CN102181814A - 一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材 - Google Patents

Abstract

用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材，由粉芯和外皮组成，外皮为不锈钢钢带，粉芯由六种金属合金粉末混合而成，其质量百分比含量如下：2%－6%B、2%－5%Si、3%－10%Nb、2%-5%Cr、2%-7%Ni、0.5%-2%Al、余量Fe。其制法为：将不锈钢钢带扎成U形，向U形槽中加粉系数为33%-42%；然后将U形槽合口，把粉末包覆其中。经拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2.0mm。采用高速电弧喷涂技术在冷却的钢基体上形成低氧化物含量、致密、连续的且具有一定形状的非晶涂层，该涂层组织结构致密、热稳定性能好，非晶相含量≥80%，孔隙率≤2.5%，结合强度≥50MPa，平均硬度≥1000HV_0.1，能显著提高机械零部件长效防腐和磨损寿命。

Description

一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材

技术领域

本发明涉及一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用于制备大面积防护涂层的电弧喷涂材料，可应用于钢结构的长效防腐和耐磨环境。

背景技术

与晶态材料相比，亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料，非晶材料内部不含位错、空位、间隙原子等晶体缺陷，采用非晶前驱体的纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能够显著降低材料本征内应力；合理的设计涂层材料体系组成，可以显著的降低涂层中氧化物的含量和孔隙率，可以显著的提高涂层的致密度。而且，非晶化可以提高材料的耐蚀性能，非晶前驱体的部分纳米化可以提高材料的耐磨性能，纳米晶粒还有阻止涂层微裂纹扩展的作用。由于电弧喷涂单个粒子的凝固速率为10^-7-10^-5K/s，具备了非晶形成的条件，只要材料成分设计合理，就能够得到非晶涂层。

高速电弧喷涂制备铁基非晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，在非晶涂层制备方面，据郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》（《金属学报》2007 43(7):780-784）中的描述，已成功地利用电弧喷涂方法制备出了材料成分为FeCrBSiMoWMn的非晶涂层，其非晶含量为45.22％，且具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等利用电弧喷涂铁基粉芯丝材(FeCrNiBC)，获得了49％非晶含量的涂层，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国Nanosteel公司的SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备锅炉管道防护用的非晶纳米晶复合涂层，其非晶含量约占65％左右，涂层具有良好的抗高温冲蚀性能。虽然国内外对电弧喷涂方法制备的铁基非晶纳米晶涂层进行了初步研究，但由于材料成分体系设计不尽合理，获得的涂层非晶含量往往低于70%，并伴随着硼化物产生，氧化物含量也相对较高，直接影响了涂层质量与性能。因此，研发出低氧化物含量，高非晶含量且成本相对较低、耐磨、耐蚀性能优异的电弧喷涂铁基非晶合金涂层用粉芯丝材仍然具有重大的意义。但至今为止，还未见利用电弧喷涂技术制备粉芯丝材成分为FeNiCrBSiNbAl非晶涂层方面的报道。

发明内容

针对过去电弧喷涂丝材无法同时满足耐磨耐蚀性能且涂层非晶含量较低等问题，本发明提供了一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出涂层组织结构致密、热稳定性能好，非晶含量≥80%；具有低氧化物含量、低孔隙率、高的结合强度和优异的耐磨和耐蚀性能，并且成本较低等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材，由不锈钢外皮包覆粉芯制成，其粉芯由六种金属合金粉末混合而成，其特征在于所述的粉芯成分质量百分比含量范围如下：2%－6% B、2%－5% Si、3%－10% Nb、2%-5% Cr、2%-7% Ni、0.5%-2% Al、余量Fe；粉芯的填充率为33%-42%，粉芯丝材的直径为2mm。

本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：

1.        将不锈钢钢带扎成U形，再向U形槽中加入占喷涂粉芯丝材总重的38％的上述发明粉末；

2.        将U形槽合口，把粉末包覆在其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2mm，得到本发明的产品。

本发明有益的效果：合理设计粉芯各组分的含量，采用现有高速电弧喷涂技术可在冷却的钢基体上形成低氧化物含量、致密、连续的非晶涂层；涂层中非晶含量≥80%，孔隙率≤2.5%，涂层的结合强度≥50MPa，涂层的硬度在800~1300HV_0.1范围内。

附图说明

附图1：实施例1制备的铁基非晶涂层的X射线衍射图谱

附图2：实施例1制备的铁基非晶涂层的X射线衍射图谱拟合图

附图3：实施例1制备的铁基非晶涂层的差热（DSC）分析曲线

附图4：实施例2制备的铁基非晶涂层截面形貌。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的不锈钢钢带。先将其扎成U形。取六种金属合金粉末按质量百分比：4% B、4% Si、6% Nb、4% Cr、5% Ni、1% Al、余量Fe，称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为38％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流为120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例1制备的铁基非晶涂层的X射线衍射图谱见图1。可以看出，在2θ＝43.5°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD 图谱，说明在涂层在沉积过程中形成了非晶结构。图中没有发现对应于结晶相的反射峰，表明制备的涂层是非晶态；另外图谱中没有氧化物峰存在，证实涂层在沉积过程中很少发生氧化。通过对XRD图谱进行拟合，如图2所示：计算得到涂层中非晶含量为87.6％（体积分数）。

实施例1制备的铁基非晶涂层的差热分析（DSC）曲线如图3所示，加热速率为10 K/min。在DSC曲线上能观察到一个明显的对应玻璃转变的吸热峰，利用切线法从DSC曲线上可确定玻璃转变的峰值温度Tg＝550℃。通过对DSC曲线局部放大可知，在300℃～500℃之间也存在一个较宽的吸热峰，经分析为玻璃软化温度，利用切线法得出其值为471℃。

对实施例1制备的铁基非晶涂层利用HVS－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果表明涂层的显微硬度高达1239HV_0.1。

实施例2：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的不锈钢钢带。先将其扎成U形。取六种金属合金粉末按质量百分比：6% B、5% Si、10% Nb、5% Cr、7% Ni、2% Al、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为40％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流110A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例2制备的非晶涂层截面形貌如图4所示。可以看出：涂层组织均匀，结构致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂层之中，经分析涂层的孔隙率为1.7%。结合强度测试结果表明，FeNiCrBSiNbAl非晶涂层的非晶含量为83.4％（体积分数），平均结合强度为54.6MPa；涂层的平均显微硬度为1019.4HV_0.1。

实施例3：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的不锈钢钢带。先将其扎成U形。取六种金属合金粉末按质量百分比：2% B、2% Si、4% Nb、2% Cr、3% Ni、0.5% Al、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为33％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流110A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。经检测实施例3制备的非晶涂层的非晶含量为80.2％（体积分数）平均结合强度为50.4MPa；孔隙率为2.2%；涂层的平均显微硬度为1078HV_0.1。

Claims (2)

1.一种用于高非晶含量耐磨防腐涂层的粉芯丝材，由不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由六种金属合金粉末混合而成，所述的粉芯成分质量百分比含量范围如下：2%－6% B、2%－5% Si、3%－10% Nb、2%-5% Cr、2%-7% Ni、0.5%-2% Al、余量Fe；粉芯的填充率为33%-42%，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于用该粉芯丝材制备出的非晶涂层，涂层中非晶相含量≥80%，孔隙率≤2.5%，涂层的结合强度≥50MPa，涂层的硬度在800~1300HV_0.1范围内。

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