CN101185969A

CN101185969A - 一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末

Info

Publication number: CN101185969A
Application number: CNA2006101183594A
Authority: CN
Inventors: 毕刚; 郝荣亮; 张跃刚; 刘荣慧
Original assignee: Shanghai Baosteel Equipment Maintenance Co Ltd
Current assignee: Shanghai Baosteel Equipment Maintenance Co Ltd
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-28

Abstract

本发明涉及一种炉辊表面涂层，特别涉及一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末。主要解决当大量生产高强度钢板，现有涂层抗积瘤作用和耐磨损性能有所减弱的技术问题。本发明的技术方案为：一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，合金粉末为MCrAlYTa合金粉末，陶瓷粉末由ZrB₂和Cr₃C₂粉末组成，合金粉末和陶瓷粉末的重量百分比为：合金粉末89－75％，陶瓷粉末11－25％。在MCrAlYTa合金粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，含有13－25％的Cr，3－10％的Al，0.1－1％的Y，低于12％的Ta；余量为M，M为Co和Ni中的一种；陶瓷粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，ZrB₂和Cr₃C₂含量分别为10－20％和1－5％。本发明可用于带钢连续退火生产线炉辊表面保护涂层。

Description

一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末

技术领域：

本发明涉及一种炉辊表面涂层，特别涉及一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末。

背景技术：

为获得性能优良的带钢制品，带钢通常需要在连续退火炉中进行热处理。退火带钢的表面必须没有划痕、污点或轻微伤痕等缺陷；同时，在冷热加工工艺中得到的带钢原始表面质量，也必须在退火中得到维持。由于热处理通常是在微氧化环境、温度在600-1300℃、高速运行、并具有一定的张力载荷。因此，提升传送带钢炉辊表面状态，不仅是保证连续退火带钢品质的关键，而且还能够满足连退生产的长寿命、高效率的要求。目前，在高品质带钢连退生产线炉辊表面，大多实施具有高性价比的热喷涂涂层保护处理。一般，炉辊表面热喷涂涂层应尽量同时满足的使用要求有：具有优良的抗积瘤性能；具有良好的高温耐摩擦磨损性能；具有较高的硬度；具有良好的化学稳定性；具有良好的抗剥落性能。而热喷涂粉末则是决定炉辊涂层综合性能优劣的关键因素之一，专利JP2270955A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为5-20％的Cr₂O₃和Al₂O₃陶瓷与95-80％CoNiCrAlY合金。专利JP3226552A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为5-50％的硼化物陶瓷与MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)合金，由于只在MCrAlY合金中添加5-50％的硼化物陶瓷，因此，尽管提高了炉辊涂层的耐积瘤性能和抗划伤能力，但却容易导致涂层与辊材之间结合能力的降低。专利JP6056058A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为MgAl₂O₄；采用不同含量的MgAl₂O₄与金属合金的金属陶瓷粉末，制备至少两层中间缓冲过渡层，而后使用纯MgAl₂O₄陶瓷作为工作面层。专利JP63199857A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为51-95％的Al₂O₃陶瓷与MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)合金。专利JP6347379A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为30-80％的ZrSiO₄陶瓷与MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)金属合金，作为中间缓冲过渡层后，表面使用Cr₂O₃陶瓷作为工作面层。专利JP711420A公开了炉辊涂层：粉末组分体系中含有1-60％的CrB₂、ZrB₂、WB、TiB₂系硼化物陶瓷中的一种，含有5-50％的Cr₃C₂、TaC、WC、ZrC、TiC、NbC系碳化物陶瓷中的一种，余量为MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)金属合金，JP711420A涂层材料中尽管同时含有1-60％硼化物陶瓷(CrB₂、ZrB₂、TiB₂系中的一种)和5-50％碳化物陶瓷(Cr₃C₂、TaC、ZrC、TiC、NbC系中的一种)，但由于碳化物陶瓷含量较高，会影响炉辊涂层的抗高温能力以及耐积瘤性能。专利JP867960A公开了炉辊涂层：粉末组分体系为5-90％MgAl₂O₄、MgO、Y₂O₃三种陶瓷中的至少一种，以及M(M为Co、Ni、Fe)CrAlY金属合金。专利US6572518A公开了炉辊涂层：粉末组分体系中含有1-5％的硼化物陶瓷(CrB₂、ZrB₂、WB、TiB₂等中的一种)、含有5-10％的碳化物陶瓷(Cr₃C₂、TaC、WC、ZrC、TiC、NbC系中的一种)，含用多于10％的稀土氧化物(Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂等中的一种)，余量为MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)金属合金。

对常规普通的钢板、以及高强度钢板(抗拉强度大于340MPa的冷轧钢板和抗拉强度大于440MPa的热轧钢板)少批量生产时，上述发明1-8的涂层具有较好的抗积瘤作用和耐磨损性能。然而，随着连退高强度钢板的需求量和生产量越来越大、退火温度越来越高，上述发明涂层的抗积瘤作用和耐磨损性能有所减弱。这主要是因为高强钢板中通常含有较高含量的Mn(0.6-3.5％)，进而在高温退火热处理过程容易形成Mn的氧化物积瘤，涂层性能劣化。同时，高温和大张力工况条件下，涂层的高温耐磨性能往往也有所变差。因此，对炉辊表面热喷涂涂层有着更高的要求：必须能够承受更高的温度、更高锰含量和更高强度钢板的生产。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，主要解决当大量生产高强度钢板，现有涂层抗积瘤作用和耐磨损性能有所减弱的技术问题。本发明的技术方案为：一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，合金粉末为MCrAlYTa合金粉末，陶瓷粉末由ZrB₂和Cr₃C₂粉末组成，合金粉末和陶瓷粉末的重量百分比为：合金粉末89-75％，陶瓷粉末11-25％。在MCrAlYTa合金粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，含有13-25％的Cr，3-10％的Al，0.1-1％的Y，低于12％的Ta；余量为M，M为Co和Ni中的一种；陶瓷粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，ZrB₂和Cr₃C₂含量分别为10-20％和1-5％。

本发明热喷涂金属陶瓷涂层粉末粒度宜在10-70μm范围，粉体的制取可采用粒化烧结法或机械混合法来制备。

金属陶瓷粉末可使用常规热喷涂方法(包括超音速火焰喷涂(如HVOF喷枪)、等离子喷涂(如APS喷枪)、爆炸喷涂(如D-Gun喷枪))制造成带钢连续退火生产线的炉辊表面保护涂层。

本发明热喷涂金属陶瓷粉末中，MCrAlYTa超合金具有着较好的综合性能，能够确保零部件的长寿化、可靠性和安全性的工作要求。

合金中的铝元素可以在涂层表面生成致密的Al₂O₃保护薄层，故具有提高炉辊涂层抗积瘤性、抗氧化和抗腐蚀的能力，Al含量在3-10％是合适的。Al含量多则生成的Al₂O₃多，就非常容易与带钢中的Mn及其氧化物发生化学反应，形成MnAl₂O₄化学积瘤物；而Al含量低于3％，则无法生成致密的保护薄层。Cr元素能够提高炉辊涂层的抗氧化能力以及耐磨性。但Cr元素过多，与Al元素类似，也容易形成Mn_1.5Cr_1.5O₃化学积瘤物。通常，Cr元素的添加量在13-25％之间。此外，稳定化稀土元素Y含量在0.1-1％之间、稀有元素Ta含量低于12％，对炉辊涂层是有益的。

本发明热喷涂金属陶瓷粉末中，ZrB₂和Cr₃C₂两种陶瓷的使用与合理匹配，可同时提高炉辊涂层的耐积瘤性能、耐摩擦磨损性能、抗剥落性能以及与辊材的结合性能。其中，由于ZrB₂陶瓷具有非常高的高温硬度，因此具有优良的耐磨和抗划伤能力；同时，ZrB₂陶瓷几乎不会与Mn及其氧化发生化学反应，故在连退炉辊正常工况条件下，基本不参与积瘤反应，耐积瘤性能优良。而10-20％含量的ZrB₂陶瓷既可以容易使用各种热喷涂方法进行制造，又可以使涂层同时具有韧性和硬度的匹配性，还能够充分发挥基体合金中铝和铬元素的作用效果。当ZrB₂陶瓷含量低于10％，涂层耐积瘤性能和抗划伤能力不足；类似的，如ZrB₂陶瓷含量超过20％，则会破坏涂层表面的氧化铝薄膜，并容易导致涂层脆化剥落。

然而，单纯添加ZrB₂陶瓷的缺点是容易引起涂层变脆，特别是陶瓷含量较高的情况下，长期服役后涂层可能会导致剥落。因此，必须在金属陶瓷粉末中配合添加Cr₃C₂陶瓷。适量Cr₃C₂陶瓷的配合添加，不仅可以进一步提高和保持ZrB₂陶瓷炉辊涂层的高温耐积瘤性能；而且还可使涂层致密、与辊材之间良好结合，进而提高了涂层抗剥落能力。由于Cr₃C₂陶瓷在高温容易发生部分分解，因此如添加过多(超过5％)反而有损于涂层的耐积瘤性能和结合强度；但如果含量过低(少于1％)，则辅助效果不明显。因此，Cr₃C₂陶瓷的含量控制在1-5％。

再有，为了使炉辊涂层具有和保持良好的综合性能，金属陶瓷粉末中ZrB₂和Cr₃C₂陶瓷占金属陶瓷粉末总重量的11-25％。

本发明的有益效果是：通过对合金粉末的合理搭配，可以提高涂层的致密性、耐积瘤能力、抗氧化能力以及耐磨性。本发明金属陶瓷涂层材料中添加的ZrB₂陶瓷是耐积瘤、耐划伤、抗高温组分，适量的Cr₃C₂陶瓷则是提高涂层结合强度与耐积瘤性能的组分；因此，可同时兼顾炉辊涂层的耐积瘤性能、耐摩擦磨损性能、抗高温性能和高的结合能力。这也是本发明和其他炉辊表面涂层金属陶瓷粉末的显著不同之处。

具体实施方式：

金属陶瓷炉辊表面保护涂层使用超音速火焰喷涂方法制备，涂层厚度在0.15mm左右。抗积瘤试样尺寸为50×50×10mm，材质为304不锈钢。抗积瘤试验具体方法：在涂层表面加一层粒度小于44μm的MnO粉末，在N₂-3％H₂气氛、950℃处理48小时，而后取出分析积瘤情况。涂层耐摩擦磨损试样尺寸为12.32×12.32×19.05mm，材质为304不锈钢；对磨副尺寸为φ49.22×13.06mm，材质为45调质钢。结果见下表。

注：符号

○、△分别表示效果：好、一般、略差。

Claims

1.一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，其特征时，合金粉末为MCrAlYTa合金粉末，陶瓷粉末由ZrB₂和Cr₃C₂粉末组成，合金粉末和陶瓷粉末的重量百分比为：合金粉末89-75％，陶瓷粉末11-25％；在MCrAlYTa合金粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，含有13-25％的Cr，3-10％的Al，0.1-1％的Y，低于12％的Ta；余量为M，M为Co和Ni中的一种；陶瓷粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，ZrB₂和Cr₃C₂含量分别为10-20％和1-5％。

2.根据权利要求1所述的一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，其特征是，热喷涂金属陶瓷涂层粉末粒度为10-70μm。

3.权利要求1所述的一种用于炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末，作为带钢连续退火生产线炉辊表面的保护涂层。