CN111809134A - 一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型碳化钛‑铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法,属于表面工程技术领域。粉末成分以质量计:TiC占50~75%,FeNiCrSi占25~50%;在FeNiCrSi中:Cr13~18%,Ni6.7~20%,Si1~2.5%,B≤0.5%,Fe余量。Ni的添加保持了Cr在铁基体中的稳定性,避免喷涂过程中Cr元素的析出,提高了材料的耐腐蚀性能;添加适量的Si,可以抑制TiC的溶解,保持涂层的硬度和韧性,同时提高复合材料的耐腐蚀性;添加少量的硼,有助于拓宽喷涂工艺窗口。该成分粉末提升了TiC金属陶瓷涂层的耐腐蚀性能,耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。本发明有助于实现TiC涂层取代WC涂层,降低喷涂成本。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域,涉及一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法,可用于机械、石油、化工、船舶、冶金、电力等行业的表面耐磨防护。
背景技术
热喷涂碳化钨涂层广泛应用于航空航天、石油化工、冶金、造纸、电力等行业,可以有效改善工业零部件的耐磨性能,提高零部件的安全可靠性和使用寿命。WC-Co是目前热喷涂耐磨涂层最常用的金属陶瓷复合材料,然而由于钨和钴都是战略性资源,价格较贵,在使用中受到一定的限制。TiC是一种常见的碳化物陶瓷,其硬度高、价格便宜,铁基合金和碳化钛形成的钢结硬质合金价格便宜,在硬质合金行业已经部分取代WC-Co获得广泛应用。若热喷涂行业采用铁基碳化钛涂层取代碳化钨涂层,涂层单位面积原料成本降低1000~3000元/平米以上,整体喷涂成本降低20%以上。
钢结硬质合金中TiC占总质量的40%左右,而在热喷涂行业,TiC所占质量比一般在50%以上,而且热喷涂工艺在喷涂过程中粉末颗粒经历的温度一般在1600℃以上,钢结硬质合金的设计经验无法直接用于热喷涂粉末的设计。而在热喷涂领域,很多研究者在研究碳化钛涂层喷涂材料及涂层的性能,但其实际应用较少。有文献研究了超音速火焰喷涂75TiC-25FeCrAl材料的性能(Properties of HVOF-sprayed TiC-FeCrAl coatings,Wear,418-419,(2019),36-51),结果表明,TiC-FeCrAl涂层的硬度可达HV1182~HV1380,孔隙率0.53~1.1%,可在中高温取代Cr3C2-NiCr涂层。
热喷涂过程中粉末颗粒会在2200℃以上的焰流中加热,粉末颗粒会加热到1600℃以上,TiC易在铁基金属中溶解,在冷却过程中TiC容易分解在铁基体中生成TiC1-x和Fe2C;另外该涂层的耐腐蚀性能存在不足,主要原因是以铁为粘结相的喷涂粉末在冷却过程中会在边缘析出Cr元素,在喷涂中易发生氧化,造成耐腐蚀性下降。
发明内容
为解决上述问题,本发明设计出新型TiC金属陶瓷喷涂粉末,可有效提高碳化钛金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。具体技术方案为:一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末,成分以质量计:TiC占50~75%,FeNiCrSi占25~50%;在FeNiCrSi中:Cr占13~18%,Ni占6.7~20%,Si占1~2.5%,B≤0.5%,Fe余量。
本发明还提供一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末的制备方法,步骤如下:
(1)原料准备:TiC粉末,占复合粉末总重量的50~75%;FeNiCrSi占复合粉末总重量的25~50%,其中:Cr占FeNiCrSi的13~18%,Ni占FeNiCrSi的6.5~20%,Si占FeNiCrSi的1~2.5%,B在FeNiCrSi中的含量≤0.5%,Fe为余量。
(2)将含有上述元素成分的粉末按比例混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入粘结剂后球磨,制得混合料浆。
(3)将上述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒。
(4)将步骤(3)制得的团聚颗粒烧结得到粉末。
(5)将步骤(4)得到的粉末筛分分级后获得成品,即为新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末。
在一些具体实施方案中,步骤(2)中粘接剂为聚乙烯醇或聚乙烯二醇,粘接剂加入量为原料总重量的1~6%,球磨时间12~72小时。
在一些具体实施方案中,步骤(2)中在球磨前还加入抗氧化剂和消泡剂。
在一些具体实施方案中,步骤(3)中喷雾干燥工艺参数为:离心喷雾干燥设备的进口温度为200~240℃,出口温度为110~150℃,雾化盘转速为5000~20000r/min,送料量为100~400ml/min。
在一些具体实施方案中,步骤(4)中烧结工艺参数为:烧结在真空炉中进行,烧结温度为1210~1380℃,保温2~3小时后随炉冷却至150℃以下后出炉。
本发明的有益效果在于,热喷涂过程中,粉末会加热到1600℃以上,在冷却凝固过程中,存在一定含量的Ni会促使铁合金优先凝固成奥氏体组织,可以保留较多的Cr,避免、减缓Cr在铁基体中析出,提高铁合金的耐腐蚀性。但Ni的添加会促进TiC在铁基中的溶解,在喷涂粒子凝固过程中会产生较多TiC1-x和Fe2C,因此通过添加适量的Si,在1600℃以上可以抑制TiC的溶解,促使TiC以Ti1-xCrxC的形态保留为固相,减少C在铁合金中的溶解,从而确保冷却后涂层中Fe2C含量较少,保持涂层的硬度和韧性。添加少量的硼,有助于拓宽喷涂工艺窗口。本发明有助于实现TiC涂层取代WC涂层,降低喷涂成本。
附图说明
图1为本发明制备的新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末颗粒的形貌。
具体实施方式
以下用实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
1)称取TiC粉55kg,Fe粉29kg,Ni粉9kg,Cr粉6kg,Si粉1kg;
2)将上述粉末混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入3kg的聚乙烯醇作为粘结剂,少量抗氧化剂、消泡剂,球磨24小时,制得混合料浆;
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末,其中进口温度为220℃,出口温度为110℃,雾化盘转速为10000/min,送料量为300ml/min;
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热,烧结温度为1340℃,保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉;
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品,其颗粒形貌如图1所示。
6)采用超音速火焰喷涂,优化喷涂工艺参数,以普通碳钢为基体制备涂层,涂层显微硬度HV0.31063~1246,耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例2
1)称取TiC粉55kg,Fe粉35.5kg,Ni粉3kg,Cr粉6kg,Si粉0.5kg;;
2)将上述粉末混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂,少量抗氧化剂、消泡剂,球磨36小时,制得混合料浆;
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末,其中进口温度为220℃,出口温度为110℃,雾化盘转速为10000/min,送料量为350ml/min;
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热,烧结温度为1300℃,保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉;
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂,优化喷涂工艺参数,以普通碳钢为基体制备涂层,涂层显微硬度HV0.31018~1220,耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例3
1)称取TiC粉70kg,Fe粉19kg,Ni粉6kg,Cr粉4.2kg,Si粉0.8kg;
2)将上述粉末混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂,少量抗氧化剂、消泡剂,球磨48小时,制得混合料浆;
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末,其中进口温度为220℃,出口温度为110℃,雾化盘转速为10000/min,送料量为350ml/min;
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热,烧结温度为1360℃,保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉;
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂,优化喷涂工艺参数,以普通碳钢为基体制备涂层,涂层显微硬度HV0.31330~1480,耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例4
1)称取TiC粉40kg,Fe粉43kg,Ni粉8kg,Cr粉8kg,Si粉1kg,B粉0.2kg;
2)将上述粉末混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂,少量抗氧化剂、消泡剂,球磨72小时,制得混合料浆;
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末,其中进口温度为230℃,出口温度为110℃,雾化盘转速为12000/min,送料量为400ml/min;
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热,烧结温度为1285℃,保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉;
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂,优化喷涂工艺参数,以普通碳钢为基体制备涂层,涂层显微硬度HV0.3850~980,耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
Claims (6)
1.一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末,其特征在于,成分以质量计:TiC占50~75%,FeNiCrSi占25~50%;在FeNiCrSi中:Cr占13~18%,Ni占6.7~20%,Si占1~2.5%,B≤0.5%,Fe余量。
2.根据权利要求1所述的新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末的制备方法,其特征在于,步骤如下:
(1)原料准备:TiC粉末,占复合粉末总重量的50~75%;FeNiCrSi占复合粉末总重量的25~50%,其中:Cr占FeNiCrSi的13~18%,Ni占FeNiCrSi的6.5~20%,Si占FeNiCrSi的1~2.5%,B在FeNiCrSi中的含量≤0.5%,Fe为余量。
(2)将含有上述元素成分的粉末按比例混合均匀,加入去离子水制成湿磨介质,加入粘结剂后球磨,制得混合料浆。
(3)将上述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒。
(4)将步骤(3)制得的团聚颗粒烧结得到粉末。
(5)将步骤(4)得到的粉末筛分分级后获得成品,即为新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中粘接剂为聚乙烯醇或聚乙烯二醇,粘接剂加入量为原料总重量的1~6%,球磨时间12~72小时。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中在球磨前还加入抗氧化剂和消泡剂。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中喷雾干燥工艺参数为:离心喷雾干燥设备的进口温度为200~240℃,出口温度为110~150℃,雾化盘转速为5000~20000r/min,送料量为100~400ml/min。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)中烧结工艺参数为:烧结在真空炉中进行,烧结温度为1210~1380℃,保温2~3小时后随炉冷却至150℃以下后出炉。
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