改善铝包镍复合粉末性能的探讨.pdf

2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 改善铝包镍复合粉末性能的探讨 杨晓剑 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要根据国内外的资料，总结了改善铝包镍复合粉末性能的方法。目前主要的改善方法是向铝包镍中 添加元素，例如添加金属钼、镍硼粉和难熔金属硅化物等。 关键词铝包镍复合粉末；金属钼；镍硼粉；难熔金属硅化物 中图分类号T G l 7 2 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 2 8 0 3 I m p r o v e m e n to nt h eP r o p e r t i e so fA I ／N iC o m p o s i t e Y A N GX i a o jJ a n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei m p r o v e m e n t so fp r o p e r t i e so ft h en i c k e l ．a l u m i n u mc o m p o s i t ea r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt Ot h ed a ．． t a ．T h em a i nm e a s u r e m e n tt oi m p r o v ei t sp r o p e r t i e si st oa d ds o m e t h i n gt Ot h en i c k e l a l u m i n u ms y s t e m ，s u c ha s m e t a l l i cm o l y b d e n u m ，n i c k e l b o r o na n dr e f r a c t o r ym e t a ls i l i c a t e s ． K e y w o r d s N i c k e l a l u m i n u mc o m p o s i t e ；M e t a l l i cm o l y b d e n u m ；N i c k e lb o r i d e ；R e f r a c t o r ym e t a ls i l i c a t e s 铝包镍是一种典型的复合粉末材料，用于中高 温度下粘结底层或中间层，使用温度可以达到 8 0 0 ℃。在热喷涂中，受热的铝粉与空气接触发生放 热反应，释放大量热。另外，粉末受热到一定温度 后，铝和镍就发生强烈的放热反应，从而对工件基体 和喷涂材料进行充分加热，使粉末能与基体表面实 现微冶金结合，得到结合较好的涂层。镍铝与钢、铝 及铝合金、铸铁、铜等都能产生牢固的结合层，可以 在这些材料的基体上喷涂一层镍铝材料作底层。 铝包镍涂层的热膨胀系数介于金属与陶瓷之 间，并与金属和陶瓷均具有较好的结合性能，所以铝 包镍涂层经常作为底层和中间层，在整体涂层中具 有关键的“承上启下”作用，可解决陶瓷表面涂层因 与金属基体材料的热膨胀系数差异较大而导致的与 金属基体结合强度低、容易产生脱落的问题。 目前国内在铝包镍复合粉末的研究基础之上， 对超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末进行了研 究，这种粉末是以镍粉颗粒为核心，铝粉在镍粉颗粒 的外表面形成包覆层，所述铝粉的平均粒径3 0 ～ 作者简介杨晓剑 1 9 8 0 一 ，女，河北新河人，工程师 8 0 0n m 。这种粉末具有以下特点[ 1 】 1 复合颗粒 包覆形态均匀、完整，无散落的铝粉，因而复合粉末 均匀性好， 2 复合粉末流动性好， 3 复合粉末燃烧 特性优越，因而在喷涂操作过程中发热强度合适。 1改善铝包镍复合粉末性能的方法 常规铝包镍复合粉末制备采用团聚法，铝含量 在4 ％～6 ％，粉末涂层具有一定的结合强度，一般 作为粘结底层或中间层。铝包镍复合粉末在热喷涂 过程中产生大量的烟雾，需要在喷涂中保证良好的 通风。喷涂后涂层的表面机械加工性能差，很难作 为工作面。另外，使用铝包镍涂层的厚度一般在 0 ．1 ～0 ．2 5m m 。随着涂层厚度的增加，涂层性能会 降低[ 2 1 。国外已经对该体系进行了详细的研究，提 出了改善铝包镍复合粉末性能的有效方法。目前国 内还没有系统地关于改进铝包镍复合粉末性能的相 关报导。 1 ．1 添加硼化物 铝包镍复合粉末在热喷涂过程中产生大量的烟 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 2 9 雾，减少复合粉中铝含量可以降低喷涂过程中产生 的烟雾，但是生成涂层的结合强度相应的降低。根 据资料【4 ] ，添加镍硼粉能降低铝包镍粉在热喷涂过 程中产生的烟雾。资料中指明镍硼合金粉的粒度为 1 ～2 0 “m ，硼的含量为7 ％～2 5 ％，最好使用硼含量 是～1 8 ％。镍粉作为包复核心，其大小和形状应与 其复合粉的大小和形状相近。制备过程中先将铝粉 和镍硼粉混合，加入胶，得到含金属固体约6 0 ％的 重浆混合物，然后再和镍粉进行混合，加入胶，搅拌 直到干燥为止。这种制备出的粉末中所有镍核颗粒 都包了一层含有铝颗粒和镍硼颗粒的干膜。最终得 到粉末铝含量5 ％，镍硼粉含量1 ％，镍为余量。粉 末用火焰喷涂到中碳钢板上，涂层具有很好的抗氧 化性能，并能作为中间连接涂层。但是这种粉末涂 层还不能直接作为工作层。 1 ．2 添加金属元素 对于复合型粉末而言，机械加工性能也是一个 重要的要求。钼和铝包镍涂层都属于自粘结性，但 是这两种涂层的表面机械加工性能差。钼粉喷涂后 非常硬，简单的机械加工不能完成，需要进行磨削加 工。由于设备和劳动力的问题，磨削加工是非常昂 贵的。铝包镍涂层容易磨损，涂层表面粗糙。铝包 镍的这些缺点很难通过改变镍铝的成分来克服。 资料[ 3 1 提出了向铝包镍复合粉末中添加金属 钼的方法。该资料发明了一种新型的自粘结粉末， 该粉末镍含量为6 6 ％～9 7 ．5 ％，最好镍含量在7 3 ％ 二8 9 ％，铝含量为2 ％～1 8 ％，最好铝含量为5 ％～ 1 5 ％，钼含量为0 ．5 ％～1 6 ％，最好钼含量在6 ％～ 1 2 ％。该资料中使用的镍颗粒为镍合金，其中包含 1 0 ％～2 0 ％的硅、硼、铬、钴等其他元素。镍合金粉 末的典型配比是0 ．7 ％～1 ％的碳，3 ．4 ％～4 ．5 ％的 硅，2 ．7 5 ％～3 ．7 5 ％的硼，3 ％～5 ％的铁，～1 8 ％的 铬 其中铬主要起到抗腐蚀和氧化的作用 。钼粉中 钼含量应大于5 0 ％，粒度范围1 - - 2 0 肚m 。在热喷涂 过程中，除铝和镍发生放热反应生成铝化镍化合物 外，钼和铝也发生放热反应生产铝化钼金属问化合 物。金属钼有助于提高涂层的厚度，当复合粉末中 铝含量为2 ％～1 8 ％，钼含量为0 ．5 ％～1 6 ％，N i 为 余量时，喷涂后涂层厚度可以达到0 ．7 6 2 ～1 ．2 7 m m 。另外加入金属钼还能提高涂层的机械加工性 能。 镍铝钼复合粉末通常能提高喷涂材料与基体的 结合，制备的涂层致密，空隙率低。一般来说，其它 火焰喷涂材料中加入5 ％的镍钼铝复合粉末就足够 提高结合性能，降低传统热喷涂金属、合金和陶瓷粉 末的空隙率。但是通常必须向该复合粉中添加至少 2 0 ％的其他成分，才可以使得涂层产生明显效果。 这种新型复合粉末与其它粉末混合，最好的比例是 1 0 ％～2 0 ％。另外，文献还阐述了向新型复合粉末 中添加合适的难熔碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化 钽、碳化铌和碳化铪碳化铬等。添加碳化物的涂层 硬度高，抗磨耗，可以作为轴承表面，研磨表面等抗 磨耗涂层的表面。但是，加入金属钼也存在一些弊 端，在火焰喷涂时，M o 含量在0 ．5 ％～1 6 ％时，容易 产生大量的烟雾。 1 ．3 添加难熔金属硅化物 在热喷涂过程中，铝粉很容易与空气发生反应 释放大量的热，这些热量给形成粘结性涂层提供了 热量。镍铝复合涂层的使用厚度在0 ．1 ～0 ．2 5 m m ，随着涂层厚度增加，涂层性能很难保证。在镍 铝复合粉中添加难熔金属硅化物主要起到强化涂层 结构，提高涂层的机械加工性能，增强涂层的结合强 度；同时硅化物还能提高涂层的抗氧化能力。在镍 铝中添加硅化物还可以制备完整的涂层，使涂层的 厚度达到6 ．3 5m m ⋯2 。 根据资料旧j ，添加的铝和硅化物平均粒径不超 过核心颗粒平均粒径的五分之一，最好是不超过四 分之一。铝和硅化物的平均粒径最好小于3 0 “m ， 铝粉的平均粒径最好在0 ．1 ～1 5 扯m ，硅化物的平均 粒径在0 ．1 ～2 5b t m 。核心粉末为自熔性合金，最好 含有0 ．5 ％～6 ％的硅，0 ．5 ％～5 ％的硼，其平均粒 径小于0 ．1 1m m ，例如8 0 ％以上的核心粉末粒度为 一0 ．0 7 4m m ～ 0 ．0 4 3m m 。资料用平均粒经为6 0 ／z m 镍粉，5p m 的铝粉和5 弘m 的硅化物团聚而成复 合粉末。制备过程中的胶可以选择聚氯乙烯、聚亚 安脂、乙烯醇等。胶溶入酒精、甲基乙烷酮等易挥发 的有机溶剂中，这种溶剂在制备过程中就挥发，使得 镍粉、铝粉、硅化物很好地粘结在一起，最后制备的 粉末过0 ．1 1m m 的筛子。 资料对6 ％A 1 4 ％M S i ，一9 0 ％N i 一系列复合 粉末进行喷涂获得结合强度和机械加工性能 见表 1 ，其中M S i ，代表难熔金属硅化物。机械加工等 级是以7 ％C r 一1 5 ％一b a l ．N i 合金试样作为参考 的，该合金的机械加工等级为5 0 。 涂层结合强度试验是一对直径为2 5 ．4m m 、长 为2 5 ．4m m 的圆柱棒，一个圆柱棒是光滑的表面， 另一个棒的表面上用热喷涂方法喷涂粉末，涂层的 厚度为0 ．2 5 4m m 。这一对圆柱棒用环氧树脂粘结 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 表1 添加硅化物的铝包镍粉末性能 T a b l e1T h ep r o s p e r i t i e so fA I ／N ic o m p o s i t e w i t hr e f r a c t o r ym e t a ls i l i c i d e 后，加热至1 5 0 ℃，保温1h 。环氧树脂的结合强度 达到6 8 ．9M P a 。从表1 可以看出，选择性地添加难 熔金属硅化物会提高涂层的结合强度，增加机械加 工等级。其中，添加物以M o S i 2 、C r S i 2 和W S i 2 的结 合强度和机械加工等级比较好。 同时，该资料对6 ％m 一9 4 ％N i 和6 ％A 1 9 0 ％N i 一4 ％C r S i 2 涂层以标准砂作研磨介质进行 磨耗试验。实验采用粒度为一0 ．8 3 3m m ～ 0 ．3 5 m m ，流动速度为6 ．6s ／5 0 9 的标准沙。试样承受研 磨剂5 3 ．4N 的加载力，试验进行1 5m i n 。所得结果 见表2 。 表2 涂层磨耗试验结果 T a b l e2T h er e s u l t so fw e a rt e s t 喷涂后涂层的平均硬度是6 5 ～7 5H R B 。磨耗 因子跟涂层损失的体积成反比，磨耗因子越高，涂层 的抗磨耗性能越好。由表2 可知，9 4 ％N i 一6 ％A 1 4 ％C r S i ，涂层的磨耗因子是9 4 ％N i 一6 ％A 1 涂 层的2 倍左右。此试验证明了加入合适的硅化物可 以提高复合粉末的抗磨耗性能。 在铝包镍中添加难熔硅化物，可以提高机械加 工性能，增加涂层的有效厚度，同时还可以保持好的 结合强度。 2结论 在铝包镍复合粉末中加入镍硼粉可降低粉末在 热喷涂过程中产生的烟雾；添加钼，可以改善涂层的 机械加工性能，提高涂层的有效厚度，但是添加钼容 易在喷涂过程中产生大量的烟雾；添加合适的难熔 硅化物，可以提高涂层的结合强度，改善涂层的机械 加工性能。 参考文献 [ 1 ] 予月光，曾克里，宋希剑，等．超微或纳米铝粉包覆的铝 包镍复合粉末中国，C N l 4 3 6 6 2 3 [ P ] ．2 0 0 3 0 8 2 0 ． [ 2 ] P a t e ] ，M a h e s hS ．M e t a l i f e r o u sf l a m es p r a ym a t e r i a lf o r p r o d u c i n gm a c h i n a b l ec o a t i n g s U n i t e dS t a t e sP a t e n t ， 4 0 3 9 3 1 8 [ P ] ．1 9 7 7 0 8 一0 2 ． [ 3 ] N o v i n s k i ，E d w a r dR o b e r t ，H a r r i n g t o n ，e ta 1 ．A l u m i n u m - a n dM o l y b d e n u m c o a t e dn i c k e l ，c o p p e ro ri r o nc o r ef l a m e s p r a ym a t e r i a l s U n i t e dS t a t e sP a t e n t ，3 8 4 1 9 0 1 [ P ] ．1 9 7 4 一1 0 1 5 ． [ 4 ] L o n g o ．L o ws m o k i n gN i c k e lA l u m i n u mF l a m eS p r a yP o w ． d e r U n i t e dS t a t e sP a t e n t ，3 3 3 8 6 8 8 [ P ] ．1 9 6 7 一0 8 2 9 ． 万方数据