CN102605310B - 一种热镀锌沉没辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热镀锌沉没辊及其制备方法。热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，所述的防护涂层采用电火花沉积工艺制备，所述的防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料。热镀锌沉没辊的防护涂层的制备方法的工艺步骤为：1）不锈钢辊表面预处理；2）电火花沉积。本发明以较低的生产成本，提高了热镀锌沉没辊表面防护涂层的表面硬度、耐磨损性能、耐熔融锌液腐蚀性能、耐热氧化性，且与不锈钢基体界面呈冶金结合。

Description

一种热镀锌沉没辊及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热镀锌沉没辊及其制备方法。

背景技术

热镀锌也称热浸镀锌，是钢铁构件浸入熔融的锌液中获得金属覆盖层的一种防止钢铁材料在自然环境中腐蚀的最经济有效的方法。经热镀锌处理的钢铁构件在大气、海水、土壤等腐蚀环境中都有着优良的耐蚀性。近年来随高压输电、交通、通讯事业迅速发展，对钢铁件防护要求越来越高，热镀锌需求量也不断增加。

沉没辊是热镀锌设备的关键部件。传统的沉没辊主要以钢铁材料为主，但由于铁在锌液中会形成多孔疏松的低熔点Fe₅Zn₂₁和FeZn₁₃金属间化合物( 俗称锌渣) 并漂移到锌液中，其抗熔融锌液腐蚀性很差，因此使用寿命较短，需经常更换，严重影响生产的正常进行。而且，由于钢的腐蚀造成锌液增铁，严重影响热镀锌制品的纯度。

采用表面处理技术提高钢铁材料沉没辊抗熔融锌液腐蚀性能是一种切实有效的方法。较为常用的沉没辊表面处理方法主要有渗镀法和热喷涂。虽然渗镀法具有成本低廉，简便易行等优点，但是采用渗镀法获得的硼化物涂层，渗层厚度受到限制，生成FeB/ Fe₂ B 两种金属间化合物的膨胀系数差别很大，而且比较脆，在锌液腐蚀的恶劣环境很容易开裂，因此其性能有待于进一步提高。热喷涂是研究更多、应用更加广泛的沉没辊表面处理技术。目前用于耐熔锌腐蚀涂层的材料主要有：WC/Co、CrWMo和FeCrAl等。由于这些材料构成的涂层具有较好的耐融锌腐蚀性能，因此用在无温差变化的静态工况条件下收到了较好的效果。尽管如此，热喷涂方法也有其不足之处，其最大的缺点在于热喷涂层均不可避免存在一定的孔隙率, 这些孔隙的存在为锌的扩散提供了扩散通道，且涂层与基体间结合力差、易脱落。因此有必要发展新的低成本高性能的涂层材料及其制备技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有的沉没辊表面采用渗镀法获得的硼化物涂层，渗层厚度受到限制，生成FeB/Fe₂B 两种金属间化合物的膨胀系数差别很大，而且比较脆，在锌液腐蚀的恶劣环境很容易开裂，以及采用热喷涂方法，其热喷涂层存在一定的孔隙率, 这些孔隙的存在为锌的扩散提供了扩散通道，且涂层与基体间结合力差、易脱落的不足；本发明提供一种热镀锌沉没辊及其制备方法，本发明基体表面涉及的防护涂层具体高熔点、高硬度、高耐磨性、高导热性和高抗腐蚀性，且防护涂层与基体呈冶金结合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，所述的防护涂层采用电火花沉积工艺制备，所述的防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料。

由于电火花沉积是直接利用具有高能量密度的电能对工件表面进行强化处理，通过火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金化表面强化层，从而使工件的物理、化学、机械性能得到改善。电火花沉积涂层是材料表面在电火花放电作用下，经微区高温冶金过程所形成，所以它与基体材料结合极为牢固。ZrB₂中包含Zr-Zr金属键、B-B共价键、B-Zr离子键，ZrB₂的这些特点决定了它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、高导热性和高抗腐蚀性。ZrB₂中掺杂的石墨可以起到提高复合材料的常温导电性能，以及提高复合材料的热震性能，单纯的ZrB₂陶瓷热震性能较差，在经历冷热循环时易发生裂纹甚至是粉化，只有掺入石墨，才能使复合材料的能够满足电火花沉积电极的导电性能要求，同时可以经受电火花沉积时的冷热循环。

进一步地：所述的ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料由5~20wt%的石墨和80~95 wt%的ZrB₂组成。石墨粉末加入量较少不能实现其在复合材料中的作用，加入量过多则会是最终沉积所得涂层中的ZrB₂含量会太低，导致其在硬度及耐磨性方面不能满足应用要求，而且过高的石墨含量在沉积过程中还可能会对基体起到渗碳的作用形成碳化物陶瓷从而影响到涂层与基体之间的结合。

为使防护涂层具有更好的耐磨损性能、耐熔融锌液腐蚀性能、耐热氧化性，防护涂层厚度为10~50μm。

前述的热镀锌沉没辊的制备方法，其工艺步骤为：

1）以不锈钢辊作为基体，并进行表面预处理：将切割好的不锈钢辊用砂纸打磨，然后对打磨后的不锈钢辊表面进行除油清洗，吹干备用；

2）电火花沉积：将ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料作为沉积电极，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体不锈钢辊固定于电火花沉积设备阴极，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至不锈钢辊表面沉积防护涂层。

为进一步提高防护涂层与基体的结合强度，提高涂层致密性、优化涂层组织，从而提同涂层的耐磨耐蚀性能，对其工艺步骤进行具体阐述：

步骤1）：不锈钢辊表面预处理具体为：将切割好的不锈钢辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将不锈钢辊放入丙酮溶液中除油清洗，然后用去离子水冲洗，吹干备用；

步骤2）：电火花沉积具体为：将ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料作为沉积电极；将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，启动电火花沉积设备，开启氩气温度控制保护装置，侧吹氩气控制保护基体表面的温度，启动电火花工作枪并将其移动至不锈钢辊表面沉积防护涂层。

作为优选，所述的除油采用超声除油，其时间为3~5min。

作为优选，所述的ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂5~20wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成。

作为优选，所述的电火花沉积设备电源功率为0.8~3KW、电压为40~100V、频率为100~2000HZ。

作为优选，电火花沉积过程中采用侧吹12~18L/min氩气进行保护，电火花沉积时间为2~5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。 

本发明的有益效果是：本发明的热镀锌沉没辊，其表面的防护涂层具有较高的表面硬度、良好的耐磨损性能、耐熔融锌液腐蚀性能、耐热氧化性，且与不锈钢基体界面呈冶金结合。防护涂层显微硬度可达Hv2200左右，提高耐磨性能8-10倍，提高使用寿命5倍左右。本发明的热镀锌沉没辊防护涂层的制备方法，采用电火花沉积工艺，采用ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，以较低的生产成本，提高了热镀锌沉没辊表面防护涂层的表面硬度、耐磨损性能、耐熔融锌液腐蚀性能、耐热氧化性，且与不锈钢基体界面呈冶金结合。

具体实施方式

实施例1：

一种热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，防护涂层采用电火花沉积工艺制备，防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料包括5wt%的石墨和95 wt%的ZrB₂；防护涂层厚度为50μm。

上述热镀锌沉没辊的防护涂层的制备方法，具有如下工艺步骤：

1）不锈钢辊表面预处理：将切割好的不锈钢沉没辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗3~5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）电火花沉积：阳极即沉积电极为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂5wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成。阴极即基体为不锈钢辊。将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，不锈钢辊固定于电火花沉积设备阴极，沉积开始前沉积电极与基体不得接触。启动电火花沉积设备，输入设定的电参数功率为1.5KW、电压为40V、频率为300HZ，开启侧吹氩气保护，启动电火花工作枪并将其移动至不锈钢辊表面开始沉积涂层，电火花沉积时间5min/cm²，且沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。

实施例2：

一种热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，防护涂层采用电火花沉积工艺制备，防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料包括10wt%的石墨和90 wt%的ZrB₂；防护涂层厚度为40μm。

上述热镀锌沉没辊的防护涂层的制备方法，具有如下工艺步骤：

1）沉没辊预处理：将切割好的不锈钢沉没辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗3~5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）电火花沉积：阳极即沉积电极为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂10wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成。阴极即基体为不锈钢辊。将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，不锈钢辊固定于电火花沉积设备阴极，沉积开始前沉积电极与基体不得接触。启动电火花沉积设备，输入设定的电参数功率为1.5KW、电压为60V、频率为300HZ，开启侧吹氩气保护，启动电火花工作枪并将其移动至不锈钢辊表面开始沉积涂层，电火花沉积时间4min/cm²，且沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。

实施例3：

一种热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，防护涂层采用电火花沉积工艺制备，防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料包括15wt%的石墨和85 wt%的ZrB₂；防护涂层厚度为30μm。

上述热镀锌沉没辊的防护涂层的制备方法，具有如下工艺步骤：

1）沉没辊预处理：将切割好的不锈钢沉没辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗3~5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）电火花沉积：阳极即沉积电极为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂15wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成。阴极即基体为不锈钢辊。将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，不锈钢辊固定于电火花沉积设备阴极，沉积开始前沉积电极与基体不得接触。启动电火花沉积设备，输入设定的电参数功率为1.5KW、电压为80V、频率为300HZ，开启侧吹氩气保护，启动电火花工作枪并将其移动至不锈钢辊表面开始沉积涂层，电火花沉积时间3min/cm²，且沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。

实施例4：

一种热镀锌沉没辊，具有基体，基体表面具有防护涂层，防护涂层采用电火花沉积工艺制备，防护涂层的材料为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料包括20wt%的石墨和80wt%的ZrB₂；防护涂层厚度为10μm。

上述热镀锌沉没辊的防护涂层的制备方法，具有如下工艺步骤：

1）沉没辊预处理：将切割好的不锈钢沉没辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗3~5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）电火花沉积：阳极即沉积电极为ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂20wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成。阴极即基体为不锈钢辊。将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，不锈钢辊固定于电火花沉积设备阴极，沉积开始前沉积电极与基体不得接触。启动电火花沉积设备，输入设定的电参数功率为1.5KW、电压为800V、频率为300HZ，开启侧吹氩气保护，启动电火花工作枪并将其移动至不锈钢辊表面开始沉积涂层，电火花沉积时间2min/cm²，且沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。

Claims (3)

1.一种热镀锌沉没辊的制备方法，其中所述热镀锌沉没辊具有基体，基体表面具有厚度为10~50μm的防护涂层，其特征是工艺步骤为：

1）以不锈钢辊作为基体，并进行表面预处理：将切割好的不锈钢辊用砂纸打磨，然后对打磨后的不锈钢辊表面进行除油清洗，吹干备用；

2）电火花沉积：将ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料作为沉积电极，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至不锈钢辊表面沉积防护涂层，同时启动设置的氩气温度控制保护装置，采用侧吹氩气的方法控制不锈钢辊表面的温度；其中，所述的ZrB₂中掺有石墨的陶瓷复合材料，采用掺杂5~20wt%石墨粉末的ZrB₂粉末为原料在2100~2300℃热压烧结而成；所述的电火花沉积设备电源功率为0.8~3kW、电压为40~100V、频率为100~2000Hz；所述侧吹氩气的速度为12~18L/min，电火花沉积时间为2~5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度不高于80℃。

2.根据权利要求1所述的热镀锌沉没辊的制备方法，其特征是：

步骤1）所述的表面预处理具体为：将切割好的不锈钢辊分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将不锈钢辊放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

3.根据权利要求2所述的热镀锌沉没辊的制备方法，其特征是：步骤1）中所述的超声辅助除油的时间为3~5min。