CN103194711A

CN103194711A - 一种制备具有较高热导率的铁基涂层用粉芯丝材及涂层的制备方法

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Publication number: CN103194711A
Application number: CN2013101344562A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 周正; 魏建勋; 蒋建敏; 崔丽; 王智慧; 李晓延
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103194711B

Abstract

一种制备具有较高热导率的铁基涂层用粉芯丝材及涂层的制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：B17硼铁粉:17.5-77.5wt.%；高碳铬铁粉:7-15wt.%；45号硅铁粉:0-4wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量；粉芯丝材外皮所用带材为Fe-Cr带；粉芯丝材填充率：30%。用电弧喷涂制备具有较高热导率的铁基涂层时，喷涂工艺采取：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。本发明可获得硬度高、传热能力好的涂层。

Description

一种制备具有较高热导率的铁基涂层用粉芯丝材及涂层的制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法，特别涉及一种采用电弧喷涂方法制备具有较高热导率的铁基涂层的粉芯丝材、涂层的制备方法，该发明主要应用于提高金属设备传热能力等工业领域。

背景技术

随着国民经济的发展，工矿机器设备的传热问题已受到广泛关注。如何提高机器部件的传热性能（提高热导率），减少部件的热损伤，高效利用能源，这些问题已经成为学者们注意的焦点。以造纸烘缸为例，其所用的热喷涂材料大多注重耐腐蚀性及耐磨性，却忽略了其热传输性能，这无疑不利于烘缸整体传热性能的提升。而纸机干燥部的设备费用占整个纸机动力消耗的50%，蒸汽消耗占纸的生产成本的5%—15%。从节能环保、降低成本的目的出发，要提高热传输能力。提高热传输能力便可降低蒸汽压，烘缸壁厚也可减薄，烘缸质量下降则传动耗能同时降低。

随着对涂层传热性能要求的不断提高，研究新型高传热涂层已成为涂层科学发展的新趋势。而目前国内鲜有将实验重点着眼于提高铁基涂层的传热能力的报道。一般来说，铸造金属基体的传热能力远胜于表面铁基喷涂层，而热量须由铸造金属基体传导至涂层，再由涂层传导至外界，涂层传热能力不佳便造成了整体传热能力的大幅下降。因此在保证满足耐磨耐蚀的要求同时，应着重提升涂层传热能力。而评价传热能力高低的参数为热导率，热导率越高，涂层传热能力越强。

爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、离子喷涂等喷涂等工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。而电弧喷涂因具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备热喷涂层的主要制备方法。

经检索，目前并无采用电弧喷涂制备具有较高热导率铁基涂层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明旨在获得一种采用电弧喷涂制备具有较高热导率的铁基涂层的粉芯丝材、涂层制备方法及应用。利用铁铬碳合金具备耐蚀、耐磨性及涂层整体较低孔隙率、较少的氧化物含量的特性来改善涂层的服役性能，并强化铁基涂层传热性能，为获得更高热能利用率创造可能。

一种采用电弧喷涂制备具有较高热导率的铁基涂层的粉芯丝材，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：B17硼铁粉:17.5-77.5wt.%；高碳铬铁粉:7-15wt.%；45号硅铁粉:0-4wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量；粉芯丝材外皮所用带材为Fe-Cr带；粉芯丝材填充率：30%。

所述粉芯丝材外皮所用带材优选为430不锈钢带。

优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：B17硼铁粉:24.5-62.5wt.%；高碳铬铁粉:9-13wt.%；45号硅铁粉:1-3wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量。

进一步优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：B17硼铁粉:45.5-56.5wt.%；高碳铬铁粉:11-12wt.%；45号硅铁粉:2-2.5wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量。

采用本发明上述粉芯丝材制备一种具有较高热导率的铁基涂层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将本发明上述粉芯丝材进行粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材。

步骤2，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：180-200mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。

步骤2所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：190mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa，制备涂层。

采用上述方法制备的一种具有较高热导率的铁基涂层；将此涂层应用于金属设备的传热部件上。

一种采用电弧喷涂方法制备具有较高热导率的铁基涂层所具有的热传输是其自身组分所决定的。其作用为：

Fe与Cr元素：Fe为基础元素，拥有较高的热导率，其热导率可达78.4W/mK；Cr元素氧化物形成的吉布斯自由能低于Fe元素氧化物形成的吉布斯自由能，因此Cr较Fe先生成氧化物。形成Cr₂O₃氧化膜可有效地包裹喷涂粒子，隔绝粒子与氧的接触，可减少涂层氧化并增加涂层的抗蚀性。

B元素：B生成氧化物的吉布斯自由能相较最低，因此最先生成氧化物。加入B可显著减少涂层中氧化物的数量，提高涂层的传热性能，还可降低晶界化学能，增强晶粒间结合力。

Si元素：与B联合起脱氧作用，并起到一定的粗化晶粒提升热导率的作用。

C元素：与Cr元素发生反应形成C₇C₃、Cr₂₃C₆金属陶瓷增强相，改善涂层耐磨骨架，提高涂层硬度，增强涂层耐磨性。

涂层中的各个元素都是常规的元素，而涂层的传热能力是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。

一种采用电弧喷涂方法制备具有较高热导率的铁基涂层的粉芯丝材及涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂在材料表面制备涂层后，涂层具有较高的热导率及较高的硬度。可显著提高金属设备传热部件的传热能力。

附图说明

图1实施例1-4涂层显微硬度的变化规律；

图2实施例1-4涂层室温热导率的变化规律；

图3实施例3涂层X射线衍射图谱；

图4实施例3涂层的扫描电镜照片；

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm（宽度为12mm，厚度为0.3mm）的430不锈钢带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；

2.涂层模具采用钻孔（孔径Ф10mm，深度3mm）的石墨板，在石墨模具上进行电弧喷涂借以获得纯涂层组织；

3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明；每次喷涂厚度不超过100μm，分多次喷涂至2500μm左右。

实施例1

粉芯丝材药芯成分为：B17硼铁粉:350克；高碳铬铁粉:222克；45号硅铁粉:46克；铁粉:1382克。填充率:30%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例2

粉芯丝材药芯成分为：B17硼铁粉:702克；高碳铬铁粉:222克；45号硅铁粉:46克；铁粉:1022克。填充率:30%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例3

粉芯丝材药芯成分为：B17硼铁粉:1120克；高碳铬铁粉:222克；45号硅铁粉:48克；铁粉:610克。填充率:30%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A;喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例4

粉芯丝材药芯成分为：B17硼铁粉:1548克；高碳铬铁粉:226克；45号硅铁粉:46克；铁粉:188克。填充率:30%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A;喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

各实施例所制备涂层性能检测如下所述：

1.实施例所制备涂层进行显微硬度测试中，使用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷200g，持续时间15s，取7点显微硬度平均值；

2.对实施例所制备涂层进行室温热导率测试，采用TC-7000H型激光热导仪。测试参数如下：温度：20-25℃；涂层试样表面经过砂纸打磨具有金属光泽，试样尺寸为直径Ф10mm，厚度1.5mm；涂层的热导率（单位W/mK）由α（热扩散系数）×Cp（热容）×ρ（密度）求得，其中α和Cp由TC-7000H型激光热导仪测得，ρ由阿基米德排水法测得。

3.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。

通过综合考虑实施例1-4涂层孔隙率、显微硬度、热导率，实施例1-4涂层显微硬度变化规律见图1，实施例1-4涂层的热导率变化规律见图2，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得具有较高热导率的铁基涂层。实施例3涂层的X射线衍射图谱见图3，实施例3涂层的截面扫描电镜照片见图4。

表1实施例1-14孔隙率

Claims

1.一种用电弧喷涂制备具有较高热导率的铁基涂层的粉芯丝材，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：B17硼铁粉:17.5-77.5wt.%；高碳铬铁粉:7-15wt.%；45号硅铁粉:0-4wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量；粉芯丝材外皮所用带材为Fe-Cr带；粉芯丝材填充率：30%。

2.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带。

3.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：药芯成分质量百分含量范围为：B17硼铁粉:24.5-62.5wt.%；高碳铬铁粉:9-13wt.%；45号硅铁粉:1-3wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量。

4.按照权利要求3的一种粉芯丝材，其特征在于：药芯成分质量百分含量范围为：B17硼铁粉:45.5-56.5wt.%；高碳铬铁粉:11-12wt.%；45号硅铁粉:2-2.5wt.%；铁粉及不可避免的杂质:余量。

5.一种采用权利要求1的任一粉芯丝材制备具有较高热导率的铁基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤2所述的喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：190mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。

7.采用权利要求5-6的任一方法所制备的一种具有较高热导率的铁基涂层。