CN104630685A - 一种零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其由下述配比的原料组成：钴粉5～10wt%，碳化钨陶瓷粉末20～40wt%和Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末50～75wt%。本过渡层材料利用部分具有负热膨胀系数的材料代替其它的正膨胀系数过渡层材料，设计出零膨胀系数的过渡层，从而实现表面涂层与基底材料之间的良好匹配，达到消除热应力的目的。本过渡层材料能够显著消除基底材料的热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用，延长表面WC涂层的使用寿命；本过渡层材料零膨胀系数的温度区间在-20～190℃，使用常规的WC粉末作为表面涂层材料，可使沉没辊和稳定辊使用寿命提高2倍左右，为生产企业带来较好的技术效果，并明显增加经济效益。

Description

一种零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料
技术领域
本发明涉及一种表面涂层，尤其是一种零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料。
背景技术
热镀锌生产线使用的沉没辊和稳定辊，需要长时间浸泡在锌液中，经受锌液的强烈腐蚀作用；因此，需经常停机更换三辊六臂。为解决这个问题，工业领域通常的做法是对沉没辊和稳定辊进行表面喷涂处理，利用表面保护涂层方法延长辊子的使用寿命。为克服常规涂层WC-CoCr复合材料使用寿命短的问题，研究人员开发出含铝镁尖晶石陶瓷（Al2O3-MgO）成分的表面涂层，以延长沉没辊和稳定辊的使用寿命。但实际使用过程中发现，由于沉没辊和稳定辊金属母材的热膨胀系数(α=18.9×10-6/K)与铝镁尖晶石热膨胀系数(α=7.8×10-6/K)之间的匹配性较差，涂层非常容易发生应力龟裂或剥落，并不能满足生产现场对辊子寿命的期望。此外，MoB-CoCr金属陶瓷复合涂层，也因为热膨胀系数(α=9.0～11.6×10-6/K)与辊子母材不匹配，常常容易发生涂层应力龟裂或剥落。
专利号ZL200510110897.4提供了一种表面梯度保护涂层及其制备方法，其通过调整MoB（100～700℃范围内的热膨胀系数为8.0×10-6/K）和CoCr（100～700℃范围内的热膨胀系数为15.0×10-6/K）组分的含量和比例，达到涂层和基底材料之间热膨胀系数的合理匹配，提高涂层的抗应力龟裂和剥落能力，从而提高沉没辊和稳定辊的使用寿命。然而，实际应用中发现，由于基底材料和涂层材料均为正膨胀系数，且基底材料的热膨胀系数较大，而过渡层和表面涂层的热膨胀系数又逐渐递减，因此，将沉没辊和稳定辊置入锌锅时（锌液温度在470℃左右），在瞬间的温度快速上升情况下，基底材料的热膨胀不可避免会对过渡层及表面涂层造成强烈的热应力作用，在过渡层及表面涂层上造成微裂纹，从而对延长沉没辊和稳定辊的使用寿命带来极大的不利因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种实现表面涂层与基底材料之间良好匹配的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料。
为解决上述技术问题，本发明由下述配比的原料组成：钴粉5～10wt%，碳化钨陶瓷粉末20～40wt%和Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末50～75wt%。
本发明优选Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的化学成分为Mn3Cu0.3～0.7Ge0.7～0.3N。
更优选的，所述Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的Cu+Ge=1。
本发明优选Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的粒径为30～70μm。
本发明优选碳化钨陶瓷粒径为20～50μm。
本发明优选钴粉的粒径为20～50μm。
本发明所述过渡层材料采用超音速火焰喷涂技术均匀喷涂在工作辊表面。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用部分具有负热膨胀系数的材料代替其它的正膨胀系数过渡层材料，设计出零膨胀系数的过渡层，从而实现表面涂层与基底材料之间的良好匹配，在一定温度范围内达到消除热应力的目的，进而延缓微裂纹的形成。本发明能够显著消除基底材料的热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用，延长表面WC涂层的使用寿命；本发明零膨胀系数的温度区间在-20～190℃，使用常规的WC粉末作为表面涂层材料，可使沉没辊和稳定辊使用寿命提高2倍左右，为生产企业带来较好的技术效果，并明显增加经济效益。
本发明采用Mn3Cu0.3～0.7Ge0.7～0.3N陶瓷粉末时，可以保证Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末具有较大的负热膨胀系数；尤其是Mn3Cu0.5Ge0.5N陶瓷粉末热膨胀系数可以达到α= -19.2×10-6/K，非常接近基底材料的正热膨胀系数，能够很好的抵消基底材料受热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用。本发明采用粒径为30～70μm的Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末时，其粒径可以与表面涂层WC（碳化钨）粉末粒径进行匹配，能够消除表面涂层与过渡层之间的孔隙，防止锌液渗入，既起到对基底材料的保护作用，又能消除涂层微裂纹的发生源头。
本发明采用粒径为20～50μm的WC（碳化钨）陶瓷粉末时，其粒径与表面喷涂的WC涂层粉末粒径一致，从而使过渡层能够作为表面涂层较好的喷涂基底，增强表面涂层与过渡层之间的结合力，延长涂层的使用寿命。
本发明中的金属Co（钴）粉是WC粉末之间较好的粘结相，起到将WC陶瓷粉末与Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末粘结到一起的作用，从而消除不同陶瓷粉末之间的孔隙。
附图说明
图1为实施例1所述的使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌；
图2为实施例3所述的使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌；
图3为实施例5所述的使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌。
图中：1－基底；2－过渡层；3－表面涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：本零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料采用下述组分配比以及使用方法。
将平均粒径为30μm，成分为Mn3Cu0.3Ge0.7N陶瓷粉末按总质量分数50wt%、20μm的40wt%WC陶瓷粉末以及20μm的10wt%Co金属粉末均匀混合，使用超音速火焰喷涂方法均匀喷涂在工作辊表面，作为过渡层。
本实施例得到的过渡层热膨胀性能数据如表1所示，本实施例所用过渡层使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌见图1，由图1可见，本过渡层能有效地消除基底材料的热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用，增强表面涂层与基底材料之间的匹配性能。
实施例2：本过渡层材料采用下述组分配比以及使用方法。
将平均粒径为40μm的Mn3Cu0.4Ge0.6N陶瓷粉末按总质量分数70wt%与30μm的24wt%WC陶瓷粉末以及40μm的6wt%Co金属粉末均匀混合，使用超音速火焰喷涂方法均匀喷涂在工作辊表面，作为过渡层。
本实施例得到的过渡层热膨胀性能数据如表1所示。
实施例3：本过渡层材料采用下述组分配比以及使用方法。
将平均粒径为50μm的Mn3Cu0.5Ge0.5N陶瓷粉末按总质量分数60wt%与35μm的32wt%WC陶瓷粉末以及35μm的8wt%Co金属粉末均匀混合，使用超音速火焰喷涂方法均匀喷涂在工作辊表面，作为过渡层。
本实施例得到的过渡层热膨胀性能数据如表1所示，本实施例所用过渡层使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌见图1，由图1可见，本过渡层能有效地消除基底材料的热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用，增强表面涂层与基底材料之间的匹配性能。
实施例4：本过渡层材料采用下述组分配比以及使用方法。
将平均粒径为60μm的Mn3Cu0.6Ge0.4N陶瓷粉末按总质量分数55wt%与40μm的38wt%WC陶瓷粉末以及30μm的7wt%Co金属粉末均匀混合，使用超音速火焰喷涂方法均匀喷涂在工作辊表面，作为过渡层。
本实施例得到的过渡层热膨胀性能数据如表1所示。
实施例5：本过渡层材料采用下述组分配比以及使用方法。
将平均粒径为70μm的Mn3Cu0.7Ge0.3N陶瓷粉末按总质量分数75wt%与50μm的20wt%WC陶瓷粉末以及50μm的5wt%Co金属粉末均匀混合，使用超音速火焰喷涂方法均匀喷涂在工作辊表面，作为过渡层。
本实施例得到的过渡层热膨胀性能数据如表1所示，本实施例所用过渡层使用四周后基底-过渡层-表面涂层结构SEM形貌见图1，由图1可见，本过渡层能有效地消除基底材料的热膨胀对表面涂层的热应力破坏作用，增强表面涂层与基底材料之间的匹配性能。
表1：金属陶瓷复合粉末过渡层零膨胀性能数据

Claims (7)

1.一种零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于，其由下述配比的原料组成：钴粉5～10wt%，碳化钨陶瓷粉末20～40wt%和Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末50～75wt%。
2.根据权利要求1所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的化学成分为Mn3Cu0.3～0.7Ge0.7～0.3N。
3.根据权利要求2所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的Cu+Ge=1。
4.根据权利要求1所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述Mn-Cu-Ge-N体系陶瓷粉末的粒径为30～70μm。
5.根据权利要求1所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述碳化钨陶瓷粒径为20～50μm。
6.根据权利要求1所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述钴粉的粒径为20～50μm。
7.根据权利要求1－6任意一项所述的零膨胀系数的金属陶瓷复合粉末过渡层材料，其特征在于：所述过渡层材料采用超音速火焰喷涂技术均匀喷涂在工作辊表面。
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