CN103911560A

CN103911560A - 一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103911560A
Application number: CN201410149198.XA
Authority: CN
Inventors: 邓宇; 余圣甫; 雷鸿源
Original assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明公开了一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层，所述涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.10-0.80%、硅0.10-0.70%、锰0.85-2.00%、镍2.50-4.50%、硼1.00-2.50%、铬12.00-20.00%、铌0.05-0.35%、钛0.15-1.00%、钒0.05-0.45%、氮0.02-0.30%、稀土铈0.03-0.18%、铁余量。本发明的涂层成形良好，涂层组织均匀，结构致密，孔隙率不大于3.0％；本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层显微硬度平均值为568HV_0.1，最高达593HV_0.1；本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层结合强度达到48.2MPa；本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的耐磨性是4Cr13钢的1.60倍。

Description

一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属涂层材料技术领域，尤其涉及一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层及其制备方法。

背景技术

材料及其构件由于磨损引起早期失效与报废，造成了能源与材料的极大浪费。据各国多年来对此进行的调查和统计表明，仅磨损造成的损失就占国民经济总产值的1%左右。各类磨损所引起的失效往往发生于材料及其构件的表面，为了提高零件的可靠性，延长使用寿命，许多国家都在努力研究和应用各种提高零件表面性能的新技术和新工艺，开发了大批实用、先进、高效的表面工程技术。应用表面技术，修复或强化零件表面，制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，已成为了现代工业发展的关键技术之一。

相对于其它热喷涂方法，电弧喷涂由于具有设备简单、操作方便、效率较高、成本较低的特点而开始得到应用。近年来，用电弧喷涂进行耐磨涂层的研究取得一些成果，但还存在许多不足，如大多涂层与基体的结合强度不高，由于保护不好而氧化物多，涂层结构不致密，涂层不具备良好的综合性能等。目前制备电弧喷涂耐磨涂层主要采用碳强化的合金丝材，不过这种丝材存在碳化物易长大、脱落而致使结合强度不高的问题。

发明内容

为了解决目前的抗磨损涂层存在的缺点，本发明提供了一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.10-0.80%、硅0.10-0.70%、锰0.85-2.00%、镍2.50-4.50%、硼1.00-2.50%、铬12.00-20.00%、铌0.05-0.35%、钛0.15-1.00%、钒0.05-0.45%、氮0.02-0.30%、稀土铈0.03-0.18%、铁余量。

优选：本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.25-0.60%、硅0.15-0.50%、锰1.00-1.50%、镍2.90-3.30%、硼1.50-2.00%、铬15.00-18.00%、铌0.10-0.25%、钛0.45-0.70%、钒0.10-0.30%、氮0.05-0.20%、稀土铈0.07-0.17%、铁余量。

更优选：本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.40%、硅0.36%、锰1.37%、镍3.13%、硼1.80%、铬16.10%、铌0.16%、钛0.52%、钒0.20%、氮0.10%、稀土铈0.16%、铁余量。

制备本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的方法的具体步骤如下：

（1）确定制备电弧喷涂药芯丝材的材料

选用尺寸15mm×0.5mm的H08A优质碳钢钢带作为电弧喷涂药芯丝材的金属外皮；

（2）制备碳氮合金化耐磨合金药芯丝材

首先根据设计的碳氮合金化粉芯丝材配方配制合金粉末，然后在多功能药芯丝材轧制机上制备直径为Φ3.0mm的碳氮合金化药芯丝材；

（3）制备过渡涂层

使用Ni95Al5合金丝材，通过高速电弧喷涂设备ZPG-400B型电弧喷涂机在喷涂试样表面制备过渡涂层，其厚度约为0.10mm，喷涂试样尺寸为80mm×40mm×5mm，材质为Q235低碳钢，喷涂前需对试件清除油污、铁锈，用金刚砂对试件表面进行喷砂粗化处理，喷涂时电弧喷涂工艺参数：喷涂电压31V，喷涂电流250A，雾化空气压力0.5MPa，喷涂距离210mm；

（4）制备工作涂层

使用碳氮合金化药芯丝材，通过高速电弧喷涂设备ZPG-400B型电弧喷涂机在所制备的过渡涂层表面制备工作涂层，工作涂层厚度约为0.60mm，喷涂时采用电弧喷涂工艺参数：喷涂电压31V，喷涂电流250A，雾化空气压力0.5MPa，喷涂距离210mm。

步骤（1）中，H08A碳钢带是由以下重量百分比的元素组成：碳0.08%、锰0.47%、硅0.035%、镍0.25%、铬0.10%、硫≤0.03%、磷≤0.03%、铁余量。

步骤（2）中，碳氮合金化药芯丝材是由以下重量百分比的原料组成：低碳铬铁≤30%、高碳铬铁≤28%、硅铁≤4%、电解金属锰≤5%、氮化铬5%、钒铁≤6%、钛铁2%、铌铁≥4%、还原铁粉11%、氧化铈≤5%。

步骤（3）和步骤（4）中，ZPG-400B型电弧喷涂机中配有QDIII-250型高速电弧喷涂枪。

本发明通过在喷涂丝材中添加N元素来替代部分C，以及适量的强碳氮化合物形成元素V、Nb等，生成碳氮化合物硬质相颗粒从而提高涂层耐磨性能。

本发明利用稀土Ce诱导合金中碳氮化物硬质相质点的生长，促进合金氧化膜的形成，并净化合金基体和细化合金基体晶粒，以达到提高合金耐磨损和抗高温氧化性能

本发明的积极效果如下：

1、本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层成形良好，涂层组织均匀，结构致密，孔隙率不大于3.0％；

2、本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层显微硬度平均值为568HV_0.1，最高达593HV_0.1；

3、本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层结合强度达到48.2MPa；

4、本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的耐磨性是4Cr13钢的1.60倍。

附图说明

图1是本发明实施例3制备的涂层的截面的扫描电镜照片。

图2是本发明实施例3制备的涂层的表面的扫描电镜照片。

图3是本发明实施例3制备的涂层的析出物的扫描电镜照片。

图4是本发明实施例3制备的涂层的能谱图。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1

1.1本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的重量百分比的元素组成

碳0.10%、硅0.70%、锰0.85%、镍4.50%、硼1.00%、铬20.00%、铌0.05%、钛1.00%、钒0.05%、氮0.30%、稀土铈0.03%、铁余量。

1.2本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的制备方法

（1）确定制备电弧喷涂药芯丝材的材料

（2）制备碳氮合金化耐磨合金药芯丝材

（3）制备过渡涂层

（4）制备工作涂层

实施例2

2.1本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的重量百分比的元素组成

碳0.80%、硅0.10%、锰2.00%、镍2.50%、硼2.50%、铬12.00%、铌0.35%、钛0.15%、钒0.45%、氮0.02%、稀土铈0.18%、铁余量。

2.2本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的制备方法

制备方法同实施例1的1.2。

实施例3

3.1本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的重量百分比的元素组成

碳0.40%、硅0.36%、锰1.37%、镍3.13%、硼1.80%、铬16.10%、铌0.16%、钛0.52%、钒0.20%、氮0.10%、稀土铈0.16%、铁余量。

3.2本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的制备方法

制备方法同实施例1的1.2。

图1为实施例3制备的碳氮合金化涂层截面的微观形貌，其过渡层以及工作涂层结构非常致密，利用图像分析软件测量涂层孔隙率为2.86％。图2为碳氮合金化涂层的表面形貌。涂层的氧化物含量较少，表面成形良好。图3为实施例3制备的碳氮合金化涂层的析出物的扫描电镜形貌，图4为实施例3制备的碳氮合金化涂层的能谱分析结果，表明大量细小的白色析出物（Nb的碳氮化合物硬质相颗粒）弥散分布在金属基体中，喷涂丝材中的合金元素V和Nb过渡到涂层后促进了碳氮化物的形成，高硬度的碳氮化物硬质相有利于提高合金的硬度及耐磨性能。

实施例4本发明的电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层的性能

对本发明实施例3制备的涂层和4Cr13涂层（一种具有较高综合性能的耐高温磨损合金涂层）分别选取8个试样进行显微硬度测试，结果如表1所示：碳氮合金化涂层显微硬度的平均值为568HV_0.1，显著高于4Cr13涂层的445HV_0.1。

表1涂层的显微硬度(HV_0.1)

分别对实施例1-3的碳氮合金化涂层和4Cr13涂层试样，测试其结合强度，结果如表2所示：碳氮合金化涂层的结合强度达到48.2MPa，明显高于4Cr13涂层的36.30MPa。

表2涂层的结合强度（MPa）

通过研究本发明实施例1-3制备的碳氮合金化涂层和4Cr13涂层的耐磨损性能，发现4Cr13涂层的平均磨损量是碳氮合金化耐磨涂层的1.60倍，试验结果如表3所示。

表3耐磨损试验结果

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种电弧喷涂碳氮合金化耐高温磨损涂层，其特征在于：所述涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.10-0.80%、硅0.10-0.70%、锰0.85-2.00%、镍2.50-4.50%、硼1.00-2.50%、铬12.00-20.00%、铌0.05-0.35%、钛0.15-1.00%、钒0.05-0.45%、氮0.02-0.30%、稀土铈0.03-0.18%、铁余量。

2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.25-0.60%、硅0.15-0.50%、锰1.00-1.50%、镍2.90-3.30%、硼1.50-2.00%、铬15.00-18.00%、铌0.10-0.25%、钛0.45-0.70%、钒0.10-0.30%、氮0.05-0.20%、稀土铈0.07-0.17%、铁余量。

3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述涂层是由以下重量百分比的元素组成：碳0.40%、硅0.36%、锰1.37%、镍3.13%、硼1.80%、铬16.10%、铌0.16%、钛0.52%、钒0.20%、氮0.10%、稀土铈0.16%、铁余量。

4.一种制备如权利要求1-3任一项所述的涂层的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

（1）确定制备电弧喷涂药芯丝材的材料

（2）制备碳氮合金化耐磨合金药芯丝材

（3）制备过渡涂层

（4）制备工作涂层

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，H08A碳钢带是由以下重量百分比的元素组成：碳0.08%、锰0.47%、硅0.035%、镍0.25%、铬0.10%、硫≤0.03%、磷≤0.03%、铁余量。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，碳氮合金化药芯丝材是由以下重量百分比的原料组成：低碳铬铁≤30%、高碳铬铁≤28%、硅铁≤4%、电解金属锰≤5%、氮化铬5%、钒铁≤6%、钛铁2%、铌铁≥4%、还原铁粉11%、氧化铈≤5%。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（3）和步骤（4）中，ZPG-400B型电弧喷涂机中配有QDIII-250型高速电弧喷涂枪。