CN104213067A - 一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，涉及用高速火焰喷涂方法或气体等离子喷涂方法制备金属基陶瓷复合材料涂层。涂层的制备方法如下：基体表面清理、基体表面喷砂处理、喷涂粉体材料。制备的涂层有较高的致密度，硬度较高，有较好的韧性，且在高温条件下有优异的抗氧化腐蚀性能。本方法工艺步骤简单，所制备的保护涂层能使钢材应用于较高的温度环境中，解决了钢材抗高温腐蚀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属的表面处理，尤其是涉及一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法。
背景技术
钢材较好的力学性能、较低的生产制造成本，使其在国民经济生产中具有举足轻重的作用，作为结构材料支撑着国家的经济建设，作为工具材料应用于人们日常生活的方方面面。然而，钢的基本组成Fe元素具有较高的电化学活性，于空气中极易与氧气结合形成Fe2O3氧化物发生氧化腐蚀，而在有水气存在的环境中，其氧化腐蚀速度会加快。在高温条件下，Fe、氧变得更加活跃，钢的氧化腐蚀速度比低温条件下更快。
传统对于钢材表面抗腐蚀方法有：表面渗化学元素，在钢中掺杂Al、Cr等抗腐蚀成分形成合金钢，表面电镀金属镍铬、锌，表面刷漆等方法。在低温条件下，这些保护方法确实能使钢材服役时得到很好地保护。然而，在高温长期使用条件下，比如500℃以上，传统保护方法对于钢材表面的保护就显得力不从心。而传统方法对于提高钢材表面的耐磨方法通常是表面硬化(方法有：喷丸，表面渗碳或渗氮等)，添加Mn、W、Co等元素形成硬质合金，通过化学气相沉积、物理气相沉积法或磁控溅射方法在钢表面沉积TiN、WC等超硬薄膜涂层。表面硬化提高耐磨性能的方法效果有限，钢合金化后韧性较差，表面沉积硬质薄膜的方法薄膜厚度一般较薄且成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材的表面进行清理，采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，对已清理的钢材表面进行喷砂处理；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为150～280℃；预热后采用喷涂方法将涂层粉体材料喷涂至钢材待保护面。
所述的钢材包括：GB牌号为：Q235、Q275、Q295、Q345、Q420、Q460、45钢、16Mn、40Cr、35CrMo、42CrMo、12CrMoV、24CrMoV或35CrMoV的钢材；ASTM牌号为：201、304、304L、316、316L或347的钢材。
所述的钢材的待喷涂表面形状为：平面、圆柱面或不规则曲面。
第二步所述的喷砂处理时所用的砂子材质为氧化铝或碳化硅砂子，其粒径为20目～60目。
根据涂层与钢材表面的结合强度的需要选用不同粒径的砂子获得不同的表面粗糙度。
第三步所述的喷涂为高速火焰喷涂方法或气体等离子喷涂方法，
其中：高速火焰喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氧气流量为：600～1000 L/min；
(2)载气流量为：2×(4～10)L/min；
(3)燃料流量为：15～30 L/h；
(4)燃烧室压力为：0.6～1.2MPa；
(5)喷涂距离为：280～370mm；
(6)喷枪水平移动速度为：2.5～5mm/s；
(7)喷涂层数为：20～300，每10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
所述的气体等离子喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氢气压力与流量为：10～15MPa，10～20L/min；
(2)氩气压力与流量为：10～15MPa，60～120L/min；
(3)送粉速率为：20～60g/min；
(4)喷涂距离为：75～125mm；
(5)喷枪水平移动速度为：300～600mm/s；
(6)喷涂层数为：2～30，每5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
(7)电流为：280～680A；
(8)电压为：90～160V。
第三步所述的涂层粉体材料为：Cr3C2-10Ni20Cr、Cr3C2-20Ni20Cr、Cr3C2-25Ni20Cr、Cr3C2-50Ni20Cr粉体，所述的涂层粉体材料的粒度为150～500目。上述涂层粉体材料均为市售产品，如购自Sulzer Metco公司市场销售的粉体材料。
本发明根据钢材高温抗腐蚀保护、耐磨处理方法的不足，提供了一种新型保护方法用于提高钢材表面抗腐蚀性、耐磨性。用高速火焰喷涂方法或者气体等离子喷涂法，在经过喷砂处理的钢材表面喷涂金属基陶瓷复合材料以形成抗腐蚀、耐磨保护涂层。
与现有技术相比，本发明方法所制备的涂层非常致密，能使钢材表面在高温条件下具有很好地抗腐蚀性。涂层与基体有良好的结合强度，且涂层与基体的热膨胀系数接近，保证了在高温工作与降温时涂层与基体之间不会发生开裂。涂层内的Cr3C2陶瓷材料使得涂层有较高的硬度，耐磨性能较好。而NiCr合金使粉体颗粒间粘接良好，使涂层具有一定的韧性，不易发生脆裂，且Ni、Cr元素有助于降低氧在涂层中的扩散活性，使涂层具有较好的抗高温腐蚀性。
附图说明
图1为没有涂层保护的钢材基体与单面有涂层保护的钢材基体于800℃等温氧化增重的曲线图，基体为Q235钢，涂层材料为Cr3C2-25Ni20Cr；
图2为800℃等温氧化腐蚀前后涂层的金相图片；
图3为800℃等温氧化前后涂层表面的XRD衍射图谱；
图4为800℃等温氧化前后样品截面的SEM图片与EDX图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施实例1
第一步：选用200mm×200mm×2mm的Q235钢板作为基体材料，将待喷涂的表面进行清理，采用磨削或铣削，除去锈斑杂物，用丙酮除去表面油脂。
第二步：用喷砂机，对已清理的表面进行喷砂处理，砂子为30目的氧化铝，之后清除表面残留的砂子。
第三步：将已喷砂的钢板固定于夹具上，喷涂作业前，移动喷枪，对钢板表面进行预热，预热温度为200℃。采用高速火焰喷涂的方法将Cr2C3-25Ni20Cr粉体材料喷涂至钢板待保护面，粉体的粒度为45目。喷涂工艺参数控制范围如下；
1)氧气流量为：800 L/min；
2)载气流量为：2×8L/min；
3)燃料流量为：20 L/h；
4)燃烧室压力为：0.8MPa；
5)喷涂距离为：300mm；
6)喷枪水平移动速度为：3.8mm/s；
7)喷涂层数为：150层，每喷涂10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。最终获得致密的厚度为0.28mm的保护涂层。
实施实例2
第一步：选用直径的316圆钢棒作为基体材料，将待喷涂的表面进行清理，采用磨削、车削方式，除去锈斑杂物，用丙酮除去表面油脂。
第二步：用喷砂机，对已清理的表面进行喷砂处理，砂子为30目的氧化铝，之后清除表面残留的砂子。
第三步：将已喷砂的圆钢固定于特定夹具上，喷涂作业前，旋转圆钢并移动喷枪，对圆钢表面进行预热，预热温度为200℃。采用高速火焰喷涂的方法将Cr2C3-50Ni20Cr粉体材料喷涂至圆钢表面，粉体的粒度为45目。喷涂工艺参数控制范围如下；
1)氧气流量为：800 L/min；
2)载气流量为：2×8L/min；
3)燃料流量为：20 L/h；
4)燃烧室压力为：0.8MPa；
5)喷涂距离为：300mm；
6)喷枪水平移动速度为：3.8mm/s；
7)圆钢旋转速度为：60rpm；
8)喷涂层数为：80层，每喷涂10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。最终获得致密的厚度为0.15mm保护涂层。
实施实例3
第一步：选用200mm×200mm×2mm的Q235钢板作为基体材料，将待喷涂的表面进行清理，采用磨削或铣削，除去锈斑杂物，用丙酮除去表面油脂。
第二步：用喷砂机，对已清理的表面进行喷砂处理，砂子为30目的氧化铝，之后清除表面残留的砂子。
第三步：将已喷砂的钢板固定于特定夹具上，喷涂作业前，移动喷枪，对钢板表面进行预热，预热温度为200℃。采用气体等离子喷涂的方法将Cr2C3-25Ni20Cr粉体材料喷涂至钢板待保护面，粉体的粒度为45目。喷涂工艺参数控制范围如下；
1)氢气压力为：12MPa；
2)氩气压力为：13MPa；
3)氢气流量为：15L/h；
4)氩气流量为：80L/h；
5)喷涂距离为：100mm；
6)喷枪水平移动速度为：400mm/s；
7)送粉速率为：30g/min；
8)电流为：400A；
9)电压为：120V；
8〕喷涂层数为：10层，每喷涂5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。最终获得致密的厚度为0.25mm的保护涂层。
实施实例4
第一步：选用直径的316圆钢棒作为基体材料，将待喷涂的表面进行清理，采用磨削、车削方式，除去锈斑杂物，用丙酮除去表面油脂。
第二步：用喷砂机，对已清理的表面进行喷砂处理，砂子为30目的氧化铝，之后清除表面残留的砂子。
第三步：将已喷砂的圆钢固定于特定夹具上，喷涂作业前，旋转圆钢并移动喷枪，对圆钢表面进行预热，预热温度为200℃。采用高速火焰喷涂的方法将Cr2C3-50Ni20Cr粉体材料喷涂至圆钢表面，粉体的粒度为45目。喷涂工艺参数控制范围如下：
1)氢气压力为：12MPa；
2)氩气压力为：13MPa；
3)氢气流量为：15L/h；
4)氩气流量为：80L/h；
5)喷涂距离为：100mm；
6)喷枪水平移动速度为：400mm/s；
7)送粉速率为：30g/min；
8)电流为：400A；
9)电压为：120V；
8)喷涂层数为：15层，每喷涂5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。最终获得致密的厚度为0.32mm的保护涂层。
实施实例性能测试
等温氧化实验所用的样品为长方块，尺寸为10mm×10mm×2mm，保护涂层位于10mm×10mm的表面上。图1中有涂层样品的增重主要来自于未保护面的氧化增重，由此可得出，涂层对于钢材基体具有显著地保护作用。
由图2可以看出，涂层的致密性氧化前后未发生变化，且涂层与界面的结合状态氧化前后亦未发生明显变化。
由图3可以看出，氧化后涂层表面出现了微弱的Cr2O3衍射峰，说明表明了涂层中的Cr在高温条件下虽然会氧化，但是其氧化腐蚀速率是非常低的。
由图4的SEM图片可以看出，氧化后涂层与基体的结合状态良好，且涂层未发生明显的变化。EDX图谱中并未出现大量的氧，说明在高温氧化时，Cr元素对氧在涂层中的扩散起到了有效地抑制作用。
实施例5
一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材(GB牌号为Q235的钢材)的表面进行清理，采用磨削方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，粒径为20目的氧化铝对已清理的钢材表面进行喷砂处理；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为150℃；预热后采用高速火焰喷涂方法将涂层粉体材料(粒度为150目的Cr3C2-10Ni20Cr)喷涂至钢材待保护面。
其中：高速火焰喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氧气流量为：600 L/min；
(2)载气流量为：2×4L/min；
(3)燃料流量为：15L/h；
(4)燃烧室压力为：0.6MPa；
(5)喷涂距离为：280mm；
(6)喷枪水平移动速度为：2.5mm/s；
(7)喷涂层数为：300，每10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。
实施例6
一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材(ASTM牌号为201的钢材)的表面进行清理，采用磨削方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，粒径为60目的碳化硅砂子对已清理的钢材表面进行喷砂处理；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为280℃；预热后采用高速火焰喷涂方法将涂层粉体材料(粒度为500目的Cr3C2-50Ni20Cr)喷涂至钢材待保护面。
其中：高速火焰喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氧气流量为：1000 L/min；
(2)载气流量为：2×10L/min；
(3)燃料流量为：30 L/h；
(4)燃烧室压力为：1.2MPa；
(5)喷涂距离为：370mm；
(6)喷枪水平移动速度为：5mm/s；
(7)喷涂层数为：20，每10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂。
实施例7
一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材(GB牌号为35CrMoV的钢材)的表面进行清理，采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，采用粒径为20目的氧化铝砂子对已清理的钢材表面进行喷砂处理；所述的喷砂处理时所用的砂子材质为氧化铝或碳化硅砂子；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为150℃；预热后采用气体等离子喷涂方法将涂层粉体材料(粒度为150目的Cr3C2-10Ni20Cr)喷涂至钢材待保护面。
所述的气体等离子喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氢气压力与流量为：10MPa，10L/min；
(2)氩气压力与流量为：10MPa，60L/min；
(3)送粉速率为：20g/min；
(4)喷涂距离为：75mm；
(5)喷枪水平移动速度为：300mm/s；
(6)喷涂层数为：30，每5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
(7)电流为：280A；
(8)电压为：90V。
实施例8
一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材(ASTM牌号为347的钢材)的表面进行清理，采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，采用粒径为60目的碳化硅砂子对已清理的钢材表面进行喷砂处理；所述的喷砂处理时所用的砂子材质为氧化铝或碳化硅砂子；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为280℃；预热后采用气体等离子喷涂方法将涂层粉体材料(粒度为500目的Cr3C2-50Ni20Cr)喷涂至钢材待保护面。
所述的气体等离子喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氢气压力与流量为：15MPa，20L/min；
(2)氩气压力与流量为：15MPa，120L/min；
(3)送粉速率为：60g/min；
(4)喷涂距离为：125mm；
(5)喷枪水平移动速度为：600mm/s；
(6)喷涂层数为：2，每5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
(7)电流为：680A；
(8)电压为：160V。
Claims (7)
1.一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：将待喷涂钢材的表面进行清理，采用磨削、铣削或车削的方法，除去钢材表面锈斑杂物，用乙醇、酒精或丙酮除去钢材表面油脂；
第二步：用喷砂机，对已清理的钢材表面进行喷砂处理；
第三步：将已喷砂的钢材固定于夹具上，对钢材表面进行预热，预热温度范围为150～280℃；预热后采用喷涂方法将涂层粉体材料喷涂至钢材待保护面。
2.根据权利要求1所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，所述的钢材包括：GB牌号为：Q235、Q275、Q295、Q345、Q420、Q460、45钢、16Mn、40Cr、35CrMo、42CrMo、12CrMoV、24CrMoV或35CrMoV的钢材；ASTM牌号为：201、304、304L、316、316L或347的钢材。
3.根据权利要求1所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，所述的钢材的待喷涂表面形状为：平面、圆柱面或不规则曲面。
4.根据权利要求1所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，第二步所述的喷砂处理时所用的砂子材质为氧化铝或碳化硅砂子，其粒径为20目～60目。
5.根据权利要求4所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，根据涂层与钢材表面的结合强度的需要选用不同粒径的砂子获得不同的表面粗糙度。
6.根据权利要求1所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，第三步所述的喷涂为高速火焰喷涂方法或气体等离子喷涂方法，
其中：高速火焰喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氧气流量为：600～1000 L/min；
(2)载气流量为：2×(4～10)L/min；
(3)燃料流量为：15～30 L/h；
(4)燃烧室压力为：0.6～1.2MPa；
(5)喷涂距离为：280～370mm；
(6)喷枪水平移动速度为：2.5～5mm/s；
(7)喷涂层数为：20～300，每10遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
所述的气体等离子喷涂方法的工艺参数如下：
(1)氢气压力与流量为：10～15MPa，10～20L/min；
(2)氩气压力与流量为：10～15MPa，60～120L/min；
(3)送粉速率为：20～60g/min；
(4)喷涂距离为：75～125mm；
(5)喷枪水平移动速度为：300～600mm/s；
(6)喷涂层数为：2～30，每5遍间隔3min，再进行下一遍喷涂；
(7)电流为：280～680A；
(8)电压为：90～160V。
7.根据权利要求1所述的一种在钢材表面涂覆抗高温腐蚀且耐磨涂层的方法，其特征在于，第三步所述的涂层粉体材料为：Cr3C2-10Ni20Cr、Cr3C2-20Ni20Cr、Cr3C2-25Ni20Cr、Cr3C2-50Ni20Cr粉体，所述的涂层粉体材料的粒度为150～500目。
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