CN103938207A

CN103938207A - 在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法

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Publication number: CN103938207A
Application number: CN201310019104.2A
Authority: CN
Inventors: 何兆龙
Original assignee: JIANGSU ZHAOLONG ELECTRIC Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ZHAOLONG ELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2013-01-20
Filing date: 2013-01-20
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2033-01-20
Also published as: CN103938207B

Abstract

本发明公开了一种在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法：A）对待熔覆的奥氏体不锈钢基材的表面进行除油和毛化处理；B）将Al2O3粉末、Ti粉末、Mo粉末、B粉末按照重量百分比混合研磨；C）将研磨后的混合粉末涂覆在奥氏体不锈钢基材的表面；D）对奥氏体不锈钢基材的表面涂覆层进行激光熔覆。经本发明处理后的耐腐蚀金属陶瓷涂层与奥氏体不锈钢基材结合良好，耐锌液腐蚀性强，硬度高、不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染。

Description

在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法

技术领域：

本发明涉及激光表面熔覆技术，尤其涉及一种在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法。

背景技术：

近年来金属腐蚀给国民经济带来了巨大损失，镀锌制品的需求量逐年呈上升趋势，随着钢板等型材镀锌需求和产量的不断增加，造成镀锌槽、装锌与锌合金溶液的容器、液态锌输送管道以及测温保护套管等用材料的损耗量越来越大，开展耐锌液腐蚀的材料的研究，提高其耐腐蚀性能具有十分重要的工程应用价值。针对现有装金属锌液、锌液输送管道以及热电偶测温保护套管等常用整体材料的高脆性、高成本和制备难度大等问题，表面耐锌腐蚀材料的研究越来越受到极大的关注，中国知识产权局公开了00123690.3一种复合金属陶瓷喷涂材料，它的化学成分组成为：7.0～10.0％Co、49.0～60.0％W、2.5～4.5％C、5.2～9.5％Fe、0.8～2.0％B、20.0～29.0％Mo，上述化学成份组成是按照重量百分比计算的。具有优良的耐锌液腐蚀、耐磨损及抗粘锌性能，有效地提高了连续热镀锌机组备件－沉没辊与稳定辊的使用寿命，连续上机使用时间可达21～27天，降低了生产成本。中国知识产权局公开了200510030979.8一种大颗粒球形金属陶瓷纳米复合喷涂粉体，组分及其重量百分比为：50～70％二硼化钛、10～24％钴、6～13％铬粉、5～11％硼化钨、余量为稀土粉。二硼化钛、硼化钨及稀土粉的粒度均在0.5微米至１微米之间，钴及铬粉粒度均小于100纳米。将以上粉末按比例混合，按照湿法球磨、离心或压力喷雾造粒、真空热处理工艺及颗粒分级程序制备出的粉体粒度分布分别为20～45微米和45～75微米，呈球形或近球形结构。利用该粉体通过热喷涂工艺制备的辊面涂层，具有优异的耐磨损、耐高温、耐热铝锌液腐蚀能力，在连续热镀铝锌机组上使用时间为18～29天，降低了生成和维修成本，提高了镀铝锌带钢质量。

在热镀锌铝生产线上，锌锅用于液态金属加热与保温。采用热电偶连续测温及控温方式，是保证热镀产品质量以及降低能源和资源及材料消耗的关键因素之一。现常用的热电偶保护套管是采用不锈钢钢管材料，一端经过封堵焊接及机加工制作。热电偶是长时间浸泡在高温锌铝液中，由于锌铝液的腐蚀作用强烈，铁基材料在锌锅中会与镀液发生反应主要生成Fe2Al5等金属间化合物而造成损坏，热电偶的使用寿命通常为3～5天，最短时间仅为12小时，不仅热电偶的消耗量大，而且热电偶损坏过程中易于引起温度的较大波动，影响到对生产工艺的稳定控制。而常用的非金属热电偶保护套管如Al2O3虽然其耐蚀性能良好，但抗热震性能较差极易发生破裂损坏，石墨材料套管则由于其机械强度较低，在人工捞取锌渣作业过程中容易造成碰撞破损。因此，现有热电偶保护套管由于不能同时解决耐腐蚀性能、抗热震性能和机械强度问题，在锌铝液中使用无法满足实际需求。中国知识产权局还公开了200510029204.9涉及热电偶保护套管及其制造方法。一种热电偶复合保护套管，包括基管筒体和涂层，基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体由金属制成，涂层由金属结合底层、中间过渡层和表面工作层组成，金属结合底层为与基管筒体金属性能相近的金属陶瓷材料或合金材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物。该发明热电偶复合保护套管在液态金属锌铝液中能够同时满足耐腐蚀性能、抗热震性能、导热性能和足够机械强度。但同样存在低硬度、高成本和制备难度大的缺陷。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种金属陶瓷涂层与奥氏体不锈钢基材结合良好、耐锌液腐蚀性强、硬度高的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，该方法制备工艺简单、生产成本低。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：

A）首先对待熔覆的奥氏体不锈钢基材的表面进行除油处理和毛化处理；

B）将Al2O3粉末、Ti粉末、Mo粉末、B粉末按照重量百分比为60～70% Al2O3、20～30%Ti、3～10%Mo、1～4%B混合，并研磨至混合粉末的粒度小于10微米；

C）将步骤B）所得研磨后的混合粉末置于100℃-120℃烘干1-3小时后，以送粉量为0.3-0.6g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A）所得奥氏体不锈钢基材⑵的表面，涂覆层厚度为1.0-2.5毫米；

D）采用激光波长为10.6微米、激光功率为3.5-4.5kW、扫描速度为350-500mm/min、光斑直径为5-6毫米、离焦量为50-65毫米、并在流量为10-14 L/h的氩气保护下，对步骤C）所得奥氏体不锈钢基材的表面涂覆层进行激光熔覆。

所述步骤A）的奥氏体不锈钢基材为304不锈钢材料。

所述步骤A）的预处理是对待进行激光熔覆的奥氏体不锈钢基材的表面进行喷砂处理使被熔覆表面具有一定的粗糙度，再用无水乙醇清洗表面，去除被熔覆表面的各种杂质油污，以利于粉末与基体表面的润湿和冶金结合。

所述步骤B）的Al2O3粉末纯度＞97.9%，粒度＜50微米；Ti粉末、Mo粉末或B粉末的纯度＞97.9%，粒度＜20微米。

所述的Al2O3粉末、Ti粉末、Mo粉末和B粉末的纯度＞99.9%。

本发明与现有技术相比具有如下列有益效果：

经本发明处理后的耐腐蚀金属陶瓷涂层与奥氏体不锈钢基材结合良好，耐锌液腐蚀性强，硬度高、不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染。该表面处理方法简单，形成的金属陶瓷成分可以调配，采用激光熔覆技术，能量密度高，热输入小，生产成本低。奥氏体不锈钢基材与金属陶瓷层界面结合能力强，能明显提高不锈钢耐锌液腐蚀的性能。

附图说明：

图1为本发明实施例一金属陶瓷涂层的宏观表面形貌照片；

图2为本发明实施例一金属陶瓷涂层横截面的金相显微组织照片；

图3为本发明实施例一金属陶瓷涂层的X射线谱图；

图4为本发明实施例一金属陶瓷涂层由表面到次表面的显微硬度曲线。

图中序号：1、激光熔覆金属陶瓷涂层，2、不锈钢基材。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一：

参见图1、图2、图3和图4，一种在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：A）对待激光熔覆的奥氏体不锈钢基材304的表面用240#刚玉砂纸进行打磨，目的是粗化奥氏体不锈钢基材304的表面，以利于粉料和不锈钢基材的镶嵌、填塞，并用无水乙醇清洗，去除被熔覆表面的各种杂质油污，以利于粉末与基体表面的润湿和冶金结合；B）将60% Al2O3、30%Ti、6%Mo、4%B混合，其中氧化铝粉末纯度高于99.9%，粒度小于20微米，钛粉末、钼粉末、硼粉末纯度均高于99.9%，粒度小于15微米，并研磨至混合粉末的粒度小于10微米；C）将步骤B）所得研磨后的混合粉末置于120℃烘干2小时后，以送粉量为0.4g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A）所得奥氏体不锈钢基材的表面至涂覆层厚度为1毫米；D）采用激光波长为10.6微米、激光功率为4.5kW、扫描速度为500mm/min、光斑直径为6毫米、离焦量为60毫米、并在流量为14L/h的氩气保护下，对步骤C）所得奥氏体不锈钢基材的表面涂覆层进行激光熔覆，即完成对奥氏体不锈钢的表面激光熔覆处理。

激光熔覆处理后能使奥氏体不锈钢基材2表面质量良好，形成内部无裂纹、气孔、夹杂等缺陷的熔覆涂层，且具有高硬度和耐锌液腐蚀性能。

激光熔覆金属陶瓷涂层1的耐腐蚀性能将通过把激光熔覆陶瓷涂层、铁硼合金放入熔融的锌液腐蚀10小时后，取出测定腐蚀层厚度来完成。

表一两种不同材料的耐铝液腐蚀性能比较

	熔覆陶瓷涂层的奥氏体不锈钢基材	铁硼合金
			平均腐蚀速率（mm/h）	8.3Х10^-5	2.5Х10^-1

实施例二：

一种在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：A）对待激光熔覆的奥氏体不锈钢基材304的表面进行喷砂处理，目的是粗化奥氏体不锈钢基材304的表面，以利于粉料和不锈钢基材的镶嵌、填塞，并用无水乙醇清洗，去除被熔覆表面的各种杂质油污，以利于粉末与基体表面的润湿和冶金结合；B）将Al₂O₃粉末、Ti粉末、Mo粉末、B粉末按照重量百分比为将70% Al2O3、20%Ti、9%Mo、1%B混合，其中氧化铝粉末纯度高于99.9%，粒度小于20微米，钛粉末、钼粉末、硼粉末纯度均高于99.9%，粒度小于15微米，并研磨至混合粉末的粒度为10微米；C）将步骤B）所得研磨后的混合粉末置于100℃烘干3小时后，以送粉量为0.35g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A）所得奥氏体不锈钢基材2的表面至涂覆层厚度为1毫米；D）采用激光波长为10.6微米、激光功率为3.5kW、扫描速度为350mm/min、光斑直径为6毫米、离焦量为65毫米、并在流量为10L/h的氩气保护下，对步骤C）所得奥氏体不锈钢基材的表面涂覆层进行激光熔覆，即完成对奥氏体不锈钢的表面激光熔覆处理。

经检测，涂层组织是由耐锌液腐蚀的氧化铝陶瓷相和起粘接作用的Ti金属组成，可见激光熔覆后的奥氏体不锈钢基材2试样具有优良的耐锌液腐蚀性能，可以用作耐锌液腐蚀材料。

表二两种不同材料的耐铝液腐蚀性能比较

	熔覆陶瓷涂层的奥氏体不锈钢基材	铁硼合金
			平均腐蚀速率（mm/h）	8.1Х10^-5	2.5Х10^-1

实施例三：

一种在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：A）对待激光熔覆的奥氏体不锈钢基材304的表面进行喷砂处理，目的是粗化奥氏体不锈钢基材304的表面，以利于粉料和不锈钢基材的镶嵌、填塞，并用无水乙醇清洗，去除被熔覆表面的各种杂质油污，以利于粉末与基体表面的润湿和冶金结合；B）将Al₂O₃粉末、Ti粉末、Mo粉末、B粉末按照重量百分比为将65% Al2O3、27%Ti、6%Mo、2%B混合，其中氧化铝粉末纯度高于99.9%，粒度小于20微米，钛粉末、钼粉末、硼粉末纯度均高于99.9%，粒度小于15微米，并研磨至混合粉末的粒度为10微米；C）将步骤B）所得研磨后的混合粉末置于110℃烘干2小时后，以送粉量为0.4g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A）所得奥氏体不锈钢基材2的表面至涂覆层厚度为1毫米；D）采用激光波长为10.6微米、激光功率为3.5kW、扫描速度为400mm/min、光斑直径为5.5毫米、离焦量为55毫米、并在流量为12 L/h的氩气保护下，对步骤C）所得奥氏体不锈钢基材2的表面涂覆层进行激光熔覆，即完成对奥氏体不锈钢的表面激光熔覆处理。

激光熔覆处理后能使奥氏体不锈钢基材2表面质量良好，形成内部无裂纹、气孔、夹杂等缺陷的熔覆涂层。且具有高硬度和耐锌液腐蚀性能。

表三两种不同材料的耐铝液腐蚀性能比较

	熔覆陶瓷涂层的奥氏体不锈钢基材	铁硼合金
			平均腐蚀速率（mm/h）	7.8Х10^-5	2.5Х10^-1

下面对实施例一得到的激光熔覆金属陶瓷涂层进行组织结构分析和各种性能测试，说明其性能的优越性：

1、组织结构分析

图1为金属陶瓷涂层的宏观表面形貌，使用金相显微镜对熔覆层组织进行观察，如图2所示，304不锈钢基体与氧化铝、钛复合金属陶瓷涂层之间产生了冶金结合。

采用X射线衍射仪分析金属陶瓷涂层的物相组成，结果如图3的X射线谱线所示，X射线衍射分析表明，金属陶瓷涂层主要由氧化铝、钛组成。

2、显微硬度

利用HMV-2t显微硬度计测量激光熔覆层显微硬度，以熔覆层表面为起点（0点），一直向基体内部并过熔覆层和基体的结合面，自左而右依次取不同距离打显微硬度，同一层面上打三个点后取平均值。加载载荷100g，加载持续时间10秒。激光熔覆涂层的硬度范围在HV243～1430，硬度分布曲线如图4所示。

实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。

Claims

1.在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤A）的奥氏体不锈钢基材为304不锈钢材料。

3.根据权利要求1或2所述的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤A）的预处理是对待进行激光熔覆的奥氏体不锈钢基材的表面进行喷砂处理使被熔覆表面具有一定的粗糙度，再用无水乙醇清洗表面，去除被熔覆表面的各种杂质油污，以利于粉末与基体表面的润湿和冶金结合。

4.根据权利要求1或2所述的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤B）的Al2O3粉末纯度＞97.9%，粒度＜50微米；Ti粉末、Mo粉末或B粉末的纯度＞97.9%，粒度＜20微米。

5.根据权利要求3所述的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤B）的Al2O3粉末纯度＞97.9%，粒度＜50微米；Ti粉末、Mo粉末或B粉末的纯度＞97.9%，粒度＜20微米。

6.根据权利要求4所述的在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述的Al2O3粉末、Ti粉末、Mo粉末和B粉末的纯度＞99.9%。