CN104674155B - 一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层及其制备方法 - Google Patents

一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层及其制备方法，以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr原子比10：11～13：1～2的比例配比，经过机械球磨、真空干燥、碳化处理、破碎和过筛工艺制得粉芯，将粉芯与碳钢带一起制备成粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。本发明研制的粉芯丝材制备的涂层具有高的表面洛氏硬度和显微硬度，而且耐磨粒磨损性能远远好于Q235低碳钢。

Description

一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层及其制备方法，属于材料加工工程中的表面工程领域，主要应用于电力、能源、汽车等行业易磨部件及零件的表面防护。
背景技术
磨损是材料破坏的主要形式，一直是工业领域备受关注的课题，它给人类带来了巨大的经济损失和社会危害，因此，利用现代科学技术，经济而安全地防止、控制或减轻材料的磨损，具有非常重要的意义。如何防止磨损，减少灾难性事故的发生，是世界各国都在研究的课题。采用热喷涂技术，在设备磨损部件和区域涂覆一层耐磨的金属或金属陶瓷涂层，可有效的解决磨损问题。而且热喷涂技术制备涂层工艺稳定、操作简单。热喷涂技术中的电弧喷涂具有设备简单、成本低、喷涂速度高、涂层化学成分和硬质相容易调整、沉积效率高，尤其适用于现场原位大面积施工等优势，在化工、能源、冶金、航空、电力、汽车和采矿工业装备耐磨部件和区域的表面涂层防护，有广阔的工程应用前景。
目前国内外所研究的耐磨涂层主要有金属涂层、陶瓷涂层、金属/陶瓷复合涂层、金属间化合物涂层。其中金属/陶瓷复合涂层一般采用粉末、线材和棒材制备，其中线材分为实心线材和粉芯线材，而粉芯线材具有涂层质量可控性好、应用领域广、品种多样化、生产周期短、涂层厚度限制小和成本低等优势，所以成为当前研究的热点问题之一。在国内外所研究的粉芯线材中一般使用WC、Cr3C2、Al2O3、TiB2等陶瓷粉作为填充材料，但目前没有人利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。而TiC陶瓷熔点高，具有最高的常温硬度，是常温下使用的最耐磨的材料之一。所以利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层在我国具有很好的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能获得涂层厚度限制小、成本低、耐磨性好，利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层，解决现有方法成本高、不易控制、耐磨性低等缺点。
本发明要解决的另一个技术问题是提供该电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明主要由以下物质组成：以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：11～13：1～2 的比例配比，经过机械球磨、真空干燥、碳化处理、破碎和过筛工艺制得粉芯，将粉芯与碳钢带一起制备成粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。
为解决上述第二个技术问题，本发明包括以下步骤和工艺条件：
1）制备粉芯：以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：11～13：1～2进行配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，将所得浆料进行真空干燥，然后在氦气保护气氛下进行碳化处理，将所得多孔状块体进行破碎、过筛得到粉芯；
2）电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备：将碳钢带轧成U形，再向U形槽中加入前述粉芯，所述粉芯占本发明粉芯丝材总重的25～40%；将U形槽合口，使粉芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm～3mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。
步骤1）所述机械球磨时料球比为1：4，球磨时间12～16h；真空干燥温度为100～120℃，干燥时间为10～16h；碳化处理工艺为：升温速率6～8℃/min，265～275℃保温1.5～2h，355～365℃保温3～5h。
所述碳钢带宽度为14mm±0.05，厚度为0.4mm±0.05。
本发明的优点效果是：
1、原料丰富易得，成本低廉；
2、时间短，节约能源，降低成本；
3、利用电弧喷涂技术引发自反应合成，工艺简单，流程短，生产效率高；
4、所制备的电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层，结构致密，金属相和陶瓷相相互弥散均匀分布，润湿性良好，并具有较高的表面洛氏硬度和显微硬度，耐磨粒磨损性能远远好于Q235低碳钢，可解决磨损和高温冲蚀条件下的电力设备和机械设备的表面防护问题。
具体实施方式
实施例1
1、粉芯的制备
以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：12：1进行粉末的配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，料球比1：4，球磨时间14h，将所得料浆在120℃真空干燥10h。将干燥后粉末在氮气保护气氛中进行碳化处理，碳化处理工艺为：升温速率6℃/min，270℃保温1.5h，360℃保温4h，破碎、过筛得到粉芯。
2、电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备
选用14X0.4(宽度为14mm±0.05，厚度为0.4mm±0.05，下同)的碳钢带。先将其轧成U形，向U形槽中加入前述粉芯，粉芯占本发明粉芯丝材总重的28%；将U形槽合口，使粉芯包裹其中。然后使其分别通过直径为:3.0mm,2.8mm,2.6mm, 2.5 mm, 2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。在设备和管道表面喷涂金属涂层，电弧电压28～30V，工作电流180～200A，压缩空气压力0.4～0.6MPa，喷涂距离150～200mm。所述TiC是粉芯材料穿过电弧高温区时迅速吸热并引发自反应合成TiC硬质相。
实施例2
1、粉芯的制备
以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：13：2 进行粉末的配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，料球比1：4，球磨时间15h，将所得料浆在100℃真空干燥16h。将干燥后粉末在氮气保护气氛中进行碳化处理，碳化处理工艺为：升温速率7℃/min，265℃保温2h，355℃保温5h，破碎、过筛得到粉芯。
2、电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备
选用14X0.4的碳钢带。先将其轧成U形，向U形槽中加入前述粉芯，粉芯占本发明粉芯丝材总重的35%；将U形槽合口，使粉芯包裹其中。然后使其分别通过直径为:3.0mm,2.8mm,2.6mm, 2.5 mm, 2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。在设备和管道表面喷涂金属涂层，电弧电压28～30V，工作电流180～200A，压缩空气压力0.4～0.6MPa，喷涂距离150～200mm。所述TiC是粉芯材料穿过电弧高温区时迅速吸热并引发自反应合成TiC硬质相。
实施例3
1、粉芯的制备
以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：13：1进行粉末的配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，料球比1：4，球磨时间13h，将所得料浆在110℃真空干燥13h。将干燥后粉末在氮气保护气氛中进行碳化处理，碳化处理工艺为：升温速率6.5℃/min，275℃保温2h，365℃保温3h，破碎、过筛得到粉芯。
2、电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备
选用14X0.3的碳钢带。先将其轧成U形，向U形槽中加入前述粉芯，粉芯占本发明粉芯丝材总重的38%；将U形槽合口，使粉芯包裹其中。然后使其分别通过直径为:3.0mm,2.8mm,2.6mm, 2.5 mm, 2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。在设备和管道表面喷涂金属涂层，电弧电压28～30V，工作电流180～200A，压缩空气压力0.4～0.6MPa，喷涂距离150～200mm。所述TiC是粉芯材料穿过电弧高温区时迅速吸热并引发自反应合成TiC硬质相。
实施例4
1、粉芯的制备
以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr 原子比10：13：1.5 进行粉末的配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，料球比1：4，球磨时间15h，将所得料浆在100℃真空干燥15h。将干燥后粉末在氮气保护气氛中进行碳化处理，碳化处理工艺为：升温速率7℃/min，265℃保温2h，355℃保温5h，破碎、过筛得到粉芯。
2、电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备
选用14X0.4的碳钢带。先将其轧成U形，向U形槽中加入前述粉芯，粉芯占本发明粉芯丝材总重的25%；将U形槽合口，使粉芯包裹其中。然后使其分别通过直径为:3.0mm,2.8mm,2.6mm, 2.5 mm, 2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层。在设备和管道表面喷涂金属涂层，电弧电压28～30V，工作电流180～200A，压缩空气压力0.4～0.6MPa，喷涂距离150～200mm。所述TiC是粉芯材料穿过电弧高温区时迅速吸热并引发自反应合成TiC硬质相。
根据GB8640-1988，使用HT320全洛氏硬度计测量涂层的表面洛氏硬度。测试结果见附表1。根据GB/T9790～1988，使用HXD-1000数字式显微硬度计测量涂层的显微硬度。测试结果见附表1。试验结果表明，用本发明研制的粉芯丝材制备的涂层具有较高的表面洛氏硬度和显微硬度。
在MLS-225型湿砂橡胶轮磨损试验机上进行磨粒磨损试验，其涂层的耐磨性用磨损前后的失重量来衡量。试验同时用Q235钢作为对比。试验结果见附表2。可以看出，用所研制的粉芯丝材制备涂层的磨损失重远远低于Q235低碳钢，说明本发明研制的粉芯丝材制得各涂层的耐磨粒磨损性能高于Q235低碳钢。
附表1 涂层硬度
实施例 1 2 3 4
平均硬度 /HR45N 48.6 50.0 51.4 47.6
平均显微硬度 /HV0.1 1008.8 1035.5 1125.3 998.3
附表2 磨粒磨损测试结果
实施例 1 2 3 4 基材Q235
平均失重量（g） 0.1993 0.1995 0.2001 0.2105 1.2613

Claims (2)

1.一种电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层，其特征是主要由以下物质组成：以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr原子比10：11～13：1～2的比例配比，经过机械球磨、真空干燥、碳化处理、破碎和过筛工艺制得粉芯，将粉芯与碳钢带一起制备成粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层；
上述电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备方法，包括以下步骤和工艺条件：
1)制备粉芯：以钛粉、铬粉和蔗糖为原料，按照Ti：C：Cr原子比10：11～13：1～2进行配比，以无水乙醇为介质进行机械球磨，将所得浆料进行真空干燥，然后在氦气保护气氛下进行碳化处理，将所得多孔状块体进行破碎、过筛得到粉芯；
2)电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层的制备：将碳钢带轧成U形，再向U形槽中加入前述粉芯，所述粉芯占粉芯丝材总重的25～40％；将U形槽合口，使粉芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm～3mm，得到粉芯丝材，再利用电弧喷涂引发自反应合成TiC硬质相制备成耐磨铁基TiC系涂层；
其中，步骤1)所述机械球磨时料球比为1：4，球磨时间12～16h；真空干燥温度为100～120℃，干燥时间为10～16h；碳化处理工艺为：升温速率6～8℃/min，265～275℃保温1.5～2h，355～365℃保温3～5h。
2.根据权利要求1所述的电弧喷涂耐磨铁基TiC系涂层，其特征是所述碳钢带宽度为14mm±0.05，厚度为0.4mm±0.05。
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