重的晶粒粗化现象及组织转变，其强化性能会出现大幅下降。纳米材料是指特征尺度介于1～100nm的材料(对于球形材料即为直径，对于薄膜材料即为厚度，对于棒状材料即为截面直径)，较之常规的宏观尺度材料，纳米材料具有大得多的比表面积和表面自由能，其内外层原子数占比有显著变化，其尺度量级与许多物理特征尺度(如可见光波长、德布罗意波长等)相当，这样必然会表现出截然不同的物理化学特性。纳米材料通常具有显著的比表面效应、小尺寸效应和量子效应，导致其结合能、熔点、硬度、德拜温度、化学反应平衡常数等重要物理化学性质发生较大变化。在传统工业
，若能对纳米材料的新物化特性加以充分利用，必然能突破常规材料带来的技术束缚，引领技术革新。金属基纳米复合涂层技术是指通过特定的工艺将一种或多种金属或非金属纳米颗粒均匀添加到涂层金属基体之中，以改善涂层某些方面的性能，如强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性等。较之常规的金属基复合涂层，纳米异相材质的加入会带来几个明显的好处：其一是细晶强化效应，纳米颗粒作为有效的形核质点，可促进异质形核，晶粒数目增加，晶粒尺寸减小，涂层的屈服极限提升；其二是弥散强化效应，纳米颗粒与位错之间的相互作用可阻碍位错运动，促使涂层的变形抗力提升；其三是钉扎强化效应，纳米颗粒钉扎在晶界上使得晶界面积减小并产生出相应的拖曳力以阻碍晶界移动，从而控制晶粒生长，这一效应在高温下尤为显著。充分利用金属基纳米复合涂层的技术特点，并进一步结合纳米复合材料的良好协同效应(发挥各种添加组分之间的协同作用)和性能的可设计性(针对性能需求进行材料的设计和制造)，可采用多元金属基纳米复合涂层来针对性地实现高温耐磨减摩性能的有效强化，将其应用于冶金、机械等传统工业生产领域必会在生产成本控制、生产工艺创新等方面带来重大好处，具有十分重要的推广应用价值。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层；本专利技术的目的之二在于提供一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层在强化处理金属材料表面耐磨减摩性能方面的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，所述纳米复合涂层中体系的哈梅克常数为负值，所述涂层包含复合添加相和金属基体，所述纳米球形颗粒与所述金属基体的体积比为5～15:100，所述复合添加相包含至少两种具有不同介电常数的纳米球形颗粒。优选的，所述纳米球形颗粒的直径为50～100nm。优选的，所述复合添加相包含氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒，所述氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒之间不发生化学反应。优选的，所述金属基体的介电常数介于所述氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒的介电常数之间。优选的，所述氧化物纳米颗粒和所述陶瓷纳米颗粒体积比为1:3～3:1的。优选的，所述氧化物纳米颗粒在25℃下的氧扩散系数大于等于4×10-38m2/s，自摩擦系数小于等于0.35，所述氧化物纳米颗粒还具有良好的自润滑特性。优选的，所述氧化物纳米颗粒包含三氧化二铝和氧化锆中的至少一种。优选的，所述陶瓷纳米颗粒的维氏硬度是所述金属基体的5倍以上，熔点是所述金属基体的1.2倍以上。优选的，所述陶瓷纳米颗粒包含碳化硅和氮化硅中的至少一种。2、上述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)复合添加相的制备：将充分分散的具有不同介电常数的纳米球形颗粒混合形成复合添加相；(2)混合材料的制备：将步骤(1)中所述复合添加相加入至配制好的基体金属电镀液中，其中复合添加相与基体金属的体积比为5～15:100，搅拌混合均匀，形成混合材料；(3)制备金属基纳米复合涂层：将步骤(2)中所述混合材料涂覆在块体相表面形成金属基纳米复合涂层，所述涂层的厚度为15μm～2mm。优选的，步骤(1)中所述充分分散的方式为超声破碎结合机械搅拌或者吹气搅拌中的至少一种。优选的，步骤(2)中所述涂覆方法为纳米复合电镀、电刷镀或着化学镀中的任意一种。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术公开了一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，通过将具有不同介电常数以及不同的物理性质的纳米球形颗粒作为复合添加相添加到金属基体中形成纳米复合涂层，使整个纳米复合涂层的体系具有负的哈梅克常数，充分发挥纳米颗粒的细晶强化效应、弥散强化效应以及钉扎强化效应，同时通过纳米颗粒在涂层材料中表现出来的滚珠轴承效应、小尺寸效应和高活性效应，促使金属基纳米复合涂层的硬度、耐磨性和减摩性均得以大幅提升，尤其加强了高温应用环境下的耐磨减摩性能，从而可以有效降低高温条件下设备表面磨损，改善摩擦工况条件，提升设备的使用寿命，值得在金属装备领域进行大范围推广；2、本专利技术还公开了一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层的制备方法，采用超声破碎结合机械搅拌或者吹气搅拌将复合添加相中的纳米球形颗粒进行了充分的分散，避免了纳米颗粒的自我团聚现象，使其在金属基体中适量复合且保持均匀弥散分布，进而更好的制备具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1为实施例1中制备得到的金属基纳米复合涂层中的表面形貌图；图2为800℃条件下热处理8小时后常规涂层的晶相组织；图3为800℃条件下热处理8小时后本专利技术实施例1中金属基纳米复合涂层的晶相组织；图4为固体摩擦副表面相互接触的实际情况示意图；图5为纳米颗粒在摩擦副之间发挥滚珠轴承效应的示意图；图6为纳米颗粒在摩擦副表面发挥小尺寸效应的示意图；图7为固体表面滑动摩擦过程中粘着效应和犁沟效应的示意图；图8为双原子体系范德华作用势能函数曲线的示意图；图9为纳米复合共沉积过程中金属离子在阴极表面放电还原的示意图；图10为超声破碎仪装置的示意图。具体实施方式下面将对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。实施例1一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层的制备，其制备方法包含以下步骤：(1)材料选择：选择直径为50～100n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述纳米复合涂层中体系的哈梅克常数为负值，所述涂层包含金属基体和均匀分散在所述金属基体中的复合添加相，所述复合添加相与所述金属基体的体积比为5～15:100，所述复合添加相包含至少两种具有不同介电常数的纳米球形颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述纳米复合涂层中体系的哈梅克常数为负值，所述涂层包含金属基体和均匀分散在所述金属基体中的复合添加相，所述复合添加相与所述金属基体的体积比为5～15:100，所述复合添加相包含至少两种具有不同介电常数的纳米球形颗粒。2.根据权利要求1所述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述纳米球形颗粒的直径为50～100nm，所述复合添加相包含氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒，所述氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒之间不发生化学反应。3.根据权利要求2所述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述金属基体的介电常数介于所述氧化物纳米颗粒和陶瓷纳米颗粒的介电常数之间。4.根据权利要求2所述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述氧化物纳米颗粒在25℃下的氧扩散系数大于等于4×10-38m2/s，自摩擦系数小于等于0.35，所述氧化物纳米颗粒还具有良好的自润滑特性。5.根据权利要求4所述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复合涂层，其特征在于，所述氧化物纳米颗粒包含三氧化二铝和氧化锆中的至少一种。6.根据权利要求2所述一种具有耐磨减摩性能的金属基纳米复...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯科，王水根，漆锐，余晨韵，
申请(专利权)人：中冶赛迪工程技术股份有限公司，中冶赛迪技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50