CN101736281A - 纳米结构铁基涂层及其制备方法 - Google Patents

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马光
韩钰
陈新
李现兵
徐德录
陈玉成
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Abstract

本发明涉及一种纳米结构铁基涂层及其制备方法，其中，纳米结构铁基涂层的制备方法包括：在空气压力为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力为0.2～0.4MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以50～250mm的喷涂距离，1～7ppm的送粉速度喷涂到基体上。采用上述纳米结构铁基涂层的制备方法制备的铁基涂层，实现了在较低成本的基础上获得较高性能的纳米结构铁基涂层，拓宽了纳米结构涂层的应用空间。

Description

纳米结构铁基涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米结构铁基涂层及其制备方法，特别涉及一种超音速火焰喷涂纳米结构铁基涂层及其制备方法，属于表面工程技术领域。
背景技术
随着表面工程技术的发展，将表面涂层技术与具有优异机械、物理、化学等性能的纳米材料结合，使制备高性能的纳米结构涂层成为可能。其中，热喷涂技术具有工艺简单、涂层和基体的选择范围广、涂层厚度变化范围大、沉积效率高以及容易形成复合涂层等优点。利用热喷涂制备的纳米结构涂层具备耐磨损、硬度和结合强度高、断裂韧性好等优点。
美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成专用热喷涂纳米粉，利用等离子喷涂得到纳米结构Al2O3/TiO2涂层，涂层致密度达98％。结合强度比商用普通粉末涂层提高2-3倍，抗磨损能力是商用普通粉末涂层的3倍，抗弯强度比商用普通粉末涂层提高2-3倍。美国Connecticut大学利用超音速火焰喷涂成功制备了纳米结构WC-10Co涂层，涂层具有较高的硬度、很好的结合强度和断裂韧性，性能优于传统的WC-Co涂层。Chen等人利用大气等离子喷涂制备了纳米结构ZrO2涂层，涂层平均晶粒度大约为73nm，硬度为8.6GPa，为传统涂层的1.6倍，耐磨性较传统涂层有很大程度的提高，涂层微观结构的细化是涂层具有高耐磨性的主要因素。
但是，目前的热喷涂纳米结构涂层多为耐磨陶瓷涂层，这些涂层成本较高，大大限制了其应用。
发明内容
本发明提供一种纳米结构铁基涂层及其制备方法，以实现在较低成本的基础上获得较高性能的纳米结构涂层，拓宽纳米结构涂层的应用空间。
本发明提供了一种纳米结构铁基涂层的制备方法，该方法包括：
在空气压力为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力为0.2～0.4MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以50～250mm的喷涂距离，1～7ppm的送粉速度喷涂到基体上。
采用上述纳米结构铁基涂层的制备方法制备的铁基涂层，实现了在较低成本的基础上获得较高性能的纳米结构铁基涂层，拓宽了纳米结构涂层的应用空间。
本发明提供了一种纳米结构铁基涂层，该铁基涂层包括：
碳，重量百分比为0.2～1.3％；硼，重量百分比为2.0～5.0％；硅，重量百分比为3.0～5.0％；镍，重量百分比为11.0～17.0％；铬，重量百分比为16.0～22.0％；钼，重量百分比为3.0～6.0％；钨，重量百分比为1.0～4.0％；铁，重量百分比为39.7～63.8％。
上述纳米结构铁基涂层，具有较高的性能，且制备成本低，具有广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明纳米结构铁基涂层制备方法实施例的流程图；
图2为本发明铁基喷涂粉末500倍扫描形貌图；
图3为本发明铁基喷涂粉末10000倍扫描形貌图；
图4为本发明铁基涂层截面100000倍场发射扫描形貌图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，为本发明纳米结构铁基涂层制备方法实施例的流程图，该方法包括：
步骤101、设置喷涂工艺参数，将空气压力设为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力设为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力设为0.2～0.4MPa；
步骤102、在空气压力为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力为0.2～0.4MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以50～250mm的喷涂距离，1～7ppm的送粉速度喷涂到基体上。
其中，优选的空气压力为0.55～0.6MPa，优选的一级燃烧室压力为0.44～0.55MPa，优选的二级燃烧室压力为0.24～0.33MPa，优选的喷涂距离为100～200mm，优选的送粉速度为2～6ppm。
另外，上述喷涂粉末的制备方法包括：将重量百分比分别为0.2～1.3％的碳，2.0～5.0％的硼B，3.0～5.0％的硅，11.0～17.0％的镍，16.0～22.0％的铬，3.0～6.0％的钼，1.0～4.0％的钨，39.7～63.8％的Fe，在真空或惰性气体保护下熔化，经高压气流冲击粉碎，冷凝成喷涂粉末。采用上述方法制备的喷涂粉末的粒度为5～50μm。其中，碳的优选重量百分比为0.5～1.0％，硼的优选重量百分比为3.0～3.5％，硅的优选重量百分比为3.5～4.0％，镍的优选重量百分比为13.0～15.0％，铬的优选重量百分比18.0～20.0％，钼的优选重量百分比为4.0～5.0％，钨的优选重量百分比为2.0～3.0％，铁的优选重量百分比为49.5～62％。
铁基涂层制备方法实施例一
将重量百分比分别为0.5％的碳(C)，3.0％的硼(B)，3.5％的硅(Si)，13％的镍(Ni)，20％的铬(Cr)，4.0％的钼(Mo)，2.0的钨(W)，54％的铁(Fe)的铁基合金喷涂粉末(粒度为5～50μm)，利用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢上制备涂层，喷涂工艺参数为：空气压力为0.55MPa，一级燃烧室压力为0.44MPa，二级燃烧室压力为0.24MPa，喷涂距离为100mm，送粉速度为6ppm。
以该实施例一为例，进行喷涂粉末及涂层的微观结构分析。图2为本发明铁基喷涂粉末500倍扫描形貌图，可以看出该粉末近似呈球形，具有良好的流动性；从图3中可以看出喷涂粉末的粒子尺寸为0.2～0.5μm，为亚微米结构；从图4中可以看出涂层大部分粒子非常细小，为20～50nm，由此可见，本发明铁基涂层的制备方法可以利用亚微米结构的喷涂粉末制备出纳米结构的Fe基涂层。
铁基涂层制备方法实施例二
将重量百分比分别为0.7％的C，3.2％的B，3.7％的Si，14.0％的Ni，19.0％的Cr，5.0％的Mo，3.0％的W，51.4％的Fe的铁基合金喷涂粉末(粒度为5～50μm)，利用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢上制备涂层，喷涂工艺参数为：空气压力为0.60MPa，一级燃烧室压力为0.49MPa，二级燃烧室压力为0.28MPa，喷涂距离为150mm，送粉速度为4ppm。
铁基涂层制备方法实施例三
将重量百分比分别为1.0％的C，3.5％的B，4.0％的Si，13％的Ni，20％的Cr，5.0％的Mo，3.0％的W，50.5％的Fe的铁基合金喷涂粉末(粉末的粒度为5～50μm)，利用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢上制备涂层，喷涂工艺参数为：空气压力为0.60MPa，一级燃烧室压力为0.55MPa，二级燃烧室压力为0.33MPa，喷涂距离为200mm，送粉速度为2ppm。
采用上述纳米结构铁基涂层的制备方法制备的纳米结构铁基涂层，实现了在较低成本的基础上获得较高性能的纳米结构铁基涂层，拓宽了纳米结构涂层的应用空间。
本发明的纳米结构铁基涂层包括：碳，重量百分比为0.2～1.3％；硼，重量百分比为2.0～5.0％；硅，重量百分比为3.0～5.0％；镍，重量百分比为11.0～17.0％；铬，重量百分比为16.0～22.0％；钼，重量百分比为3.0～6.0％；钨，重量百分比为1.0～4.0％；铁，重量百分比为39.7～63.8％。
其中，碳的优选重量百分比为0.5～1.0％；硼的优选重量百分比为3.0～3.5％；硅的优选重量百分比为3.5～4.0％；镍的优选重量百分比为13.0～15.0％；铬的优选重量百分比为18.0～20.0％；钼的优选重量百分比为4.0～5.0％；钨的优选重量百分比为2.0～3.0％；铁的优选重量百分比为49.5～62％。
下面分别对采用上述实施例一至实施例三的制备方法制备的纳米结构铁基涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性进行测试。
1、对涂层硬度进行测试：
涂层经抛光后，采用HXD-1000TM显微硬度计测量涂层表面显微硬度，采用上述实施例一至实施例三的制备方法制备的纳米结构铁基涂层的平均硬度分别为1148kg/cm2，1235kg/cm2和1286kg/cm2，上述数据表明采用本发明实施例一至实施例三制备的纳米结构铁基涂层具有较高的显微硬度。
2、对涂层耐磨性进行测试：
采用立式万能摩擦磨损试验机MMW-1进行室温无润滑滑动磨损试验，摩擦副为Φ13mm的硬质合金球，所加载荷为50N，转速为200r/min，试验时间为60min。磨损量用失重表示，对比试样为0Cr13Ni5Mo不锈钢，采用实施例一至实施例三的制备方法制备的纳米结构铁基涂层的磨损失重分别为12.4mg、13.6mg、11.8mg，详见表1，由此可见采用本发明实施例一至实施例三的铁基涂层制备方法制备的纳米结构涂层耐磨性较高。
表1涂层及不锈钢的磨损失重
  样品  载荷(N)   磨损失重(mg)
  0Cr13Ni5Mo不锈钢   50   32.6
  实例1Fe基涂层   50   12.4
  样品  载荷(N)   磨损失重(mg)
  实例2Fe基涂层   50   13.6
  实例3Fe基涂层   50   11.8
3、对涂层的耐蚀性进行测试：
采用CHI660B电化学工作站测定涂层，在3.5％的氯化钠(NaCl)溶液中电化学腐蚀性能。利用Tafel外推法确定涂层的腐蚀电流icorr，并计算腐蚀速度Vcorr，扫描速度为1mV/s。实验采用的参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，对比试样为0Cr13Ni5Mo不锈钢，采用实施例一至实施例三的铁基涂层制备方法制备的铁基涂层的试验数据详见表2，从表2中可以看出本发明制备的纳米结构涂层耐蚀性较不锈钢有一定程度的提高。
表2涂层及不锈钢的腐蚀电化学参数
  样品   Ecorr(mV)   icorr(μA/cm2)   Vcorr(mm/a)
  0Cr13Ni5Mo不锈钢   -481.6   4.6   0.07
  实例1Fe基涂层   -387.9   3.3   0.05
  实例2Fe基涂层   -398.6   3.7   0.06
  实例3Fe基涂层   -408.9   3.9   0.06
上述纳米结构铁基涂层，具有较高的性能，且制备成本低，具有广泛的应用范围。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于包括：
在空气压力为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力为0.2～0.4MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以50～250mm的喷涂距离，1～7ppm的送粉速度喷涂到基体上。
2.根据权利要求1所述的纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于所述在空气压力为0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力为0.4～0.6MPa，二级燃烧室压力为0.2～0.4MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以50～250mm的喷涂距离，1～7ppm的送粉速度喷涂到基体上包括：
在空气压力为0.55～0.6MPa，一级燃烧室压力为0.44～0.55MPa，二级燃烧室压力为0.24～0.33MPa的条件下，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将喷涂粉末以100～200mm的喷涂距离，2～6ppm的送粉速度喷涂到基体上。
3.根据权利要求1或2所述的纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于所述喷涂粉末的制备方法包括：
将重量百分比分别为0.2～1.3％的碳，2.0～5.0％的硼B，3.0～5.0％的硅，11.0～17.0％的镍，16.0～22.0％的铬，3.0～6.0％的钼，1.0～4.0％的钨，39.7～63.8％的铁，在真空或惰性气体保护下熔化，经高压气流冲击粉碎，冷凝成喷涂粉末。
4.根据权利要求3所述的纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于所述喷涂粉末的粒度为5～50μm。
5.根据权利要求3所述的纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于所述将重量百分比分别为0.2～1.3％的碳，2.0～5.0％的硼B，3.0～5.0％的硅，11.0～17.0％的镍，16.0～22.0％的铬，3.0～6.0％的钼，1.0～4.0％的钨，39.7～63.8％的铁，在真空或惰性气体保护下熔化，经高压气流冲击粉碎，冷凝成喷涂粉末包括：
将重量百分比分别为0.5～1.0％的碳，3.0～3.5％的硼，3.5～4.0％的硅，13.0～15.0％的镍，18.0～20.0％的铬，4.0～5.0％的钼，2.0～3.0％的钨，49.5～62％的铁，在真空或惰性气体保护下熔化，经高压气流冲击粉碎，冷凝成喷涂粉末。
6.根据权利要求5所述的纳米结构铁基涂层的制备方法，其特征在于所述喷涂粉末的粒度为5～50μm。
7.一种应用权利要求1-6任一所述的纳米结构铁基涂层的制备方法制备的纳米结构铁基涂层，其特征在于包括：
碳，重量百分比为0.2～1.3％；硼，重量百分比为2.0～5.0％；硅，重量百分比为3.0～5.0％；镍，重量百分比为11.0～17.0％；铬，重量百分比为16.0～22.0％；钼，重量百分比为3.0～6.0％；钨，重量百分比为1.0～4.0％；铁，重量百分比为39.7～63.8％。
8.根据权利要求7所述的纳米结构铁基涂层，其特征在于所述碳的优选重量百分比为0.5～1.0％；硼的优选重量百分比为3.0～3.5％；硅的优选重量百分比为3.5～4.0％；镍的优选重量百分比为13.0～15.0％；铬的优选重量百分比为18.0～20.0％；钼的优选重量百分比为4.0～5.0％；钨的优选重量百分比为2.0～3.0％；铁的优选重量百分比为49.5～62％。
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