CN102191448A

CN102191448A - 一种炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末

Info

Publication number: CN102191448A
Application number: CN2010101225733A
Authority: CN
Inventors: 赵春涛; 毕刚; 袁巨; 郝荣亮
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Equipment Maintenance Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Equipment Maintenance Co Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: CN102191448B

Abstract

本发明提供了一种炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，所述金属陶瓷粉末中含有13-25wt％的Cr，3-10wt％的Al，0.1-1wt％的Y，低于12wt％的Ta，余量至少为Co和Ni中的一种，其特征在于，所述陶瓷粉末中含有TiB₂和Al₂O₃，占金属陶瓷粉末总重量的15-25wt％。采用本发明的金属陶瓷粉末制成的热喷涂涂层的耐积瘤性能和耐摩擦磨损性能可以显著提高，在实际生产中苛刻的工况下仍能维持优良的综合性能。

Description

一种炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷粉末，具体涉及一种用于热喷涂的金属陶瓷粉末。

背景技术

为获得性能优良的钢带制品，钢带通常需要在连续退火炉中进行热处理。退火钢带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钢带原始表面质量，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600-1100℃、高速运行、并具有一定的张力载荷。因此，提升传送钢带炉辊表面状态，不仅是保证连续退火钢带品质的关键，而且还能够满足连退生产的长寿命、高效率的要求。

目前，在高品质钢带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：(1)具有优良的抗积瘤性能；(2)具有良好的高温耐摩擦磨损性能；(3)具有较高的硬度；(4)具有良好的化学稳定性；(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。

经检索，相似的专利文献如下：

1、专利文献JP2270955A公开了粉末组分体系为5-20％的Cr₂O₃和Al₂O₃陶瓷与95-80％CoNiCrAlY合金(未试验考察涂层使用情况)；

2、专利文献JP3226552A(未试验考察涂层使用情况)：

公开了粉末组分体系为5-50％的硼化物陶瓷与MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)合金；

3、专利文献JP63199857A和US4822689A(未试验考察涂层使用情况)：

公开了粉末组分体系为51-95％的Al₂O₃陶瓷与MCrAlY(M为Co、Ni、Fe)合金；

4、专利文献JP711420A(未试验考察涂层使用情况)：

公开了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；

5、专利文献US6572518A(未试验考察涂层使用情况)：

公开了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)，含有多于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，上述专利文献1-5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，上述专利文献所涉及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，使得涂层性能劣化。同时，在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钢带的生产，炉内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

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于，提供一种炉辊表面热喷涂用的金属陶瓷粉末，用该金属陶瓷粉末制成的热喷涂涂层具有良好抗积瘤性能和高温耐磨损性能。

本发明的技术方案是，一种炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，所述金属陶瓷粉末中含有13-25wt％的Cr，3-10wt％的Al，0.1-1wt％的Y，低于12wt％的Ta，余量至少为Co和Ni中的一种，其中，所述陶瓷粉末中含有TiB₂和Al₂O₃，占金属陶瓷粉末总重量的15-25wt％。

在本发明热喷涂金属陶瓷粉末中，所述的合金粉末为MCrAlYTa合金粉末，MCrAlYTa超合金具有较好的综合性能，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MCrAlYTa具有更好的抗高温、抗氧化和抗腐蚀等能力，优化合金材料组分是非常必要的。

由于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，因此Al含量与此有着很大的关联。通常Al含量在3-10wt％(指单质Al的含量)，过多则易形成MnAl₂O₄化学积瘤物。

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。通常，Cr元素的添加量在13-25wt％之间；对于少量的稀土元素Y而言，它是一种稳定化元素。但含量不宜超过1wt％。此外，添加适量的Ta元素(低于12wt％)，对提高炉辊涂层是有益的。

本发明热喷涂金属陶瓷粉末中，TiB₂陶瓷材料既是耐积瘤组分又是抗摩擦磨损组分、Al₂O₃陶瓷材料是抗摩擦磨损组分；因此，可同时兼顾炉辊涂层的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。Al₂O₃和TiB₂两种陶瓷材料的使用与合理匹配，可同时提高炉辊涂层的抗氧化性能、耐积瘤性能、耐摩擦磨损性能以及与辊材的结合性能。其中，TiB₂陶瓷材料在连退炉辊的工况条件下非常稳定，基本不参与积瘤反应。当TiB₂陶瓷材料含量低于10wt％，涂层耐积瘤性能不足；类似的，如TiB₂陶瓷材料含量超过20wt％，则会破坏涂层表面氧化铝薄膜，耐积瘤性能变差。

金属陶瓷粉末中添加Al₂O₃陶瓷材料，不仅可以提高和保持炉辊涂层的高温耐磨性能；而且Al₂O₃陶瓷材料与涂层中合金有很好的匹配度，热喷涂涂层致密、孔隙率少；同时，Al₂O₃陶瓷材料与涂层表面形成的氧化铝薄膜有很好的相容性；再有，可以保持金属陶瓷涂层与炉辊辊材之间良好的结合。但由于Al₂O₃陶瓷材料在连退炉辊的工况条件下有可能参与积瘤反应，形成MnAl₂O₄积瘤物；因此，Al₂O₃陶瓷材料的含量控制在5-10wt％。

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Al₂O₃和TiB₂陶瓷材料占金属陶瓷粉末总量的15-25wt％。

较好的是，所述TiB₂含量占金属陶瓷粉末总量的10-20wt％。

较好的是，所述Al₂O₃含量占金属陶瓷粉末总量的5-10wt％。

较好的是，所述金属陶瓷涂层粉末粒度为10-70μm。

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制备：原料粉由已设定百分含量比例的、平均颗粒直径为3-10μm的陶瓷粉和平均颗粒直径为5-15μm的MCrAlYTa合金粉组成；经充分混粉和烧结后，采用气雾法制粉，并分选至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，使用热喷涂方法，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)。

本发明连退炉辊用热喷涂金属陶瓷粉末与以上专利文献对比：

专利文献JP2270955A的涂层材料中添加Cr₂O₃和Al₂O₃陶瓷，尽管可提高炉辊涂层的耐摩擦磨损性能，但更可能降低涂层的耐积瘤性能，容易生成Mn_1.5Cr_1.5O₃和/或MnAl₂O₄积瘤物，降低涂层的性能稳定性和长寿命化使用；专利文献JP3226552A的涂层材料中仅添加5-50％的硼化物陶瓷，尽管可提高炉辊涂层的耐积瘤性能，但却使得涂层的耐摩擦磨损性能略显不足；专利文献JP63199857A和US4822689A涂层材料中仅添加51-95％的Al₂O₃陶瓷，会大为降低炉辊涂层的耐积瘤性能；专利文献JP711420A的涂层材料中同时添加1-60％硼化物陶瓷和5-50％碳化物陶瓷，尽管可提高炉辊涂层的耐积瘤性能，但由于碳化物陶瓷在高温工况条件下易脱碳分解，会严重损伤炉辊涂层；专利文献US6572518A的涂层材料中同时添加1-5％硼化物陶瓷、5-10％碳化物陶瓷，和多于10％的稀土氧化物陶瓷，尽管涂层会有良好的抗积瘤性能，但耐磨性能略显不足，且碳化物陶瓷在高温工况条件下脱碳分解，会造成炉辊涂层严重损伤的风险。而本发明的金属陶瓷粉末，使用后可显著改善涂层表面的耐积瘤性能和耐摩擦磨损性能，在实际生产中苛刻的工况下仍能维持优良的综合性能。

具体实施方式

实施例1

金属陶瓷粉末中含有25％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，5％的Al₂O₃和20％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。

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℃保温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。结果见表1。

实施例2

金属陶瓷粉末中含有25％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，10％的Al₂O₃和10％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。其他同实施例1.

实施例3

金属陶瓷粉末中含有25％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，10％的Al₂O₃和15％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。其他同实施例1.

对比例1

金属陶瓷粉末中含有25％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，3％的Al₂O₃和10％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。其他同实施例1.

对比例2

金属陶瓷粉末中含有16％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，18％的Al₂O₃和10％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。其他同实施例1.

对比例3

金属陶瓷粉末中含有16％的Cr，8％的Al，0.7％的Y，9％的Ta，10％的Al₂O₃和5％的TiB₂，余量为Co和Ni中至少一种。其他同实施例1.

表1不同实施例组分及其涂层性能评价

	Cr(wt％)	Al(wt％)	Y(wt％)	Ta(wt％)	Co，Ni(wt％)	Al₂O₃(wt％)	TiB₂(wt％)	陶瓷总量(wt％)	抗Mn积瘤性能	耐摩擦磨损性能	总体评价
												实施例1	25	8	0.7	9	余量	5	20	25	好	一般	一般
实施例2	25	8	0.7	9	余量	10	10	20	好	好	好
												实施例3	25	8	0.7	9	余量	10	15	25	好	好	好
对比例1	25	8	0.7	9	余量	3	10	13	一般	略差	略差
												对比例2	16	8	0.7	9	余量	18	10	28	略差	一般	略差
对比例3	16	8	0.7	9	余量	10	5	15	略差	一般	略差

从表1中的结果可知，Al₂O₃含量高于或低于本发明5-10％的范围，会使涂层的抗摩擦磨损性能变差；TiB₂组分含量偏低，会影响涂层的抗Mn积瘤性能，低于10％时，涂层耐积瘤性能明显不足；而陶瓷组分总量的Al₂O₃和TiB₂两种陶瓷材料的使用与合理匹配，可同时提高炉辊涂层的抗氧化性能、耐积瘤性能、耐摩擦磨损性能以及与辊材的结合性能。

Claims

1.一种炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，由合金粉末和陶瓷粉末组成，所述金属陶瓷粉末中含有13-25wt％的Cr，3-10wt％的Al，0.1-1wt％的Y，低于12wt％的Ta，余量至少为Co和Ni中的一种，其特征在于，所述陶瓷粉末中含有TiB₂和Al₂O₃，占金属陶瓷粉末总重量的15-25wt％。

2.根据权利要求1所述的炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，其特征在于，所述TiB₂含量占金属陶瓷粉末总量的10-20wt％。

3.根据权利要求1所述的炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，其特征在于，所述Al₂O₃含量占金属陶瓷粉末总量的5-10wt％。

4.根据权利要求1所述的炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，其特征在于，所述金属陶瓷涂层粉末粒度为10-70μm。

5.根据权利要求1所述的炉辊表面热喷涂用金属陶瓷粉末，其特征在于，所述金属陶瓷涂层粉末采用粒化烧结法制备。