本发明属于复合材料领域，涉及一种双层表面复合增强铁基材料及其制备方法。
背景技术：
：滚筒是一种用于传输和运送货物的器件，广泛应用于车站、机场、邮局快递、工业生产等领域。在实际应用中，要求滚筒具有较高的传动效率和较长的使用寿命。特别是应用于工业生产领域的滚筒，其承载运输的货物往往具有重量大、温度高或者具有腐蚀性的特点。因此，滚筒表面的机械物理性能和耐腐蚀性能是影响其服役寿命的关键因素。实际应用中，通常采用不锈钢作为滚筒的壳体材料，不锈钢自身具有较好的耐腐蚀性能，但其表面硬度较低，在运输工件时容易擦伤受损，受损后的不锈钢表面具有较高的点蚀倾向，耐腐蚀性能大幅降低。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种双层表面复合增强铁基材料及其制备方法。根据本发明的一方面，提供了一种双层表面复合增强铁基材料，包括基体及依次包覆在基体外侧的第一表面增强层和第二表面增强层；其中，所述基体为铁基合金；所述第一表面增强层按重量百分比包含如下组分：铬cr6.2％-11.8％，锆zr0.02％-0.09％，硼b0.5％-1.5％，镍ni21％-35％，钕nd0.1％-0.8％，余量为铁fe；所述第二表面增强层按重量百分比包含如下组分：锌zn3.8％-8.9％，纳米氧化铝al2o30.08％-0.15％，纳米氮化锆zrn0.02％-0.07％，铁fe0.88％-1.65％，纳米氮化铝aln0.05％-0.09％，镍ni5.2％-12.8％，余量为铝al。根据本发明的示例性实施例，所述第一表面增强层的厚度为12μm-28μm，所述第二表面增强层的厚度为15μm-25μm。根据本发明的示例性实施例，所述纳米氧化铝al2o3的平均粒径为32nm，所述纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，所述纳米氮化铝aln的平均粒径为25nm。根据本发明的另一方面，提供了一种双层表面复合增强铁基材料的制备方法，所述方法包括：一、第一增强预制体制备按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr6.2％-11.8％，锆zr0.02％-0.09％，硼b0.5％-1.5％，镍ni21％-35％，钕nd0.1％-0.8％，余量为铁fe，其中，fe-ni基合金粉末粒度为10μm-25μm；预制成型：将上述fe-ni基合金粉末均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段过程中，压制温度为380℃-425℃，压制保温时间为135min-185min，压制压力为550mpa-620mpa；第二阶段过程中，压制温度为265℃-300℃，压制保温时间为80min-115min，压制压力为335mpa-420mpa；第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.07mm-φ0.25mm的第一增强预制体线材；二、第二增强预制体制备按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn3.8％-8.9％，纳米氧化铝al2o30.08％-0.15％，纳米氮化锆zrn0.02％-0.07％，铁fe0.88％-1.65％，纳米氮化铝aln0.05％-0.09％，镍ni5.2％-12.8％，余量为铝al；预制活化：将上述铝基粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；三、基体材料预处理将基体材料进行无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间为25min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；四、第一表面增强层制备将第一增强预制体线材采用超音速电弧喷涂法，在基体表面制备第一表面增强层；五、第二表面增强层制备将活化后的铝基粉体采用等离子电弧熔覆法，在第一表面增强层上制备第二表面增强层。根据本发明的示例性实施例，所述第一增强预制体制备时，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％。根据本发明的示例性实施例，超音速电弧喷涂时，电弧电压为35v-45v，电弧电流255a-295a，空气压力0.6mpa-1.2mpa，送丝电压为15v-22v，喷涂距离为210mm-280mm。根据本发明的示例性实施例，等离子电弧熔覆时，电弧高度10mm，等离子弧气流量为2.8l/min-5.2l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为3.8r/min-5.5r/min，熔覆电流为80a-115a，熔覆速度为195mm/s-288mm/s。与现有技术相比，根据本发明的双层表面复合增强铁基材料的制备方法，采用超音速电弧喷涂法和等离子电弧熔覆法制备双层表面复合增强铁基材料。根据本发明的双层表面复合增强铁基材料，其表面硬度显著提高，平均硬度值约是基体材料的11.04倍；其表面耐磨性能显著提高，在相同试验条件下，其平均质量损失约是基体材料的20.1％；其耐腐蚀性能显著提高，300h盐雾腐蚀后，平均单位面积质量损失值约是基体材料的25.63％。具体实施方式为使本发明技术方案和优点更加清楚，通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1：一、第一增强预制体制备按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr6.2％，锆zr0.05％，硼b0.8％，镍ni21％，钕nd0.1％，余量为铁fe；fe-ni基合金粉末粒度为25μm；预制成型：将上述粉体均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段内，压制温度为380℃，压制保温时间为135min，压制压力为550mpa；第二阶段内，压制温度为265℃，压制保温时间为115min，压制压力为335mpa；第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.25mm的第一增强预制体线材。其中，第一增强预制体制备过程中，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％；二、第二增强预制体制备按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn3.8％，纳米氧化铝al2o30.12％，纳米氮化锆zrn0.03％，铁fe1.28％，纳米氮化铝aln0.08％，镍ni6.2％，余量为铝al；其中，纳米al2o3的平均粒径为32nm，纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，纳米氮化铝aln的平均粒径分别为25nm；预制活化：将上述粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；三、基体材料预处理采用304不锈钢作为基体材料，无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间5min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；四、第一表面增强层制备采用超音速电弧喷涂，超音速电弧电压为35v，电弧电流266a，空气压力0.6mpa，送丝电压为15v，喷涂距离为210mm；在基体表面制备厚度为12μm的第一表面增强层；五、第二表面增强层制备采用等离子电弧熔覆，等离子电弧高度10mm，等离子弧气流量为2.8l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为3.8r/min，熔覆电流为80a，熔覆速度为208mm/s；在第一表面增强层上制备厚度为22μm的第二表面增强层。实施例2：一、第一增强预制体制备按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr7.7％，锆zr0.07％，硼b1.3％，镍ni25％，钕nd0.6％，余量为铁fe；fe-ni基合金粉末粒度为18μm；预制成型：将上述粉体均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段内，压制温度为393℃，压制保温时间为143min，压制压力为579mpa；第二阶段内，压制温度为275℃，压制保温时间为108min，压制压力为358mpa；第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.18mm的第一增强预制体线材。其中，第一增强预制体制备过程中，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％；二、第二增强预制体制备按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn6.6％，纳米氧化铝al2o30.09％，纳米氮化锆zrn0.05％，铁fe1.65％，纳米氮化铝aln0.05％，镍ni8.3％，余量为铝al；其中，纳米al2o3的平均粒径为32nm，纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，纳米氮化铝aln的平均粒径分别为25nm；预制活化：将上述粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；三、基体材料预处理采用304不锈钢作为基体材料，无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间5min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；四、第一表面增强层制备采用超音速电弧喷涂，超音速电弧电压为40v，电弧电流282a，空气压力0.9mpa，送丝电压为19v，喷涂距离为250mm；在基体表面制备厚度为15μm的第一表面增强层；五、第二表面增强层制备采用等离子电弧熔覆，等离子电弧高度10mm，等离子弧气流量为3.3l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为4.2r/min，熔覆电流为102a，熔覆速度为195mm/s；在第一表面增强层上制备厚度为15μm的第二表面增强层。实施例3：一、第一增强预制体制备按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr8.5％，锆zr0.02％，硼b0.5％，镍ni28％，钕nd0.3％，余量为铁fe；fe-ni基合金粉末粉末粒度为12μm；预制成型：将上述粉体均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段内，压制温度为409℃，压制保温时间为169min，压制压力为588mpa；第二阶段内，压制温度为289℃，压制保温时间为95min，压制压力为392mpa；第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.07mm的第一增强预制体线材。其中，第一增强预制体制备过程中，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％；二、第二增强预制体制备按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn4.5％，纳米氧化铝al2o30.11％，纳米氮化锆zrn0.02％，铁fe0.88％，纳米氮化铝aln0.09％，镍ni5.2％，余量为铝al；其中，纳米al2o3的平均粒径为32nm，纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，纳米氮化铝aln的平均粒径分别为25nm；预制活化：将上述粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；三、基体材料预处理采用304不锈钢作为基体材料，无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间5min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；四、第一表面增强层制备采用超音速电弧喷涂，超音速电弧电压为45v，电弧电流255a，空气压力0.7mpa，送丝电压为19v，喷涂距离为265mm；在基体表面制备厚度为22μm的第一表面增强层；五、第二表面增强层制备采用等离子电弧熔覆，等离子电弧高度10mm，等离子弧气流量为4.1l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为5.1r/min，熔覆电流为98a，熔覆速度为256mm/s；在第一表面增强层上制备厚度为25μm第二表面增强层。实施例4：一、第一增强预制体制备按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr11.8％，锆zr0.09％，硼b1.5％，镍ni35％，钕nd0.8％，余量为铁fe；fe-ni基合金粉末粒度为10μm；预制成型：将上述粉体均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段内，压制温度为425℃，压制保温时间为185min，压制压力为620mpa；第二阶段内，压制温度为300℃，压制保温时间为80min，压制压力为420mpa；第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.12mm的第一增强预制体线材。其中，第一增强预制体制备过程中，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％；二、第二增强预制体制备按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn8.9％，纳米氧化铝al2o30.15％，纳米氮化锆zrn0.07％，铁fe0.99％，纳米氮化铝aln0.09％，镍ni12.8％，余量为铝al；其中，纳米al2o3的平均粒径为32nm，纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，纳米氮化铝aln的平均粒径分别为25nm；预制活化：将上述粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；三、基体材料预处理采用304不锈钢作为基体材料，无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间5min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；四、第一表面增强层制备采用超音速电弧喷涂，超音速电弧电压为35v，电弧电流295a，空气压力1.2mpa，送丝电压为22v，喷涂距离为280mm；在基体表面制备厚度为28μm的第一表面增强层；五、第二表面增强层制备采用等离子电弧熔覆，等离子电弧高度10mm，等离子弧气流量为5.2l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为5.5r/min，熔覆电流为115a，熔覆速度为288mm/s；在第一表面增强层上制备厚度为18μm第二表面增强层。实施例5：基于本申请主旨，采用实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的双层表面复合增强铁基材料，通过机加工成型，制造滚筒。采用常规304不锈钢制造同规格滚筒作为对比例。在室温下，采用hx-1000显微硬度计，对采用本申请实施例制备的滚筒与对比材料制造的滚筒的表面进行显微硬度的测量，载荷大小为100g，随机抽取15个点并取其平均值，所得(见表1)。表1对比例与实施例平均硬度值试样平均硬度(hv)对比例171实施例11829实施例21858实施例31928实施例41933由表1可见，采用实施例1、2、3和4制备的双层表面复合增强铁基材料制备的滚筒与对比例相比，其表面硬度显著提高，平均硬度值约是对比例(304不锈钢材料)的11.04倍。采用ht-1000型摩擦磨损试验机，对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4材料制得滚筒的表面及对比例滚筒表面的耐磨性能进行测量，对磨球材料为si3n4，载荷为5.5n，摩擦半径为8mm，转速为1520r/min，试验时间为220min，计算摩擦磨损前后的质量差，测量结果见表2。表2对比例与实施例摩擦磨损质量损失值试样试验前质量g试验后质量g质量损失mg对比例224.238224.18652实施例1224.432224.42210实施例2224.366224.35313实施例3224.483224.4749实施例4224.455224.44510由表2可见，采用实施例1至实施例4制备的双层表面复合增强铁基材料制备的滚筒与对比例相比，其表面耐磨性能显著提高，在相同条件下试验条件下，其平均质量损失约是对比例(304不锈钢材料)的20.1％。参照国际标准iso9227：(e)《人造气氛腐蚀试验-盐雾试验》盐雾试验方法对实施例1至实施例4及对比例材料制得的滚筒进行腐蚀性能测定比较。试验箱箱内的温度为35±2℃，盐雾介质为浓度50g/l±5g/l的氯化钠溶液，喷雾压力为1.00±0.01kgf/cm2。对试验前后各试样的质量进行测定。表3对比例与实施例经过盐雾腐蚀后的质量损失值由表3可见，采用实施例1至实施例4制备的双层表面复合增强铁基材料制备的滚筒与对比例相比，其耐腐蚀性能显著提高，300h盐雾腐蚀后，平均单位面积质量损失值约是对比例(304不锈钢材料)的25.63％。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：
1.一种双层表面复合增强铁基材料，其特征在于，所述双层表面复合增强铁基材料包括基体及依次包覆在基体外侧的第一表面增强层和第二表面增强层；其中，所述基体为铁基合金；所述第一表面增强层按重量百分比包含如下组分：铬cr6.2％-11.8％，锆zr0.02％-0.09％，硼b0.5％-1.5％，镍ni21％-35％，钕nd0.1％-0.8％，余量为铁fe；所述第二表面增强层按重量百分比包含如下组分：锌zn3.8％-8.9％，纳米氧化铝al2o30.08％-0.15％，纳米氮化锆zrn0.02％-0.07％，铁fe0.88％-1.65％，纳米氮化铝aln0.05％-0.09％，镍ni5.2％-12.8％，余量为铝al。
2.根据权利要求1所述的双层表面复合增强铁基材料，其特征在于，所述第一表面增强层的厚度为12μm-28μm，所述第二表面增强层的厚度为15μm-25μm。
3.根据权利要求1-2任一所述的双层表面复合增强铁基材料，其特征在于，所述纳米氧化铝al2o3的平均粒径为32nm，所述纳米氮化锆zrn的平均粒径为45nm，所述纳米氮化铝aln的平均粒径为25nm。
4.一种双层表面复合增强铁基材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
一、第一增强预制体制备
按重量百分比准备以下fe-ni基合金粉末：铬cr6.2％-11.8％，锆zr0.02％-0.09％，硼b0.5％-1.5％，镍ni21％-35％，钕nd0.1％-0.8％，余量为铁fe，其中，fe-ni基合金粉末粒度为10μm-25μm；
预制成型：将上述fe-ni基合金粉末均匀混合后，压制成型为φ3mm的线坯；其中，所述预制成型分为两个阶段，第一阶段过程中，压制温度为380℃-425℃，压制保温时间为135min-185min，压制压力为550mpa-620mpa；第二阶段过程中，压制温度为265℃-300℃，压制保温时间为80min-115min，压制压力为335mpa-420mpa；
第一增强预制体制备：将预制成型的线坯通过热挤压制成φ0.07mm-φ0.25mm的第一增强预制体线材；
二、第二增强预制体制备
按重量百分比准备以下铝基粉体：锌zn3.8％-8.9％，纳米氧化铝al2o30.08％-0.15％，纳米氮化锆zrn0.02％-0.07％，铁fe0.88％-1.65％，纳米氮化铝aln0.05％-0.09％，镍ni5.2％-12.8％，余量为铝al；
预制活化：将上述铝基粉体充分混合均匀后置于去离子水中，55℃下恒温均匀搅拌，搅拌速率为500r/min，120℃烘干，得到活化后的铝基粉体；
三、基体材料预处理
将基体材料进行无水乙醇超声波清洗，用10目-20目的白刚玉砂进行喷砂粗化处理，喷砂空气压力为0.8mpa，喷砂时间为25min，喷砂距离为250mm；采用丙酮清洗并烘干；
四、第一表面增强层制备
将第一增强预制体线材采用超音速电弧喷涂法，在基体表面制备第一表面增强层；
五、第二表面增强层制备
将活化后的铝基粉体采用等离子电弧熔覆法，在第一表面增强层上制备第二表面增强层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一增强预制体制备时，挤压温度为270℃-290℃，各道次挤压减面率为45％-58％，最后一道次挤压减面率为35％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，超音速电弧喷涂时，电弧电压为35v-45v，电弧电流255a-295a，空气压力0.6mpa-1.2mpa，送丝电压为15v-22v，喷涂距离为210mm-280mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，等离子电弧熔覆时，电弧高度10mm，等离子弧气流量为2.8l/min-5.2l/min，保护气流量为12l/min，送粉率为3.8r/min-5.5r/min，熔覆电流为80a-115a，熔覆速度为195mm/s-288mm/s。
技术总结
本发明涉及一种双层表面复合增强铁基材料及其制备方法。根据本发明实施例的双层表面复合增强铁基材料包括基体及依次包覆在基体外侧的第一表面增强层和第二表面增强层，第一表面增强层按重量百分比包含如下组分：铬Cr 6.2％‑11.8％，锆Zr 0.02％‑0.09％，硼B 0.5％‑1.5％，镍Ni 21％‑35％，钕Nd 0.1％‑0.8％，余量为铁Fe；第二表面增强层按重量百分比包含如下组分：锌Zn 3.8％‑8.9％，纳米氧化铝Al2O3 0.08％‑0.15％，纳米氮化锆ZrN 0.02％‑0.07％，铁Fe 0.88％‑1.65％，纳米氮化铝AlN 0.05％‑0.09％，镍Ni 5.2％‑12.8％，余量为铝Al。本发明与现有技术相比，根据本发明实施例的材料具有优异的耐磨性能、耐腐蚀性能以及硬度。
技术研发人员：陈万鑫
受保护的技术使用者：天津斯巴克斯机电有限公司
技术研发日：.12.02
技术公布日：.02.28
