CN101862825A - 用于热喷涂的金属陶瓷粉末及制备方法 - Google Patents

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顾轶蓉
刘荣慧
毕刚
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Abstract

本发明公开了一种用于热喷涂的金属陶瓷粉末及制备方法，本发明采用一定重量百分比的CoNiCrAlY金属合金组分与Cr3C2陶瓷组分组合成性能优异的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，并采用雾法制粉，经充分混粉和烧结制密后，破碎筛分成粉末；其用于带钢连退生产线中温段炉辊表面涂层，同时也适用于具有相应要求的零部件的表面涂层；利用本粉末制得的涂层不仅具有良好的化学稳定性和抗积瘤性能，而且还具有良好的高温耐磨损性能，进而能够满足实际生产的长寿命使用要求。

Description

用于热喷涂的金属陶瓷粉末及制备方法
技术领域
本发明涉及用于热喷涂的材料及制备方法，尤其涉及一种用于带钢连退生产线中温段炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末及制备方法。
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600-1200℃、高速运行并具有一定张力载荷。因此，提升传送带钢炉辊的表面状态，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，中温段炉辊表面热喷涂涂层应尽量同时满足的使用要求有：
(1)具有优良的抗积瘤性能；
(2)具有良好的化学稳定性；
(3)具有良好的高温耐摩擦磨损性能；
(4)具有较高的硬度；
(5)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。目前，与本发明相近的热喷涂涂层粉末情况如下：
1，专利CN101003086提供一种Cr3C2-NiCr复合粉末制备技术，将镍铬合金(重量比为70-80％Ni、10-20％Cr)、合金含量为15-50％与碳化铬Cr3C2进行配比，制备出15-50％NiCr+Cr3C2复合粉末。
2，专利JP711420A的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。
3，专利US6572518A的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，上述专利1至3的涂层具有较好的化学稳定性、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，上述涂层的化学稳定性、抗积瘤作用和耐磨损性能有所减弱。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。此外，连退炉中不同工序段有着不同的工况条件，以及为提高连退生产线的生产率和适应多品种带钢的生产，炉辊表面热喷涂涂层的使用工况越来越苛刻，如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。因此，对热喷涂涂层有着更高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有优良综合性能、用于带钢连退生产线中温段炉辊表面涂层的热喷涂金属陶瓷粉末及制备方法，利用本粉末制得的涂层不仅具有良好的化学稳定性和抗积瘤性能，而且还具有良好的高温耐磨损性能，进而能够满足实际生产的长寿命使用要求。
为解决上述技术问题，本发明用于热喷涂的金属陶瓷粉末具体是一种CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末，
其中：CoNiCrAlY金属合金组分中，含有25-35wt％的Ni、13-25wt％的Cr、3-10wt％的Al、0.1-1wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的20-35wt％，
以及陶瓷组分为Cr3C2陶瓷，Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的65-80wt％。
进一步，为得到最佳性能的金属陶瓷粉末，上述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、25wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
进一步，为得到最佳性能的金属陶瓷粉末，所述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、13wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
上述CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末的粒度为10-70μm。
上述CoNiCrAlY金属合金组分的粒度为1-15μm。
上述Cr3C2陶瓷组分的粒度为3-10μm。
上述用于热喷涂的金属陶瓷粉末的制备方法由所述已设定重量百分比、平均颗粒直径为3-10μm的Cr3C2陶瓷组分和平均颗粒直径为1-15μm的CoNiCrAlY金属合金组分组成，经充分混粉和烧结后，采用雾法制粉，通过烧结制密，经破碎筛分后分选至10-70μm粒度范围。
由于本发明用于热喷涂的金属陶瓷粉末及制备方法采用了上述技术方案，即采用一定重量百分比的CoNiCrAlY金属合金组分与Cr3C2陶瓷组分组合成性能优异的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，并采用雾法制粉，经充分混粉和烧结制密后，破碎筛分成粉末；其用于带钢连退生产线中温段炉辊表面涂层，同时也适用于具有相应要求的零部件的表面涂层；利用本粉末制得的涂层不仅具有良好的化学稳定性和抗积瘤性能，而且还具有良好的高温耐磨损性能，进而能够满足实际生产的长寿命使用要求。
具体实施方式
本发明用于热喷涂的金属陶瓷粉末具体是一种CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末，
其中：CoNiCrAlY金属合金组分中，含有25-35wt％的Ni、13-25wt％的Cr、3-10wt％的Al、0.1-1wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的20-35wt％，
以及陶瓷组分为Cr3C2陶瓷，Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的65-80wt％。
进一步，为得到最佳性能的金属陶瓷粉末，上述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、25wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
进一步，为得到最佳性能的金属陶瓷粉末，所述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、13wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
上述CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末的粒度为10-70μm。
上述CoNiCrAlY金属合金组分的粒度为1-15μm。
上述Cr3C2陶瓷组分的粒度为3-10μm。
上述用于热喷涂的金属陶瓷粉末的制备方法由所述已设定重量百分比、平均颗粒直径为3-10μm的Cr3C2陶瓷组分和平均颗粒直径为1-15μm的CoNiCrAlY金属合金组分组成，经充分混粉和烧结后，采用雾法制粉，通过烧结制密，经破碎筛分后分选至10-70μm粒度范围。
本发明用于热喷涂的金属陶瓷粉末中，CoNiCrAlY金属合金组分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。为使CoNiCrAlY具有更好的抗高温、抗氧化和抗腐蚀等能力，优化其组分是非常必要的。
由于该组分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化学稳定性、抗积瘤性和抗腐蚀的能力，而Al含量却与此有着很大的关联。当Al含量超过10wt％，会新生成过多的Al2O3薄层；过多新生成的Al2O3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；同时，还必须考虑工作条件下涂层中Al元素扩散而导致涂层中Al含量的降低。此外，Al含量不宜低于3wt％，否则又不宜生成致密的保护薄层；Al含量的不足，容易导致抗热合金Co和/或Ni元素被氧化而过早起皮剥落。
CoNiCrAlY金属合金组分中Cr元素能够提高炉辊涂层的抗氧化能力以及耐磨性；但与此同时，如果Cr元素添加过多时，类似于Al元素，也会起到负面影响，容易形成Mn1.5Cr1.5O3化学积瘤物。通常，Cr元素的添加量在13-25wt％之间。当含量少于13wt％时，炉辊涂层的抗氧化能力不足。而当含量多于25％时，炉辊涂层又非常容易产生积瘤；并且涂层非常脆，容易发生起皮剥落。
而对于少量的稀土元素Y而言，它是一种稳定化元素，可以提高涂层中合金与陶瓷之间的结合性能，以及Al2O3保护薄层的持久性；同时，还能够起到硬化涂层的作用，进而提高CoNiCrAlY金属合金组分的工作性能。但当Y的含量超过1wt％时，反而会起到负面作用；因此，通常在0.1-1wt％之间。
下表为不同配比金属陶瓷粉末各项性能对照表：
Figure B2009100494405D0000051
对比本发明与相近专利CN101003086可知：
(1)二者的金属合金体系完全不同：
本发明为CoNiCrAlY金属合金；而CN101003086专利则为NiCr金属合金。
(2)由本发明的金属陶瓷粉末制得的热喷涂涂层具有比CN101003086专利更好的综合性能：
CN101003086专利的NiCr-Cr3C2涂层，一方面，在较高温度下由于脱碳Cr3C2会向脆性的Cr7C3或Cr23C6相转变，进而消弱涂层性能；另一方面，微氧的工作环境下，铬和碳化铬生成的致密氧化铬Cr2O3会逐渐向不稳定的CrO3相转变，故涂层易产生膨胀，温度变化大容易导致涂层脱落。
而本发明的CoNiCrAlY+Cr3C2粉末，会在涂层表面生成薄而致密的Al2O3膜层，一方面可显著提高涂层的化学稳定性和抗积瘤性能力；另一方面，可有效防止氧向涂层中的进一步扩散，从而大大减缓致密Cr2O3向不稳定的CrO3相转变的速度；再一方面，也可有益于延缓Cr3C2的脱碳。
本发明的金属陶瓷粉末可同时兼顾炉辊涂层的化学稳定性、耐积瘤性能和耐摩擦磨损性能。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。
本发明热喷涂金属陶瓷粉末粒度宜在10-70μm范围，粉体的制取可通过粒化烧结法制备：原料粉由已设定重量百分比、平均颗粒直径为3-10μm的陶瓷粉和平均颗粒直径为1-15μm的CoNiCrAlY合金粉组成；经充分混粉和烧结后，采用雾法制粉，烧结制密，破碎筛分后分选至10-70μm粒度范围。这种方式制得的金属陶瓷粉末各个组分分布稳定而均匀。
为了获得具有良好综合性能的炉辊表面涂层，本发明金属陶瓷粉末炉辊表面保护涂层的制备采用热喷涂方法，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)。

Claims (7)

1.一种用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述的金属陶瓷粉末具体是一种CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末，
其中：CoNiCrAlY金属合金组分中，含有25-35wt％的Ni、13-25wt％的Cr、3-10wt％的Al、0.1-1wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的20-35wt％，
以及陶瓷组分为Cr3C2陶瓷，Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的65-80wt％。
2.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、25wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
3.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述CoNiCrAlY金属合金组分中，含有30wt％的Ni、13wt％的Cr、8wt％的Al、0.7wt％的Y、余量为Co；相对于金属陶瓷粉末总量，CoNiCrAlY金属合金组分占金属陶瓷粉末总量的25wt％，所述Cr3C2陶瓷占金属陶瓷粉末总量的75wt％。
4.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述CoNiCrAlY+Cr3C2热喷涂金属陶瓷粉末的粒度为10-70μm。
5.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述CoNiCrAlY金属合金组分的粒度为1-15μm。
6.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末，其特征在于：所述Cr3C2陶瓷组分的粒度为3-10μm。
7.根据权利要求1所述的用于热喷涂的金属陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：原料粉由所述已设定重量百分比、平均颗粒直径为3-10μm的Cr3C2陶瓷组分和平均颗粒直径为1-15μm的CoNiCrAlY金属合金组分组成，经充分混粉和烧结后，采用雾法制粉，通过烧结制密，经破碎筛分后分选至10-70μm粒度范围。
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