中高温炉辊表面超音速火焰喷涂方法
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域,尤其涉及一种中高温炉辊表面喷涂修复的喷涂方法。
背景技术
炉辊是带钢连续生产线上热处理设备中的关键部件,炉辊的表面质量直接影响带钢的表面质量,如带钢表面划伤、积瘤、污点等,因此提高炉辊的表面质量十分必要。目前,对于带钢连续生产线上的炉辊,采用热喷涂层进行表面处理,可以有效地抑制喷涂材料中粉末的氧化分解,尤其是超音速火焰喷涂制备碳化物类金属陶瓷涂层,喷涂中较低的焰流温度使得大部分碳化物硬质相保留下来,得到的涂层孔隙率低、硬度高、耐磨性好,但涂层中仍存在不少孔隙,使用后影响带钢的表面质量。针对如何进一步降低热喷涂涂层的孔隙率,常规方法有重熔处理、封孔处理。金属陶瓷涂层高温稳定性好,但不宜进行重熔处理;多数采用封孔处理,利用有机的或无机的封孔剂来填充涂层中的孔隙,有机封孔剂的环氧树脂多只附于表面,对于工作温度较高的中高温炉辊而言,不能持续工作,工作时间短,封孔剂失效,腐蚀介质通过涂层孔隙进入,腐蚀炉辊,炉辊使用寿命大大降低;无机封孔剂处理的表面硬度低、耐磨性差,炉辊使用寿命也会大大降低。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点,本发明的目的是提供一种中高温炉辊表面超音速火焰喷涂方法,降低涂层的孔隙率,改善炉辊表面性能,提高炉辊的使用寿命。
中高温炉辊表面超音速火焰喷涂方法,按以下步骤进行:
1、炉辊喷涂前预处理
1)炉辊表面除锈,至炉辊表面光洁;
2)炉辊表面喷砂,达到一定的粗糙度,粗糙度根据涂层的性质、用户的要求决定;
2、封孔剂配置
1)封孔剂的组成:用硅酸锆醇盐作封孔剂,将PEG200(聚乙二醇)、纯净水、硅酸锆和乙醇按重量百分比配制混合均匀,即PEG200:30~50%、纯净水15~25%、:硅酸锆:10~20%、乙醇:25~45%;
2)制备的条件
常温常压下,将硅酸锆添加到普通的玻璃容器中,然后加PEG200、纯净水和乙醇,搅拌均匀,待用;
3、炉辊用夹具固定在喷涂设备上,转动速度根据炉辊的大小决定,控制喷涂设备机械手的移动速度,炉辊转一圈机械手移动5mm;
4、喷涂,开启设备进行喷涂
1)喷枪:选用WokaStar®640喷枪;
2)喷涂材料:Cr3C2-25%NiCr粉末,粒度为15~45μm,其粉末成分如下(重量百分比): Ni:18~22% C:9~11% O:max.0.6% Cr:其余;
3)氧气消耗量:780~880标准升/分钟;
4)煤油消耗量:22.0~23.0升/小时;
5)送粉速度:(25.0~30.0)×2克/分钟;
6)喷涂距离:320~360毫米;
7)喷涂层数:15~25;
喷涂结束后在空气中冷却至室温,并用气枪吹净涂层表面;
5、涂抹封孔剂
刷涂封孔剂
将封孔剂均匀、薄薄的涂覆于热喷涂涂层表面,并使其充分渗入于涂层孔隙中;
6、固化处理
将封孔后的热喷涂层自然晾干2~4小时,然后放到加热炉内进行固化加热加热到150℃~300℃保温1~3小时;
7、抛光处理:根据炉辊最终表面粗糙度要求选择合适规格的金刚石砂轮或金刚石砂带磨削或抛光热喷涂层,使其涂层的表面粗糙度达到工艺要求;
8、磨损测试:利用销盘式高温摩擦磨损仪对涂层进行磨损测试,参数为:载荷20 N,转速637 r/min,时间3600
s,温度500 ℃。
本发明还提供一种采用上述喷涂方法制得的涂层,其厚度为50~100μm,孔隙率<1%,硬度为HV1775~950,结合强度>70MPa。
与现有技术相比,优点是涂层与基体的结合好,具有较高的结合强度和较高的抗剥落性;涂层组织致密,涂层的孔隙率降低到1%以下;涂层喷涂时保留大部分的Cr3C2硬质相,使得涂层硬度高,提高涂层的耐磨性,延长使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是Cr3C2-25%NiCr粉末的SEM图片;
图2是实例1中超音速火焰喷涂层的截面金相图;
图3是实例1中超音速火焰喷涂层截面的SEM图片;
图4是实例1中涂层的XRD图谱;
图5是实例1中涂层封孔后截面的SEM图片;
图6是实例1中封孔层表面划痕测试图;
图7是实例1中涂层摩擦磨损曲线图;
图8是实例1中涂层磨损后的涂层磨损后表面的SEM图;
图9是实例1中涂层磨损面的能谱检测图;
图10是图9中A点的能谱图;
图11是图9中B点的能谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例包括以下步骤:
中高温炉辊表面超音速火焰喷涂方法,按以下步骤进行:
1)炉辊表面除锈,至炉辊表面光洁;
2)炉辊表面喷砂,达到一定的粗糙度,粗糙度根据涂层的性质、用户的要求决定;
2、封孔剂配置
1)封孔剂的组成:用硅酸锆醇盐作封孔剂,将PEG200(聚乙二醇)、纯净水、硅酸锆和乙醇按重量百分比配制混合均匀,即PEG200:30%、纯净水20%、硅酸锆:15%、乙醇:35%;
2)制备的条件
常温常压下,将硅酸锆添加到普通的玻璃容器中,然后加PEG200、纯净水和乙醇,搅拌均匀,待用;
3、炉辊用夹具固定在喷涂设备上,转动速度根据炉辊的大小决定,控制喷涂设备机械手的移动速度,炉辊转一圈机械手移动5mm;
4、喷涂,开启设备进行喷涂
1)喷枪:选用WokaStar®640喷枪;
2)喷涂材料:Cr3C2-25%NiCr粉末,粒度为15~45μm,其粉末成分如下(重量百分比): Ni:18~22% C:9~11% O:max.0.6% Cr:其余;
3)氧气消耗量:838标准升/分钟;
4)煤油消耗量:22.0升/小时;
5)送粉速度:25.0×2克/分钟;
6)喷涂距离:320毫米;
7)喷涂层数:22;
喷涂结束后在空气中冷却至室温,并用气枪吹净涂层表面;
5、涂抹封孔剂
刷涂封孔剂
将封孔剂均匀、薄薄的涂覆于热喷涂涂层表面,并使其充分渗入于涂层孔隙中;
6、固化处理
将封孔后的热喷涂层自然晾干2小时,然后放到加热炉内进行固化加热加热到200℃保温2.5小时;
7、抛光处理:根据炉辊最终表面粗糙度要求选择合适规格的金刚石砂轮或金刚石砂带磨削或抛光热喷涂层,使其涂层的表面粗糙度达到工艺要求;
8、磨损测试:利用销盘式高温摩擦磨损仪对涂层进行磨损测试,参数为:载荷20 N,转速637 r/min,时间3600
s,温度500 ℃。
本发明还提供一种采用上述喷涂方法制得的涂层,其厚度为50~100μm,孔隙率<1%,硬度为HV1775~950,结合强度>70MPa。
喷涂工艺参数列于表1中,检验结果列于表2中。
实施例2
同实施例1方法进行处理,喷涂工艺参数列于表1中,检验结果列于表2中。
实施例3
同实施例1方法进行处理,喷涂工艺参数列于表1中,检验结果列于表2中。
表1 实施例工艺参数
|
单位 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
氧气流量 |
L/m |
838 |
858 |
878 |
燃料流量 |
L/h |
22.0 |
22.5 |
23.0 |
送粉速度 |
g/min |
25.0×2 |
27.5×2 |
30.0×2 |
喷射距离 |
mm |
320 |
340 |
360 |
喷涂层数 |
|
22 |
20 |
18 |
PEG200 |
% |
30 |
30 |
30 |
纯净水 |
% |
20 |
25 |
15 |
硅酸锆 |
% |
15 |
20 |
20 |
乙醇 |
% |
35 |
25 |
35 |
自然晾干时间、固化温度及时间 |
|
2h、200℃、保温2.5h |
3h、250℃、保温2h |
4h、300℃、保温2h |
表2 检验结果
|
单位 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
涂层厚度 |
mm |
0.098 |
0.091 |
0.087 |
结合强度 |
MPa |
75 |
82 |
78 |
孔隙率 |
% |
0.58 |
0.55 |
0.64 |
表面硬度 |
HV1 |
884.6 |
912.2 |
875.4 |
如图1所示,对喷涂所用粉末进行扫描电子显微镜观察微形貌,粉末颗粒呈球形,由软粘结相包覆有规则形状的硬质相颗粒组成,粉末粒度在40um左右,粒度分布均匀;
如图2和3所示,对涂层截面进行金相和扫描组织观察,涂层与基体结合良好,涂层中无明显缺陷和大的孔洞,孔隙率为0.58 %;所述的涂层厚度为98 um;
如图4所示,对涂层进行物相检测,XRD图谱反映出喷涂过程中部分碳化物(Cr3C2)的脱碳分解产生了Cr7C3相,且部分Cr氧化产生Cr2O3,脱碳分解可能会影响涂层的硬度和耐磨性,但分解量很小,影响不会很大;
如图5所示,对涂层封孔后的截面进行SEM观察,涂层变得更加致密,可以明显观察到封孔层附着于涂层表面;
如图6所示,为封孔层表面划痕测试图,上部分为测试数据图,下部分为划痕表面形貌图,结合数据曲线过渡转折位置和下图中破碎过渡位置,可以确定封孔层的结合力在15N左右;
如图7所示,对涂层进行高温摩擦磨损测试,测试温度为500℃,加载载荷为20N,得到摩擦力和摩擦系数曲线图,由图可见整个磨损阶段中,摩擦力和摩擦系数变化很小,均呈现逐渐降低趋于平缓的趋势,摩擦系数始终维持在0.28左右,可见涂层在磨损中无明显变化,显示了较稳定的抗磨损性能;
如图8、9、10、11所示,对涂层磨损后的表面进行扫描电镜观察和能谱检测,磨痕SEM图中未发现开裂和脱落,涂层磨损有粘着磨损痕迹,能谱检测的W可能来自对磨球(硬质合金WC)磨损时的磨屑,氧的来源有两种可能:一种是涂层内部的铬的氧化物,另一种是磨损时产生的氧化,但氧的含量相对较少,说明涂层磨损时的氧化并不明显,且铬的氧化物具有较好的耐磨性有利于涂层的磨损。