CN112410719A - 一种抗磨性的耐热钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢材性能研究技术领域，公开了一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30‑35微米之间的涂层，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层，具有很高的强度和韧性等综合力学性能，防止钢材件整体发生脆断，还能有效阻止腐蚀介质的侵蚀，该耐磨层能够有效防止钢材在高温工作条件下磨损导致颗粒脱落，氧化，不会因为热胀系数突变导致裂纹产生，成本低，寿命长，性能优于高铬铸钢材料，并且避免了现有技术中采用高铬铸钢在热环境工作下的耐磨性降低引发黏连事故的问题。

Description

一种抗磨性的耐热钢
技术领域
本发明属于钢材性能研究技术领域，具体涉及一种抗磨性的耐热钢。
背景技术
钢铁工业是国民经济的基本支柱之一，作为重要的结构材料应用面十分广泛，几乎遍布所有工业。随着现代化工业的发展，以及海洋资源的开发利用，船舶工业迎来了新的发展机遇。随之对钢铁材料的需求也越来越迫切。
钢材的耐磨性不仅是钢材的固有性能，而是在一个磨损***中表现出来的性能，一方面受到钢材固有性能（如硬度、韧性、强度等的影响），又受到磨损工况的影响，尤其是温度的影响。
在中国公开的专利申请CN106319383A中针对铸铁件耐磨性差的问题提出了一种韧性强、耐磨蚀性高的含氮高铬耐磨钢及其制备工艺，其通过增加铬含量可以提高钢材耐磨性。然而高铬铸铁在高温下硬度降低，加上氧化铬、氧化铁氧化膜不致密，难以抵抗较为强的磨料磨损，表面形成的微凸起以及高硬度氧化皮容易造成磨损沟槽。并且硬度降低极易引发黏连，导致粘钢现象，摩擦力显著提高，工作中易导致生产事故的发生。因此，对于提高钢材在高温下的耐磨性仍然具有很高的研究前景，对于减少经济损失、减少资源浪费以及提高经济效益等具有着非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种抗磨性的耐热钢。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层；
该增强颗粒材料按照质量百分比计由以下成分制成：碳化钨占2.5-3.0%、氧化铝占3-5%、氧化钴占0.5-0.7%、氧化锶占0.01-0.02%、氮化硅占1.75-1.90%、氧化钇占0.02-0.04%、剩余为碳化硅；将所述成分球磨至粒径大小在0.08-0.10微米之间即可。
具体的，该抗磨性的耐热钢制备工艺包括以下步骤：
（1）将钢材进行表面脱脂和抛光：钢材使用丙酮擦拭后，浸入温度为35-40℃的质量浓度为0.02-0.03%的碳酸钠水溶液中，振荡清洗3-5分钟，在60-70℃的干燥箱中烘干后置于抛光液中，抛光温度为40-50℃，抛光时间持续3-5分钟；
（2）使用去离子水对抛光后的钢材进行清洗2-3遍，然后将钢材置于100-110℃的真空干燥箱中干燥40-50分钟，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层；
等离子喷涂中氮气为喷涂主气，流量为1.45-1.55立方米/小时，氢气为喷涂辅气，流量为1.10-1.15立方米/小时。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所使用的抛光液按照质量百分比计由以下成分制成：超细磨料占2.0-2.5%、氧化剂占3.0-3.5%，表面活性剂占0.05-0.08%、PH调节剂占0.2-0.3%、余量为去离子水，调整至pH值为9.2-9.5后进行抛光。
进一步的，所述的超细磨料按照质量百分比计含有以下成分：氧化硅粉占15-20%、碳酸钡粉末占20-25%、氧化钙粉末占30-35%、剩余为氧化镁粉末，超细磨料粒径大小在10-30纳米之间。
进一步的，所述的氧化剂配制比例为：氢氧化钠15-20克、次氯酸钠10-12克、过碳酸钠8-10克、高锰酸钾7-9克、过硼酸钾5-8克、去离子水750-800毫升。
所述钢材以质量百分比计含有：C：1.4-1.9%、Cr：5.5-6.0%、Si：1.3-1.6%、Ni：0.8-1.2%、Mn：0.4-0.6%、Zn：0.5-1.0%、Cu：0.2-0.4%、Co：0.03-0.05%、Nb：0.030-0.035%、Mo：0.021-0.027%、S：0.017-0.020%、P：0.025-0.030%，余量的铁和不可避免的杂质。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决现有技术中钢材在高温下工作耐磨性差的问题，本发明提供了一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层，具有很高的强度和韧性等综合力学性能，防止钢材件整体发生脆断，还能有效阻止腐蚀介质的侵蚀，该耐磨层能够有效防止钢材在高温工作条件下磨损导致颗粒脱落，氧化，不会因为热胀系数突变导致裂纹产生，成本低，寿命长，性能优于高铬铸钢材料，并且避免了现有技术中采用高铬铸钢在热环境工作下的耐磨性降低引发黏连事故的问题，提高钢材在高温环境下的稳定性，并且具有强度高、硬度高、热膨胀系数小，耐磨性好的特点，处理得到的耐热钢在高温下表面结构足够致密，且与基体直接结合紧密，硬度不受温度升高影响变差，可以有效降低粘着磨损和磨料磨损，解决现有钢材在高温下工作耐磨性差的问题。所形成的耐磨层与钢材表面结合强度高，抗冲蚀性能强，对钢材起到长久的表面防护作用，能够适应各类工作环境。扩展了钢材在多行业的应用前景。对于钢材工业发展具有重要意义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层；
该增强颗粒材料按照质量百分比计由以下成分制成：碳化钨占2.5%、氧化铝占3%、氧化钴占0.5%、氧化锶占0.01%、氮化硅占1.75%、氧化钇占0.02%、剩余为碳化硅；将所述成分球磨至粒径大小在0.08-0.10微米之间即可。
具体的，该抗磨性的耐热钢制备工艺包括以下步骤：
（1）将钢材进行表面脱脂和抛光：钢材使用丙酮擦拭后，浸入温度为35℃的质量浓度为0.02%的碳酸钠水溶液中，振荡清洗3分钟，在60℃的干燥箱中烘干后置于抛光液中，抛光温度为40℃，抛光时间持续3分钟；
（2）使用去离子水对抛光后的钢材进行清洗2遍，然后将钢材置于100℃的真空干燥箱中干燥40分钟，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层；
等离子喷涂中氮气为喷涂主气，流量为1.45立方米/小时，氢气为喷涂辅气，流量为1.10立方米/小时。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所使用的抛光液按照质量百分比计由以下成分制成：超细磨料占2.0%、氧化剂占3.0%，表面活性剂占0.05%、PH调节剂占0.2%、余量为去离子水，调整至pH值为9.2后进行抛光。
进一步的，所述的超细磨料按照质量百分比计含有以下成分：氧化硅粉占15%、碳酸钡粉末占20%、氧化钙粉末占30%、剩余为氧化镁粉末，超细磨料粒径大小在10-30纳米之间。
进一步的，所述的氧化剂配制比例为：氢氧化钠15克、次氯酸钠10克、过碳酸钠8克、高锰酸钾7克、过硼酸钾5克、去离子水750毫升。
所述钢材以质量百分比计含有：C：1.4%、Cr：5.5%、Si：1.3%、Ni：0.8%、Mn：0.4%、Zn：0.5%、Cu：0.2%、Co：0.03%、Nb：0.030%、Mo：0.021%、S：0.017%、P：0.025%，余量的铁和不可避免的杂质。
通过实施例1的方法制备规格为100mm×100mm×50mm抗磨性的耐热钢试样，制备5件。将试样进行摩擦磨损实验，实验在M-2000型磨损试验机上进行，负荷600N，试样轴转速360转/分钟。测得：在25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.22毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，很光滑；将试样在500℃加热处理30分钟后冷却至25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.23毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，没有裂纹、凹凸现象。
其它性能：表面摩擦系数为0.61，硬度为1516HV0.3。
实施例2
一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层；
该增强颗粒材料按照质量百分比计由以下成分制成：碳化钨占2.8%、氧化铝占4%、氧化钴占0.6%、氧化锶占0.015%、氮化硅占1.81%、氧化钇占0.03%、剩余为碳化硅；将所述成分球磨至粒径大小在0.08-0.10微米之间即可。
具体的，该抗磨性的耐热钢制备工艺包括以下步骤：
（1）将钢材进行表面脱脂和抛光：钢材使用丙酮擦拭后，浸入温度为38℃的质量浓度为0.025%的碳酸钠水溶液中，振荡清洗4分钟，在65℃的干燥箱中烘干后置于抛光液中，抛光温度为45℃，抛光时间持续4分钟；
（2）使用去离子水对抛光后的钢材进行清洗2遍，然后将钢材置于1005℃的真空干燥箱中干燥45分钟，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层；
等离子喷涂中氮气为喷涂主气，流量为1.50立方米/小时，氢气为喷涂辅气，流量为1.12立方米/小时。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所使用的抛光液按照质量百分比计由以下成分制成：超细磨料占2.2%、氧化剂占3.3%，表面活性剂占0.06%、PH调节剂占0.25%、余量为去离子水，调整至pH值为9.3后进行抛光。
进一步的，所述的超细磨料按照质量百分比计含有以下成分：氧化硅粉占18%、碳酸钡粉末占22%、氧化钙粉末占33%、剩余为氧化镁粉末，超细磨料粒径大小在10-30纳米之间。
进一步的，所述的氧化剂配制比例为：氢氧化钠18克、次氯酸钠11克、过碳酸钠9克、高锰酸钾8克、过硼酸钾6.5克、去离子水780毫升。
所述钢材以质量百分比计含有：C：1.7%、Cr：5.8%、Si：1.4%、Ni：1.0%、Mn：0.5%、Zn：0.8%、Cu：0.3%、Co：0.04%、Nb：0.032%、Mo：0.024%、S：0.018%、P：0.027%，余量的铁和不可避免的杂质。
通过实施例1的方法制备规格为100mm×100mm×50mm抗磨性的耐热钢试样，制备5件。将试样进行摩擦磨损实验，实验在M-2000型磨损试验机上进行，负荷600N，试样轴转速360转/分钟。测得：在25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.21毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，很光滑；将试样在500℃加热处理30分钟后冷却至25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.20毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，没有裂纹、凹凸现象。
其它性能：表面摩擦系数为0.60，硬度为1519HV0.3。
实施例3
一种抗磨性的耐热钢，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，在钢材表面形成一层硬度高，耐高温抗氧化的耐磨层；
该增强颗粒材料按照质量百分比计由以下成分制成：碳化钨占3.0%、氧化铝占5%、氧化钴占0.7%、氧化锶占0.02%、氮化硅占1.90%、氧化钇占0.04%、剩余为碳化硅；将所述成分球磨至粒径大小在0.08-0.10微米之间即可。
具体的，该抗磨性的耐热钢制备工艺包括以下步骤：
（1）将钢材进行表面脱脂和抛光：钢材使用丙酮擦拭后，浸入温度为40℃的质量浓度为0.03%的碳酸钠水溶液中，振荡清洗5分钟，在70℃的干燥箱中烘干后置于抛光液中，抛光温度为50℃，抛光时间持续5分钟；
（2）使用去离子水对抛光后的钢材进行清洗3遍，然后将钢材置于110℃的真空干燥箱中干燥50分钟，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层；
等离子喷涂中氮气为喷涂主气，流量为1.55立方米/小时，氢气为喷涂辅气，流量为1.15立方米/小时。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）中所使用的抛光液按照质量百分比计由以下成分制成：超细磨料占2.5%、氧化剂占3.5%，表面活性剂占0.08%、PH调节剂占0.3%、余量为去离子水，调整至pH值为9.5后进行抛光。
进一步的，所述的超细磨料按照质量百分比计含有以下成分：氧化硅粉占20%、碳酸钡粉末占25%、氧化钙粉末占35%、剩余为氧化镁粉末，超细磨料粒径大小在10-30纳米之间。
进一步的，所述的氧化剂配制比例为：氢氧化钠20克、次氯酸钠12克、过碳酸钠10克、高锰酸钾9克、过硼酸钾8克、去离子水800毫升。
所述钢材以质量百分比计含有：C：1.9%、Cr：6.0%、Si：1.6%、Ni：1.2%、Mn：0.6%、Zn：1.0%、Cu：0.4%、Co：0.05%、Nb：0.035%、Mo：0.027%、S：0.020%、P：0.030%，余量的铁和不可避免的杂质。
通过实施例1的方法制备规格为100mm×100mm×50mm抗磨性的耐热钢试样，制备5件。将试样进行摩擦磨损实验，实验在M-2000型磨损试验机上进行，负荷600N，试样轴转速360转/分钟。测得：在25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.22毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，很光滑；将试样在500℃加热处理30分钟后冷却至25℃，磨损时间为20分钟下，磨损量为0.21毫克，表面几乎没有磨损的痕迹，没有裂纹、凹凸现象。
其它性能：表面摩擦系数为0.61，硬度为1517HV0.3。

Claims (5)

1.一种抗磨性的耐热钢，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
（1）将钢材进行表面脱脂和抛光：钢材使用丙酮擦拭后，浸入温度为35-40℃的质量浓度为0.02-0.03%的碳酸钠水溶液中，振荡清洗3-5分钟，在60-70℃的干燥箱中烘干后置于抛光液中，抛光温度为40-50℃，抛光时间持续3-5分钟；所使用的抛光液按照质量百分比计由以下成分制成：超细磨料占2.0-2.5%、氧化剂占3.0-3.5%，表面活性剂占0.05-0.08%、PH调节剂占0.2-0.3%、余量为去离子水，调整至pH值为9.2-9.5后进行抛光；
（2）使用去离子水对抛光后的钢材进行清洗2-3遍，然后将钢材置于100-110℃的真空干燥箱中干燥40-50分钟，采用等离子喷涂技术将增强颗粒材料喷涂至钢材表面，得到厚度在30-35微米之间的涂层；该增强颗粒材料按照质量百分比计由以下成分制成：碳化钨占2.5-3.0%、氧化铝占3-5%、氧化钴占0.5-0.7%、氧化锶占0.01-0.02%、氮化硅占1.75-1.90%、氧化钇占0.02-0.04%、剩余为碳化硅；将所述成分球磨至粒径大小在0.08-0.10微米之间即可。
2.如权利要求1所述一种抗磨性的耐热钢，其特征在于，所述钢材以质量百分比计含有：C：1.4-1.9%、Cr：5.5-6.0%、Si：1.3-1.6%、Ni：0.8-1.2%、Mn：0.4-0.6%、Zn：0.5-1.0%、Cu：0.2-0.4%、Co：0.03-0.05%、Nb：0.030-0.035%、Mo：0.021-0.027%、S：0.017-0.020%、P：0.025-0.030%，余量的铁和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述一种抗磨性的耐热钢，其特征在于，步骤（1）所述的超细磨料按照质量百分比计含有以下成分：氧化硅粉占15-20%、碳酸钡粉末占20-25%、氧化钙粉末占30-35%、剩余为氧化镁粉末，超细磨料粒径大小在10-30纳米之间。
4.如权利要求1所述一种抗磨性的耐热钢，其特征在于，步骤（1）所述的氧化剂配制比例为：氢氧化钠15-20克、次氯酸钠10-12克、过碳酸钠8-10克、高锰酸钾7-9克、过硼酸钾5-8克、去离子水750-800毫升。
5.如权利要求1所述一种抗磨性的耐热钢，其特征在于，步骤（2）所述等离子喷涂中氮气为喷涂主气，流量为1.45-1.55立方米/小时，氢气为喷涂辅气，流量为1.10-1.15立方米/小时。
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