CN103255364A - 一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材 - Google Patents

Abstract

一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，所述的粉芯丝材由粉芯和外皮组成，外皮为430不锈钢钢带，其粉芯由六种金属合金粉末混合而成，其特征在于所述的粉芯成分质量百分比含量范围如下：28%-35%Cr、2%－4%B、0.5%－1.5%Si、1%－2%Mn、0.5%－1.5%Nb、余量Fe。其制备方法为：将430不锈钢钢带扎成U形，向U形槽中加粉系数为36%-42%；然后将U形槽合口，把粉末包覆其中，经拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2.0mm。采用本发明研制粉芯丝材制备的涂层具有纳米结构，纳米晶尺寸为40-95nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%，该涂层具有优异的耐磨、耐蚀性能和抗高温冲蚀性能。本发明可广泛用于大面积长效防腐或耐磨涂层的制备，能显著提高机械零部件的服役寿命。

Description

一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材

技术领域    

本发明涉及一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用于制备大面积防护涂层的电弧喷涂材料，可应用于钢结构的长效防腐、耐磨和高温冲蚀等环境。

背景技术

与晶态材料相比，亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料。然而，目前这些材料还没有大范围推广应用，主要是其制备工艺过程难以控制，在实际中很难制备大块非晶纳米晶材料，其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等低维度形状上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其应用。相对而言，非晶纳米晶涂层的制备过程比较容易实现。在众多涂层制备方法中，热喷涂技术是一种极具竞争力的技术，同时也是非常有发展前景的技术。其中高速电弧喷涂技术具有设备简单、高效，低成本、涂层性能优异及适宜现场原位大面积施工等优点。由于电弧喷涂单个粒子的凝固速率为10^-7-10^-5K/s，具备了非晶形成的条件，只要材料成分设计合理，就能够得到纳米结构涂层。利用高速电弧喷涂技术制备非晶纳米晶涂层是对非晶纳米晶合金制备技术的新拓展，也是对传统电弧喷涂技术的革新。

高速电弧喷涂制备铁基非晶纳米晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，在非晶纳米晶涂层制备方面，据田浩亮等人在《材料科学与工艺》（2012 20(1): 108-113）上报道，利用高速电弧喷涂技术制备了FeAlNbB非晶纳米晶涂层，其纳米晶尺寸约为14.1nm。 梁秀兵等人（《装甲兵工程学院学报》2010 24(6):81-84）利用电弧喷涂制备了FeAlCrNbB金属间化合物复合涂层，但该涂层纳米晶含量较低。郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》（《金属学报》2007 43(7):780-784）中的描述，已成功地利用电弧喷涂方法制备出了材料成分为FeCrBSiMoWMn的非晶纳米晶涂层，该涂层具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等利用电弧喷涂铁基粉芯丝材(FeCrNiBC)，获得了49％非晶含量的涂层，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国Nanosteel公司的SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备了非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有良好的抗高温冲蚀性能。虽然上述的粉芯丝材制备出的涂层具有非晶纳米晶结构和良好的力学性能，但涂层中Cr的含量均小于35wt.%，这在一定程度上限制了涂层在耐磨、防腐及抗高温冲蚀等力学性能的进一步提升；而且由于其材料成分体系设计不尽合理，获得的涂层纳米晶含量较低，且分布不均匀，直接影响了涂层质量与性能。因此，研发出具有高Cr含量的纳米结构且成本相对较低、优异力学性能的电弧喷涂铁基纳米晶结构涂层用粉芯丝材仍然具有重大的意义。

发明内容

针对过去电弧喷涂丝材制备涂层中Cr和纳米晶含量较低且分布不均匀等问题，本发明提供了一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出涂层组织结构致密，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。该涂层可应用于钢结构的长效防腐、耐磨和高温冲蚀等环境，并且具有成本较低等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由六种元素粉末混合而成，粉芯成分质量百分比含量范围如下：28%-35% Cr、2%－4% B、0.5%－1.5% Si、1%－2% Mn、0.5%－1.5% Nb、余量Fe；粉芯的填充率为36%-42%，粉芯丝材的直径为2mm。采用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。

本发明粉芯丝材的制备方法包括以下步骤：

1. 将430不锈钢钢带扎成U形，再向U形槽中加入占粉芯丝材总重为40％的粉芯粉末；

2. 将U形槽的430不锈钢钢带合口，把粉芯粉末包覆其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后得到的粉芯丝材直径为2mm。

本发明有益的效果：合理设计粉芯各组分的含量，采用高速电弧喷涂技术可在冷却的钢基体上形成低氧化物含量、致密、均匀分布的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。该涂层具有优异的耐磨防腐和抗高温冲蚀性能。

附图说明

附图1：实施例1制备纳米结构涂层的X射线衍射图谱

附图2：实施例2制备纳米结构涂层的微观组织（TEM）形貌

附图3：实施例3制备纳米结构涂层的截面形貌。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：28% Cr、4% B、0.5% Si、1% Mn、1.5% Nb、余量Fe，称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为40％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流为130A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例1制备纳米结构涂层的X射线衍射图谱见图1。对实施例1制备的纳米结构涂层利用HVS－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果表明涂层的平均显微硬度为985HV_0.1。结合强度测试结果表明，涂层平均结合强度为54.8MPa。

实施例2：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：30% Cr、3% B、1% Si、2% Mn、1% Nb、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为39％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流110A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

图2是实施例2制备纳米结构涂层的TEM（透射电镜）形貌，可以看出制备的涂层微观组织为纳米结构，其纳米晶尺寸为40-95 nm。涂层的平均结合强度为53.7 MPa。涂层的平均显微硬度为1067HV_0.1。

实施例3：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：35% Cr、2% B、0.5% Si、1.5% Mn、0.5% Nb、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为40％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例3制备纳米结构涂层的截面形貌如图3所示。可以看出：涂层呈层状结构，其组织均匀，结构致密，经灰度法分析涂层的孔隙率为2.8%；涂层平均结合强度为50.6MPa。

Claims (2)

1.一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由六种元素粉末混合而成，粉芯成分质量百分比含量范围如下：28%-35% Cr、2%－4% B、0.5%－1.5% Si、1%－2% Mn、0.5%－1.5% Nb、余量Fe；粉芯的填充率为36%-42%，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。

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