CN102925892A

CN102925892A - 耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法

Info

Publication number: CN102925892A
Application number: CN2012104803880A
Authority: CN
Inventors: 林均品; 孙鹏飞; 孟惠民; 梁永锋; 张来启; 郝国建
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-23
Also published as: CN102925892B

Abstract

本发明提供了一种耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法，属于耐腐蚀涂层制备技术领域。其特征是：在氩气保护下，以Ti-Al-Nb合金为旋转电极，利用电火花沉积技术制备耐熔锌腐蚀涂层。电极材料成分范围为：Al:20%~50%，Nb:5%~30%，Y:0~1%，余量为Ti，均为原子百分比。基材为各种奥氏体不锈钢。本发明工艺简单，制备成本低，制备的涂层与基材呈冶金结合，可显著提升试件的耐熔锌腐蚀性能，具有很强的实用价值。

Description

耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法

技术领域

本发明属于耐腐蚀涂层制备技术领域，涉及到一种耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法。

背景技术

工业中熔融镀锌生产线中的沉没辊等部件沉浸于450℃~480℃的熔融锌液中，由于锌液在熔融状态下活性很强，其腐蚀和渗透性能大大增强，容易腐蚀辊面使辊面产生点蚀、蚀坑而变得粗糙，在锌液的腐蚀和滚动摩擦阻力的双重作用下，沉没辊的工作寿命一般都较短。沉没辊的频繁更换或维修，不仅降低了作业率，而且劳动强度高，给生产和操作带来诸多不便，造成大量经济损失。

单金属W、Mo、B、C r、W-M o固溶体和金属间化合物FeB + Fe₂B等材料耐液锌腐蚀性能较好, 但较脆。陶瓷材料如A1₂O₃、MgO、SiC等, 能够承受液态金属Zn的腐蚀。但陶瓷件硬度高、脆性大、烧结和加工十分困难。金属表面改性处理是提高金属材料耐液锌腐蚀性能简单而有效的方法, 它将金属与腐蚀介质隔离, 阻止两者的直接接触, 从而保护金属基体免受腐蚀。目前，在连续热浸镀锌生产线上，普遍采用表面涂覆WC-Co涂层的方法来保护锌锅辊。WC系金属陶瓷涂层抗液锌腐蚀性能与涂层粉末的成分、制备方法和喷涂过程有关。具有由金属和金属硼化物或金属碳化物构成的热喷陶瓷涂层元件，以及具有由钴和硼化物或碳化物构成的热熔敷层的元件也已见报道（日本专利JP2001271151；日本专利JP2000144358）。MoB /CoCr金属陶瓷材料是一种比较新的热喷涂材料，与传统涂层相比具有更高的寿命，已经在连续热浸镀锌生产线上获得应用，但实际使用寿命不超过三周（Mizuno H, Kitamura J. MoB/CoCr cermet coatings by HVOF spraying against corrosion by molten Al-Zn alloy. Journal of Thermal Spray Technology, 2007, 16：404-413）。上海交通大学发明了一种大颗粒球形金属陶瓷纳米复合喷涂粉体,其中TiB₂、WB 及稀土粉的粒度均为0.5~1.0 μm, 钴及铬粉粒度小于100 nm。利用该纳米复合粉体, 通过热喷涂工艺制备的辊面涂层, 具有优异的耐磨损、耐高温铝液与锌液腐蚀能力（中国发明专利CN1793048）。Y. C. Dong等采用等离子喷涂ZrO₂和Ni/Al粉末的方法在Fe-(0.35~0.44) wt% C钢表面制备了ZrO₂-Ni/A l梯度涂层，能够显著延长材料在液锌中的使用寿命(Dong Y C, Yan D R, He JN, et al. Degradation behavior of ZrO₂-Ni/Al gradient coatings in molten Zn. Surface & Coatings Technology, 2006, 201：2455-2459)。

综上所述，目前对耐液锌腐蚀材料的研究主要集中在表面改性上。但常用的耐液锌腐蚀涂层普遍具有工艺复杂、价格昂贵、材质脆、易脱落等缺陷, 限制了它们的大范围应用。王文俊等的研究认为，在相当宽的成分范围内，高铌钛铝合金都在锌液中具有良好的耐腐蚀性(中国发明专利CN1804081)。由于Ti-Al-Nb块体合金的室温力学性能欠佳，且价格比较昂贵，故将其作为涂层材料使用是主要方向。而由于Nb的熔点很高，通常的热喷涂工艺均面临较大的困难。电火花沉积作为一种常用的材料表面改性手段，在制作Ti-Al-Nb涂层时具有操作简单、成本低廉、涂层结合力好等独特优点。不过需要注意的是，由于电火花沉积过程中有较大的冲击力，所以对电极材料的力学性能有一定的要求，脆性太高的Ti-Al-Nb合金不能使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便易行的耐熔锌腐蚀涂层的制备方法，能够快捷有效地改善普通钢材的耐熔锌腐蚀性能。

本发明的技术方案是：耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法，该方法利用普通的电火花沉积技术，在氩气保护气氛下通过对电极材料直径、电气参数、沉积次数和沉积时间等进行调整以获得最优性能的耐熔锌腐蚀涂层。

具体实施步骤为：首先将基材表面用240^#、600^#、800^#、1200^#砂纸依次打磨，用乙醇清洗吹干备用；其中，所述基材为奥氏体不锈钢；

然后，将从经过退火处理的Ti-Al-Nb合金铸锭上线切割得到直径为Φ2~8mm圆柱样品作为电极，电极表面用至1200^#砂纸打磨，乙醇清洗吹干，将打磨后的电极安装至旋转沉积枪上，打开氩气侧吹阀门，以使得沉积过程在氩气保护气氛下进行，防止氧化并降低试件和电极温度；

其次，沉积时电极转速为1000~4000r/min，沉积过程分为两部分，首先用较大功率沉积，功率2000W~3000W，比沉积时间为2~5min/cm²，然后用较小功率沉积，500~1000W，比沉积时间为1~3min/cm²；

最后，沉积完成后试件在马弗炉中400℃~600℃保温10~20小时，炉冷至室温，最终得到厚度为50~100微米厚度的Ti-Al-Nb涂层，涂层与基材呈冶金结合。

快速消除沉积时热应力，改善涂层性能，并在涂层表面形成预氧化膜，进一步提高耐熔锌腐蚀性能。

进一步，所述电极材料的Ti-Al-Nb合金需要具有较好的力学性能，成分范围为：Al:20%~50%，Nb:5%~30%，余量为Ti，均为原子百分比。

进一步，所述电极材料Ti-Al-Nb合金铸锭的成分范围为：Al:20%~50%，Nb:5%~30%，Y:0~1%，余量为Ti，均为原子百分比。

本发明的积极效果在于，通过简单的工艺手段，获得50~100微米厚度的Ti-Al-Nb涂层，涂层与基材呈冶金结合，大幅度提高基材的耐熔锌腐蚀性能。涂层在锌液中的腐蚀过程为孕育型腐蚀，460℃锌液中不发生明显腐蚀的孕育期可超过20天。腐蚀的发生由涂层的局部腐蚀开始，而不是大面积涂层脱落，不至于出现锌锅部件的突然损坏。同时，本发明的操作过程非常简便易行，可以很容易地对失效的局部区域进行针对性的修复工作。

附图说明

图1为本发明方法制备的Ti-22Al-27Nb涂层表面形貌示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步和说明。

实施例1：

实验用电极材料的合金名义成分为Ti-45Al-8Nb-0.3Y(原子百分比)，铸锭通过真空非自耗电弧炉熔炼获得，并在1250℃下保温12h作退火热处理。采用本实施方式的电火花沉积涂层制备方法，从铸锭上通过线切割获得电极直径为Φ4mm，用240^#、600^#、800^#、1200^#砂纸逐号打磨，乙醇清洗吹干。基材为304不锈钢，线切割为40×10×3mm试样，同样用砂纸打磨至1200^#，乙醇清洗吹干备用。

将电极安装至旋转沉积枪上，打开侧吹氩气阀门，以使得沉积过程在氩气保护气氛下进行，防止氧化并降低试件和电极温度。沉积时电极转速为1800r/min。沉积过程分为两部分，首先用较大功率沉积，设定功率2800W，比沉积时间为3min/cm²,然后用较小功率沉积，设定功率700W，比沉积时间为2min/cm²。沉积完成后试件在马弗炉中500℃保温16小时，炉冷至室温。最终所得涂层平均厚度为60微米，涂层与基材呈冶金结合。将试件放入装有含Al（质量分数0.2%）的熔融锌的刚玉坩埚中，在井式加热炉中进行460℃等温静态腐蚀实验，每隔2天取出样品一次观察表面形貌。结果表明，试件发生明显腐蚀之前的孕育期为18天。

实施例2：

实验用电极材料的合金名义成分为Ti-22Al-27Nb(原子百分比)，铸锭通过真空非自耗电弧炉熔炼获得，并在1150℃下保温20h作退火热处理。采用本实施方式的电火花沉积涂层制备方法，从铸锭上通过线切割获得电极直径为Φ6mm，用240^#、600^#、800^#、1200^#砂纸逐号打磨，乙醇清洗吹干。基材为304不锈钢，线切割为40×10×3mm试样，同样用砂纸打磨至1200^#，乙醇清洗吹干备用。

将电极安装至旋转沉积枪上，打开侧吹氩气阀门，以使得沉积过程在氩气保护气氛下进行，防止氧化并降低试件和电极温度。沉积时电极转速为1800r/min。沉积过程分为两部分，首先用较大功率沉积，设定功率2400W，比沉积时间为3min/cm²,然后用较小功率沉积，设定功率700W，比沉积时间为2min/cm²。沉积完成后试件在马弗炉中500℃保温16小时，炉冷至室温。最终所得涂层平均厚度为80微米，涂层与基材呈冶金结合。将试件放入装有含Al（质量分数0.2%）的熔融锌的刚玉坩埚中，在井式加热炉中进行460℃等温静态腐蚀实验，每隔2天取出样品一次观察表面形貌。结果表明，试件发生明显腐蚀之前的孕育期为22天。

实施例3：

实验用电极材料的合金名义成分为Ti-25Al-17Nb(原子百分比)，铸锭通过真空非自耗电弧炉熔炼获得，并在1200℃下保温20h作退火热处理。采用本实施方式的电火花沉积涂层制备方法，从铸锭上通过线切割获得电极直径为Φ4mm，用240^#、600^#、800^#、1200^#砂纸逐号打磨，乙醇清洗吹干。基材为316不锈钢，线切割为40×10×3mm试样，同样用砂纸打磨至1200^#，乙醇清洗吹干备用。

将电极安装至旋转沉积枪上，打开侧吹氩气阀门，以使得沉积过程在氩气保护气氛下进行，防止氧化并降低试件和电极温度。沉积时电极转速为1800r/min。沉积过程分为两部分，首先用较大功率沉积，设定功率2400W，比沉积时间为3min/cm²,然后用较小功率沉积，设定功率700W，比沉积时间为2min/cm²。沉积完成后试件在马弗炉中500℃保温16小时，炉冷至室温。最终所得涂层平均厚度为70微米，涂层与基材呈冶金结合。将试件放入装有含Al（质量分数0.2%）的熔融锌的刚玉坩埚中，在井式加热炉中进行460℃等温静态腐蚀实验，每隔2天取出样品一次观察表面形貌。结果表明，试件发生明显腐蚀之前的孕育期为20天。

Claims

1.耐熔锌腐蚀Ti-Al-Nb涂层的电火花沉积方法,其特征在于：该方法具体包括以下步骤：首先将基材表面用240^#、600^#、800^#、1200^#砂纸依次打磨，用乙醇清洗吹干备用；其中，所述基材为奥氏体不锈钢；

将从经过退火处理的Ti-Al-Nb合金铸锭上线切割得到直径为Φ2~8mm圆柱样品作为电极，电极表面和基材一样打磨至1200^#砂纸，乙醇清洗吹干，将打磨后电极安装至旋转沉积枪上，打开氩气侧吹阀门，以使得沉积过程在氩气保护气氛下进行，防止氧化并降低试件和电极温度；

然后，进行沉积，沉积时电极转速为1000~4000r/min，沉积过程分为两部分，首先在功率为2000W~3000W，比沉积时间为2~5min/cm²，然后在功率为500~1000W，比沉积时间为1~3min/cm²；

最后，沉积完成后试件在马弗炉中400℃~600℃保温10~20小时，炉冷至室温，最终得到厚度为50~100微米厚度的涂层，涂层与基材呈冶金结合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极材料Ti-Al-Nb合金铸锭的成分范围为：Al:20%~50%，Nb:5%~30%，余量为Ti，均为原子百分比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极材料Ti-Al-Nb合金铸锭的成分范围为：Al:20%~50%，Nb:5%~30%，Y:0~1%，余量为Ti，均为原子百分比。