CN103103521B - 一种强化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化涂层的制备方法，包括以下步骤：S1，在基体表面制备第一自熔性合金粉涂层，所述第一自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；S2，在步骤S1所得第一自熔性合金粉涂层表面制备混合粉末涂层，所述混合粉末涂层包括混合粉末，所述混合粉末包括钨粉、钛粉和石墨粉；S3，在步骤S2所得混合粉末涂层表面制备第二自熔性合金粉涂层，所述第二自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；S4，将步骤S3所得产物置于感应场中，并离心，采用感应加热下自蔓延-离心法在基体表面制得强化涂层。本发明方法制备的强化涂层致密性更优，耐磨耐腐蚀性能更强，涂层与基体结合性能更好，方法工艺简单，成本低，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合钢管制造领域，具体涉及一种强化涂层的制备方法。
技术背景
目前复合管材的生产方法不多，主要有套构法，离心浇注，双金属离心浇注，复合材料焊接，SHS-离心法（自蔓延-离心法）等。研究发现离心力对自蔓延反应的燃烧过程影响巨大，可以通过离心力控制燃烧过程，SHS-离心法能很好地解决强化相与基体合金之间的界面结合问题，与其他工艺相比，其特点在于：①流程短，操作简单，便于制造筒、套、管、辊类双金属或多层金属铸件；②显著提高金属液的补偿能力。金属中有夹杂时，气泡易向铸件内表面集中，故铸件致密度高，力学性能好，还可解决铸件偏析状况工艺成品率达95～97％；③易实现过程的机械化和自动化；④燃烧波通过试样时产生的高温可将易挥发杂质排除，提高产品纯度；⑤易用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品，达到成本低，效益可观的经济目的，因此越来越受到业界的青睐，但现有制备的复合钢管的强化涂层致密性不佳，耐磨耐腐蚀性能不理想。
发明内容
本发明在于客服现有技术制备的强化涂层致密性不好，耐磨耐腐蚀性能不理想的技术问题，提供一种致密性更优，耐磨耐腐蚀性能更强的强化涂层的制备方法。
本发明提出的强化涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1，在基体表面制备第一自熔性合金粉涂层，所述第一自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；
S2，在步骤S1所得第一自熔性合金粉涂层表面制备混合粉末涂层，所述混合粉末涂层包括混合粉末，所述混合粉末包括钨粉、钛粉和石墨粉；
S3，在步骤S2所得混合粉末涂层表面制备第二自熔性合金粉涂层，所述第二自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；
S4，将步骤S3所得产物置于感应场中，并离心，采用感应加热下自蔓延-离心法在基体表面制得强化涂层。
本发明制备的强化涂层的致密性更优，耐磨耐腐蚀性能更强，涂层与基体结合性能更好。离心的存在使涂层均匀致密，本发明的方法还能保证高温条件下涂层中各物质不发现流淌、移位和损坏等，保证涂层的均匀。且感应加热能使反应产物、镍基和/或铁基自熔性合金粉及外层碳钢钢管的内表面熔化，在离心力作用下，镍基和/或铁基自熔性合金粉可以渗入自蔓延产物的空隙中，并在表面形成均匀不流淌的涂层熔浆，本发明的制备方法中硬质相与粘结相均匀融合，涂层与外层钢管内表面之间实现冶金结合，待产物冷却后，即可制成耐磨的强化涂层。同时感应加热使自蔓延反应更充分，形成的涂层与基体结合性更好。本发明的SHS-离心法感应熔覆金属的方法，原料直接采用合金粉、钨粉、钛粉和石墨粉等，价格较低，大大降低了成本。本发明的制备方法具有方法工艺简单，成本低，特别在应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和冲蚀磨损的环境中具有优异的性能，具有广泛的应用前景。
本发明形成的强化涂层中主要含有TiC/WC/(TiW)C和Ni，材料耐磨耐腐蚀性能强，自蔓延高温合成反应主要为Ti＋W＋C→TiC＋TW＋(TiW)C＋J，利用化学反应自身放热制备材料，能充分利用元素间形成化合物时的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来维持。具有合成时间极短，合成产物晶粒细小，通过控制后续破碎工序，粉末颗粒度可控的优点。
同时本发明采用感应熔覆基体及涂覆层，利用感应线圈通电产生的涡流效应来加热基体及涂覆层，使得涂层熔化与基体粘连，具有周期短、成本低、操作方便的优点。
具体实施方式
本发明提出的强化涂层的制备方法，包括下列步骤：
S1，在基体表面制备第一自熔性合金粉涂层，其中，第一自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉。其中，镍基合金粉、铁基合金粉为自熔性合金粉，优先熔点为850～1150℃。优先，镍基合金粉、铁基合金粉的颗粒直径为15～50μm。制备第一自熔性合金粉涂层的方法本发明没有限制，可以采用本领域技术人员常用的方法，例如可以采用喷涂干粉的方法等，本发明优先第一自熔性合金粉涂层中包括第一粘结剂，将镍基合金粉和/或铁基合金粉与第一粘结剂配置成浆料，涂覆在基体的表面，干燥后得第一自熔性合金粉涂层，方法简单易实现，而且涂覆均匀，厚度可控，粘结力强。优先，第一粘结剂选自松香酒精溶液、聚乙烯醇、水玻璃中的一种或几种，优先的有机粘结剂，在加热时能气化形成气体保护，特别是当涂层复合在钢管内壁时，在半封闭的钢管内更能形成气体保护，进一步能防止合金元素的氧化，进一步优化强化涂层的性能。其中，第一粘结剂与第二粘结剂、第三粘结剂可以相同也可以不同，较佳情况下，制备的浆料黏度可涂敷性能佳。涂覆的方法本发明没有限制，例如可以采用浸润、手工涂覆等，本发明优先涂覆采用离心涂覆的方法。
S2，在步骤S1所得第一自熔性合金粉涂层表面制备混合粉末涂层，所述混合粉末涂层包括混合粉末，所述混合粉末包括钨粉、钛粉和石墨粉。优先，混合粉末中钨粉的重量：钛粉的重量：石墨粉的重量=5：3：10。优先，钨粉的颗粒直径为0.1～30μm；钛粉的颗粒直径为0.1～30μm；石墨粉的颗粒直径为0.1～30μm。可以将钨粉、钛粉和石墨粉混合，其中，钨粉、钛粉和石墨粉混合的方法本发明没有限制，例如可以采用球磨的方法，将钨粉、钛粉和石墨粉的固体粉末混合，球磨的方式可以为滚动球磨、行星球磨、三维摇臂混料或搅拌球磨等。具体的球磨参数可以为：球料比1:1～1:3，转速30～80rpm，球磨时间1～5h，装料系数1/2～3/4；混料完成后，可以将此固体混合粉末干燥保存。优先，混合粉末涂层中包括第二粘结剂，即可以采用将钨粉、钛粉、石墨粉和粘结剂一起制备成浆料后涂覆在第一自熔性合金粉涂层表面，此时钨粉、钛粉和石墨可以采用上述球磨的方法先球磨混合再加入到粘结剂溶液中混匀的方式，也可以采用将钨粉、钛粉和石墨粉分别加入到粘结剂溶液中混匀的方式，在粘结剂溶液中形成混合粉末，其中，钨粉、钛粉和石墨粉的加入顺序本发明没有限制。优先，第二粘结剂选自松香酒精溶液、聚乙烯醇、水玻璃中的一种或几种，优先的有机粘结剂，在加热时能气化形成气体保护，特别是当涂层复合在钢管内壁时，在半封闭的钢管内更能形成气体保护，进一步能防止合金元素的氧化，进一步优化强化涂层的性能。其中，第二粘结剂与第一粘结剂、第三粘结剂可以相同也可以不同，较佳情况下，制备的浆料黏度可涂敷性能佳。涂覆的方法本发明没有限制，例如可以采用浸润、手工涂覆等，本发明优先涂覆采用离心涂覆的方法。
S3，在步骤S2所得混合粉末涂层表面制备第二自熔性合金粉涂层，所述第二自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉。其中，第二自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉与第一自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉可以相同，也可以不同。优先，镍基合金粉、铁基合金粉的熔点为850～1150℃。优先，镍基合金粉、铁基合金粉的颗粒直径为15～50μm。制备第二自熔性合金粉涂层的方法本发明也没有限制，例如可以采用喷涂干粉的方法等，本发明优先第二自熔性合金粉涂层中包括第三粘结剂，将自熔性合金粉与第三粘结剂配置成浆料，涂覆在基体的表面，干燥后得第二自熔性合金粉涂层，方法简单易实现，而且涂覆均匀，厚度可控，粘结力强。优先，第三粘结剂选自松香酒精溶液、聚乙烯醇、水玻璃中的一种或几种，优先的有机粘结剂，在加热时能气化形成气体保护，特别是当涂层复合在钢管内壁时，在半封闭的钢管内更能形成气体保护，进一步能防止合金元素的氧化，进一步优化强化涂层的性能。其中，第三粘结剂与第一粘结剂、第二粘结剂可以相同也可以不同，较佳情况下，制备的浆料黏度可涂敷性能佳。涂覆的方法本发明没有限制，例如可以采用浸润、手工涂覆等，本发明优先涂覆采用离心涂覆的方法。
优先，步骤S3还包括在第二自熔性合金粉涂层表面制备保护涂层，进一步对第二自熔性合金粉涂层形成保护，能进一步防止合金的氧化，防止第二自熔性合金粉涂层的流动破损等。保护涂层包括保护剂，优先，保护剂为SiO2水溶液和/或水玻璃。保护涂层的制备方法也可以采用离心涂覆的方法。
制备的第一自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉质量：混合粉末质量：第二自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉质量=1：1：1。
S4，将步骤S3所得产物置于感应场中，并离心，采用感应加热下自蔓延-离心法在基体表面制得强化涂层。其中，感应场可以采用设置感应线圈的方式实现，将感应线圈布局在产物的周围，例如将步骤S3所得产物置于能通电的感应线圈中。优先，感应加热下自蔓延-离心法中的自蔓延高温反应的加热感应电流为500A。进一步优先，自蔓延高温反应前还包括预热，所述预热的感应电流为300A。优先，感应加热下自蔓延-离心法中的离心加速度为150 ×10-6 m/s2。制得致密均匀耐磨耐腐蚀的表面强化涂层。
本发明以钢管基体内壁复合强化涂层为例，具体的制备工艺可以为：
1、将钨粉、钛粉和石墨粉配置成固体混合粉末，其中，钨粉、钛粉、石墨粉的重量比可以为5:3:10，采用球磨的方式混料，具体的球磨参数可以为：球料比1:1～1:3，转速30～80rpm，球磨时间1～5h，装料系数1/2～3/4；混料完成后，将其干燥保存。
2、按重量比1:1:1称取第一份自熔性合金粉末、步骤1所得混合粉末及第二份自熔性合金粉末，分别将其与粘结剂混合均匀得浆料。第一种粉末浆料为第一份镍基和/或铁基自熔性合金粉末和粘结剂，将第一种粉末浆料放入直钢管内离心涂覆并干燥得第一自熔性合金粉涂层；第二种粉末浆料为步骤1所得混合粉末和粘结剂，将第二种粉末浆料置于直钢管内离心涂覆，待其干燥后，将第三种粉末浆料也置于直管内离心涂覆并干燥，其中，第三种粉末浆料为第二份镍基和/或铁基自熔性合金粉末和粘结剂，最后在最外层离心涂覆一层保护剂溶液。
3、将上述涂覆完成的直钢管置于感应线圈中，并以离心加速度为150g均匀旋转，在300A的电流下先预热直钢管，再在500A的电流下引燃自蔓延高温合成反应，并持续，使其充分反应，后空冷却到室温，得到致密均匀耐磨耐腐蚀的表面强化涂层。
本发明同时提供了一种强化涂层，其中，强化涂层通过上述方法制备得到。
本发明同时提供了一种复合钢管，复合钢管包括钢管基体及钢管基体内壁表面的强化涂层，其中，强化涂层通过上述方法制备得到。
本发明制备的强化涂层的致密性更优，耐磨耐腐蚀性能更强，涂层与基体结合性能更好。离心的存在使涂层均匀致密，本发明的方法还能保证高温条件下涂层中各物质不发现流淌、移位和损坏等，保证涂层的均匀。且感应加热能使反应产物、镍基和/或铁基自熔性合金粉及外层碳钢钢管的内表面熔化，在离心力作用下，镍基和/或铁基自熔性合金粉可以渗入自蔓延产物的空隙中，并在表面形成均匀不流淌的涂层熔浆，本发明的制备方法中硬质相与粘结相均匀融合，涂层与外层钢管内表面之间实现冶金结合，待产物冷却后，即可制成耐磨的强化涂层。同时感应加热使自蔓延反应更充分，形成的涂层与基体结合性更好。本发明的SHS-离心法感应熔覆金属的方法，原料直接采用合金粉、钨粉、钛粉和石墨粉等，价格较低，大大降低了成本。本发明的制备方法具有方法工艺简单，成本低，特别在应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和冲蚀磨损的环境中具有优异的性能，具有广泛的应用前景。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详述。
实施例1：
称取钨粉150g，钛粉90g，石墨粉300g，放入球磨罐中，加入2000g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速50rpm，装料系数0.7，球磨时间3h得混合粉末。称取镍基自熔合金粉末Ni60A1080g并均分成两份，每份540g，将上述混合粉末及两份镍基自熔合金粉末分别用有机粘结剂聚乙烯醇溶液（浓度为2％）30ml，搅拌混合15min，调制成浆料，先将一份Ni60A浆料置于转速为120 rpm离心机下涂覆，待干燥后将配置好的钨钛碳混合浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后再将另一份Ni60A浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后将SiO2水溶液离心熔覆于表面。将上述涂覆完成的直管置于感应线圈中，并以离心加速度为150g均匀旋转，在300A的电流下先预热直管，在500A的电流下引燃自蔓延高温合成反应，并持续提供外加热源使其充分反应，空冷至室温即可得到耐磨耐腐蚀的表面强化涂层。
实施例2：
称取钨粉100g，钛粉60g，石墨粉200g，放入球磨罐中，加入1500g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速60rpm，装料系数0.6，球磨时间4h得混合粉末。称取镍基自熔合金粉末Ni60A720g并均分成两份，每份360g，将上述混合粉末及两份镍基自熔合金粉末分别用有机粘结剂松香酒精溶液（浓度为6％）25ml，搅拌混合15min，调制成浆料，先将一份Ni60A浆料置于转速为100 rpm离心机下涂覆，待干燥后将配置好的钨钛碳混合浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后再将另一份Ni60A浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后将SiO2水溶液离心熔覆于表面。将上述涂覆完成的直管置于感应线圈中，并以离心加速度为150g均匀旋转，在300A的电流下先预热直管，在500A的电流下引燃自蔓延高温合成反应，并持续提供外加热源使其充分反应，空冷至室温即可得到耐磨耐腐蚀的表面强化涂层。
实施例3：
称取钨粉200g，钛粉120g，石墨粉400g，放入球磨罐中，加入2500g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速45rpm，装料系数0.75，球磨时间3.5h得混合粉末。称取镍基自熔合金粉末Ni60A1440g并均分成两份，每份720g，将上述混合粉末及两份镍基自熔合金粉末分别用有机粘结剂松香酒精溶液（浓度为6％）50ml，搅拌混合15min，调制成浆料，先将一份Ni60A浆料置于转速为150 rpm离心机下涂覆，待干燥后将配置好的钨钛碳混合浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后再将另一份Ni60A浆料置于同转速的离心机下涂覆，待干燥后将SiO2水溶液离心熔覆于表面。将上述涂覆完成的直管置于感应线圈中，并以离心加速度为150g均匀旋转，在300A的电流下先预热直管，在500A的电流下引燃自蔓延高温合成反应，并持续提供外加热源使其充分反应，空冷至室温即可得到耐磨耐腐蚀的表面强化涂层。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和变化，这些变形和变化都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1，在基体表面制备第一自熔性合金粉涂层，所述第一自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；
S2，在步骤S1所得第一自熔性合金粉涂层表面制备混合粉末涂层，所述混合粉末涂层包括混合粉末，所述混合粉末包括钨粉、钛粉和石墨粉；所述混合粉末中钨粉的重量：钛粉的重量：石墨粉的重量＝5:3:10；
S3，在步骤S2所得混合粉末涂层表面制备第二自熔性合金粉涂层，所述第二自熔性合金粉涂层包括镍基合金粉和/或铁基合金粉；
S4，将步骤S3所得产物置于感应场中，并离心，采用感应加热下自蔓延-离心法在基体表面制得强化涂层。
2.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述感应加热下自蔓延-离心法中的自蔓延高温反应的加热感应电流为500A。
3.根据权利要求2所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述自蔓延高温反应前还包括预热，所述预热的感应电流为300A。
4.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述感应加热下自蔓延-离心法中的离心加速度为150×10-6m/s2。
5.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述第一自熔性合金粉涂层中包括第一粘结剂；所述混合粉末涂层中包括第二粘结剂；所述第二自熔性合金粉涂层中包括第三粘结剂；所述第一粘结剂、第二粘结剂及第三粘结剂分别独立的选自松香酒精溶液、聚乙烯醇、水玻璃中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述第一自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉质量：混合粉末质量：第二自熔性合金粉涂层中的自熔性合金粉质量＝1:1:1。
7.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括在第二自熔性合金粉涂层表面制备保护涂层，所述保护涂层包括保护剂，所述保护剂为SiO2水溶液和/或水玻璃。
8.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，制备所述第一自熔性合金粉涂层的方法为离心涂覆；制备所述混合粉末涂层的方法为离心涂覆；制备所述第二自熔性合金粉涂层的方法为离心涂覆。
9.根据权利要求1所述的强化涂层的制备方法，其特征在于，所述钨粉的颗粒直径为0.1～30μm；所述钛粉的颗粒直径为0.1～30μm；所述石墨粉的颗粒直径为0.1～30μm；所述镍基合金粉的颗粒直径为15～50μm，熔点为850～1150℃；所述铁基合金粉的颗粒直径为15～50μm，熔点为850～1150℃。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150513 Termination date: 20200124 |