CN108004497A

CN108004497A - 一种高热导率的铁基电弧喷涂涂层的涂层制备方法

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Publication number: CN108004497A
Application number: CN201711278422.5A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 杨鹏; 周正; 王国红; 王曾洁; 吴旭; 谈震
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2018-05-08

Abstract

一种高热导率的铁基电弧喷涂涂层的涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。具体涉及一种用电弧喷涂制备高热导率以及良好力学性能的粉芯丝材及其涂层的制备方法。所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：高碳铬铁粉：15‑26％；硼铁粉：26‑52％；75号硅铁粉：2‑10％；碳化铬粉：8‑18％；电解锰粉：1‑5％；余量为还原铁粉。按一定质量比混合均匀后轧制成丝材。粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带；粉芯丝材填充率：28‑32％。用电弧喷涂制备具有较高热导率的铁基涂层时，喷涂工艺采取：电压28‑32V；电流180‑220A；喷涂距离180‑220mm；压缩空气压力0.4‑0.6MPa。本发明可获得热导率较高及硬度较高的铁基涂层。

Description

一种高热导率的铁基电弧喷涂涂层的涂层制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法，特别涉及一种用于电弧喷涂制备高热导率铁基涂层的粉芯丝材及其涂层的制备方法，该发明可用于造纸烘缸等相关传热部件。

背景技术

烘缸是造纸机械中重要的部件，对其钢体表面的光洁度和精度都有很高的要求。同时烘缸也是纸机干燥部的主要高耗能部件之一。据统计，纸机干燥部件约占整个***耗能的50％，而蒸汽消耗则占到纸张生产成本的5～15％。由于酸性介质的腐蚀和机械磨损，烘缸在使用过程中，会受到表面刮刀以及纸浆的刮擦而导致磨损失效，严重降低了纸张的质量和烘缸的使用寿命。针对这一问题，采用电弧喷涂技术制备表面耐磨涂层对于延长烘缸使用寿命是有效的技术手段。然而，由于电弧喷涂材料及工艺等因素的限制，使得涂层的传热性能远低于缸体，这对烘缸能源利用率带来了较为不利的影响。因此，研发高导热的耐磨电弧喷涂层已成为实际工程中亟需解决的问题。

近些年，利用热喷涂技术制备金属基涂层的研究已经展开，***喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂等工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。而电弧喷涂因具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备热喷涂层的主要制备方法。

经检索，目前并无采用电弧喷涂制备具有较高热导率铁基涂层相关技术的专利报道。

发明内容

针对上述研究背景，本发明的目的在于提供一种高热导率并且具有良好力学性能的的铁基涂层材料及其涂层的制备方法。

一种能够用于电弧喷涂制备高热导率铁基涂层的粉芯丝材，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：高碳铬铁粉：15-26％；硼铁粉：26-52％；75 号硅铁粉：2-10％；碳化铬粉：8-18％；电解锰粉：1-5％；余量为还原铁粉。粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢钢带；粉芯丝材填充率：28-32％。

所述粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带。

优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：高碳铬铁粉：18-22％；硼铁粉：34-43％；75号硅铁粉：2-8％；碳化铬粉：8-12％；电解锰粉：2-5％；余量为还原铁粉。

采用本发明上述粉芯丝材制备一种具有较高热导率的铁基涂层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1,按照权利要求1所述的粉芯丝材成分配置药芯粉末，轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；

步骤2,对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对基材进行喷砂处理；

步骤3,采用电弧喷涂工艺制备铁基涂层，喷涂工艺参数为：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离：180-220mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。

采用上述方法制备的一种具有较高热导率的铁基涂层，此涂层可以应用于造纸烘缸等相关的传热部件。

一种采用电弧喷涂方法制备具有较高热导率的铁基涂层所具有的性能是主要是其自身组分所决定的。其作用为：

Fe与Cr元素：Fe为基础元素，Cr元素可有效地减少涂层氧化并增加涂层的抗蚀性。

B，C，Si元素：小尺寸原子，有利于提高合金系的非晶形成能力以及涂层的硬度，B与Si生成氧化物的吉布斯自由能相较较低，因此先于金属元素生成氧化物，加入B，Si可显著减少涂层中氧化物的数量。

Mn元素：改善涂层韧性。

涂层中的各个元素都是常规的元素，涂层的耐磨性和传热性能是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。

一种用于制备高热导率铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂技术在材料表面制备涂层后，涂层具有较高的热导率及较好的相对耐磨性。

本发明与常规的涂层相比，该铁基传热涂层具有以下特点：

1、涂层结构致密，具有较高的热导率，可高达6.27W/mK；

2、本发明采用的电弧喷涂工艺操作简单，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，相比于其他喷涂方法成本最低。

3、本发明中的铁基粉芯丝材中添加的合金粉末成本较低。

4、本发明制备的铁基涂层具有较好的微结构特征，硬度高，同时具有较高的热导率。本发明对于提高造纸烘缸等相关的传热部件的传热效率是一种较为适宜的解决方案。

附图说明

图1实施例6涂层X射线衍射图谱；

图2实施例6涂层的金相照片；

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为 0.3mm)的430不锈钢带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；

2.喷涂基体为Q235不锈钢金属板。

实施例1

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：15％；硼铁粉：26％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例2

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：15％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例3

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：15％；硼铁粉：43％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例4

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：15％；硼铁粉：52％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28V；电流180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例5

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：18％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28V；电流180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例6

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：22％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例7

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：26％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例8

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：22％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：28％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28V；电流200A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例9

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：22％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32V；电流220A；喷涂距离220mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例10

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：22％；硼铁粉：34％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32V；电流220A；喷涂距离220mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例1

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：10％；硼铁粉：20％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例2

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：10％；硼铁粉：55％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28V；电流180A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例3

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：28％；硼铁粉：20％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例4

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：高碳铬铁粉：28％；硼铁粉：55％； 75号硅铁粉：4％；碳化铬粉：8％；电解锰粉：3.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30V；电流200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

各实施例和对比例所制备涂层性能检测如下所述：

1.实施例及对比例所制备涂层进行显微硬度测试中，使用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷50g，持续时间10s，取10点显微硬度平均值；

2.对实施例及对比例所制备涂层进行室温热导率测试，采用TC-7000H 型激光热导仪。测试参数如下：温度：室温；涂层试样表面经过砂纸打磨具有金属光泽，试样尺寸为直径Ф10mm，厚度1.0mm；涂层的热导率(单位 W/mK)由α(热扩散系数)×Cp(热容)×ρ(密度)求得，其中α和Cp由 TC-7000H型激光热导仪测得，ρ由阿基米德排水法测得。

3.对实施例及对比例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例及对比例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值。

通过综合考虑实施例及对比例涂层的孔隙率、显微硬度、热导率等性能，实施例与对比例涂层的孔隙率、显微硬度、热导率变化规律见表1，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得具有较高热导率的铁基涂层。实施例6 涂层的X射线衍射图谱见图1，实施例6涂层的截面金相照片见图2，实施例 6涂层的热导率见表1。

表1实施例及对比例的孔隙率、显微硬度以及热导率结果

表2涂层密度、热容、热扩散系数和热导率结果

Claims

1.一种高热导率的铁基粉芯丝材，所述的粉芯丝材采用不锈钢钢带包裹铁基合金粉末，粉芯丝材的填充率为28-32％，其特征在于：所添加的铁基合金粉末包含以下质量百分含量的物质：高碳铬铁粉：15-26％；硼铁粉：26-52％；75号硅铁粉：2-10％；碳化铬粉：8-18％；电解锰：1-5％；余量为还原铁粉。

2.按照权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带。

3.按照权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所添加的铁基合金粉末成分中质量百分含量为：高碳铬铁粉：15-26％；碳化铬粉：8-14％；硼铁质量百分含量为26-52％。

4.按照权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所添加的铁基合金粉末成分中质量百分含量为：高碳铬铁粉：18-22％；碳化铬粉：8-14％；硼铁质量百分含量为34-43％。

5.采用权利要求1-4的任一项所述的粉芯丝材制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，配置药芯粉末，轧制，最终获得直径为粉芯丝材；

步骤2，对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对金属基体进行喷砂处理；

步骤3，将步骤2中处理过的基体采用电弧喷涂方法制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离：180-220mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤2中的金属基体为Q235不锈钢铁基基体。

7.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤3中所述的喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-220A；喷涂距离：200mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。