CN1858293A - 一种由纳微米改性的耐磨耐冲蚀热喷涂管状丝材 - Google Patents
一种由纳微米改性的耐磨耐冲蚀热喷涂管状丝材 Download PDFInfo
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Abstract
一种由纳微米改性的耐磨耐冲蚀电弧喷涂管状丝材属于材料加工工程中的表面工程领域。本发明涉及一种热喷涂管状丝材，是以铁或镍为管状丝材的外皮，所述的粉芯成分质量百分比含量如下：45～60％高碳铬铁，10～20％镍，4～10％硅铁，5～10％硼铁，10～15％Cr3C2(或TiB2，或TiC)，5～15％微米TiB2，5～15％纳米Al2O3。该药芯中还含有以下一种或几种成分：1～3％硅灰石，2～5％ZrO2，5～15％TiO2。主要应用于风机叶片、电站锅炉管壁、轴类等零部件耐磨耐冲蚀表面，采用火焰喷涂或电弧喷涂方法，喷涂所述的纳微米改性的管状丝材，使其上述零部件表面形成耐磨耐冲蚀涂层，可以提高它们的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程中的表面工程领域，是通过添加必要的合金粉末和纳微米粉末改性，制备一种性能良好的纳微米改性的金属基陶瓷复合耐磨耐冲蚀管状丝材。主要应用于耐磨、耐冲蚀及高温抗氧化等工业领域。
背景技术
磨损包括一系列复杂的物理过程，有时还包含化学过程，磨损形式有：磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损及冲蚀磨损等。材料表面的磨损和冲蚀虽然是逐渐发生的，但造成的损失非常惊人。在联邦德国每年由于磨蚀损失超过100亿马克，在美国一年内，金属切削刀具因磨损而消耗的资金达400亿美元。在我国由于磨蚀而消耗的费用也是巨大的，由于工件的磨蚀也可能引起突发性失效事故。腐蚀和磨损均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机件失效有许多是从表面开始的。因此只对设备及零部件的表面进行强化处理而不用替换以增强其抗腐蚀、耐磨损性能是一种经济实用的方法。
就电弧喷涂和火焰喷涂丝材而言，金属、合金丝材如：45CT、50Ni/Cr、FeCrAl系列等虽然具有良好的耐高温腐蚀性能，但耐磨性能远不能满足要求；纯陶瓷涂层高硬度、耐高温、耐腐蚀和磨损，但其脆性较大，隔热，不能抵御冲击载荷下的应力作用，易脆断、剥落。因此，金属/陶瓷复合涂层因同时满足高温下的腐蚀和磨损的工况要求，将成为耐磨损和耐高温冲蚀防护涂层的发展方向。耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性与金属材料的强韧性、可加工性、导电导热等特性结合起来，在航空航天、能源、电子、材料等高科技领域发挥重要的作用。
本发明的目的就是研制一种通过纳微米改性的高耐磨、耐冲蚀电弧喷涂或火焰喷涂管状丝材，用来制备铁基或镍基金属陶瓷复合涂层。
发明内容
为解决热喷涂金属陶瓷复合丝材制备涂层的韧性问题，加入纳微米陶瓷粉末增韧，使电弧或火焰喷涂管状丝材制备的金属陶瓷复合涂层致密、高韧性，从而具有高的耐磨和耐冲蚀性能。
该纳微米改性的热喷涂管状丝材，采用电弧喷涂或火焰喷涂方法制备金属基陶瓷复合涂层，为改善陶瓷相与金属基体的润湿性，加入合金元素Ni、Cr、B、Si等。该纳微米改性的热喷涂管状丝材，是以铁基或镍基为管状丝材外皮。
本发明所提供的工艺性能优良的热喷涂管状丝材，其特征在于，管状丝材包裹的粉芯成分范围如下：
高碳铬铁：提供了涂层中所需Cr元素，可以改善涂层中铁基和镍基与陶瓷相Cr3C2或TiB2或TiB2/Al2O3间的润湿性，质量百分含量为45～60％；
镍粉：向涂层中过渡合金元素，质量百分含量为10～20％；
硅铁：向涂层中过渡合金元素，质量百分含量为4～10％；
硼铁：向涂层中过渡合金元素，质量百分含量为5～10％；
陶瓷相：在粉芯中加入Cr3C2(或TiB2，或TiC)等陶瓷相，具有很高的硬度，Cr与氧的亲和力很强，高温氧化时能在金属表面形成Cr3O2膜，有良好的抗高温氧化和热腐蚀的能力。向涂层中过渡陶瓷相或通过喷涂热过程，在涂层中形成其它陶瓷相。陶瓷相的加入质量百分含量为10～15％；
纳微米改性陶瓷粉末，改善涂层的致密度和韧性，质量百分含量为5～15％微米TiB2(粒径小于5微米)、5～15％纳米Al2O3(粒径为20-40纳米团聚粉末)。
该粉芯中还含有以下一种或几种成分：1～3％硅灰石，2～5％ZrO2，5～15％TiO2。
本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：
1.对纳微米陶瓷粉末进行喷雾造粒，使纳微米陶瓷粉末外包覆金属粉，并使造粒后的粉末达到40-200目粒度；
2.将钢带轧成U形，向U形槽中加入占本发明焊丝总重的25-35％的本发明药粉；
3.将U形槽合口，使药粉包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0mm或3.0mm，得到最终产品。丝材外表有明显的金属光泽，以利于高速热喷涂送丝。
采用纳微米改性的铁基和镍基管状喷涂丝具有以下性能：
纳微米改性的金属陶瓷复合丝材在喷涂过程中粒子飞行速度快，动能大，涂层与基体的结合强度比常规涂层高1～2倍。
与常规丝材相比，制备的涂层结构致密，孔隙率很低。涂层具有优良的韧性，在相同的硬度或比常规涂层稍低的硬度时具有比常规涂层高2～3倍的耐磨粒磨损和耐冲蚀性能。
附图说明：
图1：管状丝材轧制过程示意图，图中1为裁带，2为轧带，3为加粉，4为拔丝。
图2：热喷涂过程粒子飞行速度随喷涂距离的变化规律，横坐标表示喷涂距离，单位mm，纵坐标表示粒子飞行速度，单位m/s，图中1#为实施例1，5#为实施例5。
具体实施方式：
所有实施例管状丝材都是由昆明重机厂制造的“FCWM50药芯拉丝机”制出：选用宽度为8-14mm，厚度为0.25-0.5mm的优质碳钢带或镍铬带。先将其轧成U形，再向U形槽中加入粒度为过40-200目筛子的混合药粉，药粉的填充率(药粉重量占焊丝总重的百分率)为30-35％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。
基材选用20号钢，喷涂前全部基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.65MPa，喷涂设备是JZY型电弧喷涂机，喷涂工艺参数见表1。
具体实施方案如下：
1.选用14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的优质低碳冷轧钢带，先将其轧成U形。取高碳铬铁340克，镍粉210克，硅铁20克，硼铁140克，Cr3C2320克，造粒后的微米TiB240克(所取粉末的粒度为能通过40-200目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的钢带槽中，填充率为33％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0mm。基体为20#钢，喷涂前全部基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.65MPa，喷涂设备是JZY型电弧喷涂机，喷涂工艺参数见表1。
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喷涂之后进行表面洛氏硬度、显微硬度、耐磨粒磨损性能、结合强度等性能进行了测试。表2是涂层的表面洛氏硬度，试样选用55×25×5mm，涂层厚度为0.5mm.。表3是涂层的显微硬度。表4是涂层结合强度，实验依据国标GB9796-88中所规定的拉力实验法进行测试，涂层厚度为0.3mm.。表5是涂层耐磨粒磨损性能测试结果。
实施例中得到的粉芯线材送丝容易，电弧稳定，工艺稳定，粉末燃烧较充分，得到铁基陶瓷复合涂层，涂层表面质量较好。通过表2、3、4、5可以看出涂层有较高的硬度和结合强度，良好的耐磨性能，并且成本低，主要用于工业中耐磨及高温抗氧化耐冲蚀领域。
表1 电弧喷涂工艺参数
| 工艺参数 | 电弧电流A | 电弧电压V | 压缩空气压MPa | 喷涂距离mm |
| 180-200 | 32-36 | 0.6 | 180 |
表2 涂层的表面硬度测试
| 涂层编号 | 表面洛氏硬度(HR45N)任意取5个点测量 | 平均值HR45N | ||||
| 实施例1 | 44.4 | 48.1 | 48.1 | 44.2 | 46.6 | 46.28 |
| 实施例2 | 45.1 | 48.4 | 49.5 | 47.8 | 45.4 | 47.24 |
| 实施例3 | 49.5 | 50.1 | 49.5 | 51.7 | 48.3 | 49.82 |
| 实施例4 | 53.6 | 51.6 | 57.3 | 58.8 | 53.4 | 54.94 |
| 实施例5 | 48.7 | 48.3 | 48.9 | 52.9 | 51.6 | 50.08 |
表3 涂层的显微硬度测试HV0.1(任间隔50μm测量3个点)
| 编号 | 1点 | 2点 | 3点 | 平均 |
| 实施例1 | 530.16 | 515.1 | 546.79 | 530.6833 |
| 实施例2 | 518.31 | 612.86 | 594.61 | 575.26 |
| 实施例3 | 859.29 | 740.2 | 696.11 | 765.2 |
| 实施例4 | 811.2 | 818.04 | 755.2 | 794.8133 |
| 实施例5 | 715.02 | 713.45 | 721.84 | 716.77 |
表4 涂层的结合强度(同种丝材制样3个)
| 试样编号 | 拉断载荷P(KN) | 结合强度平均值σ(N/mm2) | ||
| 试样1 | 试样2 | 试样3 | ||
| 实施例1 | 22.6(涂) | 18.5(混) | 21.5(涂) | 41.74 |
| 实施例2 | 23.8(涂) | 24.8(混) | 23.6(涂) | 48.14 |
| 实施例3 | 22.37(涂) | 20.82(涂) | 23.16(混) | 44.78 |
| 实施例4 | 27.9(涂) | 28.6(涂) | 29.8(涂) | 57.54 |
| 实施例5 | 19.7(混) | 24.7(涂) | 24.5(涂) | 45.94 |
表5 涂层的耐磨粒磨损性能
| 涂层编号 | 原重(g) | 磨损后(g) | 失重(mg) | 平均失重(mg) | |
| 实施例1 | 1#-A | 69.9190 | 69.5448 | 374.2 | 419.7 |
| 1#-B | 69.8602 | 69.3758 | 484.4 | ||
| 1#-C | 72.1349 | 71.7343 | 400.6 | ||
| 实施例2 | 2#-A | 66.0140 | 65.5820 | 432.0 | 361.8 |
| 2#-B | 66.9125 | 66.5851 | 327.4 | ||
| 2#-C | 67.7977 | 67.4716 | 326.1 | ||
| 实施例3 | 3#-A | 66.8588 | 66.4838 | 375.0 | 335.4 |
| 3#-B | 67.9893 | 67.7032 | 286.1 | ||
| 3#-C | 68.7033 | 68.3582 | 345.1 | ||
| 实施例4 | 4#-A | 69.6038 | 69.5218 | 82.0 | 79.8 |
| 4#-B | 69.4218 | 69.3380 | 83.8 | ||
| 4#-C | 68.8879 | 68.8142 | 73.7 | ||
| 实施例5 | 5#A | 64.2616 | 64.1794 | 82.2 | 84.1 |
| 5#B | 65.1716 | 65.0883 | 83.3 | ||
| 5#C | 66.8998 | 66.8130 | 86.8 | ||
注：表5为同种丝材制磨损样A，B，C三块进行试验。
Claims (2)
1、一种由纳微米改性的耐磨耐冲蚀热喷涂管状丝材，其特征在于，外皮选用铁基或镍基，包裹的粉芯成分质量百分比含量如下：
45～60％高碳铬铁
10～20％镍
4～10％硅铁
5～10％硼铁
10～15％Cr3C2或TiB2，或TiC
粒径小于5μm微米TiB2 5～15％
粒径尺寸为20-40nm团聚粉末纳米Al2O3 5～15％
其它粉末粒径均为常规尺寸。
2、根据权利要求1所述的一种由纳微米改性的耐磨耐冲蚀热喷涂管状丝材，其特征在于，所述的粉芯中还含有以下一种或几种成分：
1～3％硅灰石
2～5％ZrO2
5～15％TiO2。
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