CN105463444A - 耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，首先采用超音速或冷喷涂工艺先后将镍基合金粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层，将FeAl固溶合金粉末以及钛酸钾陶瓷粉末组成的复合粉末沉积在结合底层表面形成工作层，然后进行热处理，通过热扩散使涂层内部FeAl合金固溶体转化生成金属间化合物并连接涂层内部的粒子间界面，使涂层内部粒子之间的结合得到增强，形成结合良好、性能优异的金属间化合物涂层，并使涂层表面形成均匀致密的α-Al₂O₃薄膜。本方法制备的涂层致密、结合良好，同时具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，确保了锌液中辊子的稳定、可靠工作，提高了热镀锌板带生产质量和效率。

Description

耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法。

背景技术

世界范围内钢铁工业最重要的贸易领域是热镀锌板带，其所经过的生产处理工艺包括：酸洗、连续退火、锌锅热浸镀锌和化学处理，这些产品的绝大多数应用于汽车工业、特别是轿车壳体，建筑业以及家用电器。

连续热镀锌锅通常由一根沉没辊和两根稳定辊组成，其中沉没辊是一个被动转向辊，两根稳定辊在锌钢带出锌锅前被动夹持带钢避免其出锌锅后的抖动，辊子的轴承部分由轴套和衬套构成，靠两者之间的滑动摩擦实现辊体转动，借助于锌液系统中辊子传输顺利实现带钢在锌锅中的进出；在液态锌锅中腐蚀、磨损、高温和高机械力等同时作用于传动部件上导致主要部件损伤，这里最关键的是取决于锌液中辊子的轴衬套系统的稳定工作。

近些年钴基合金基于其化学性质难溶于锌液被用于制作轴衬套材料，但其物理性质特别是较差的润滑性能不能满足使用需求，为了增加轴衬套系统的润滑性能，曾经采用过向锌锅中加入大约0.15－0.2wt%铅的方法，但由于近些年来环境方面的法规约束，采用这种方法已经大为减少。在现代化企业随着产量的急剧增加，带钢速度和张力大为增加，导致轴套轴瓦的使用寿命大为降低。日本专利JP03094984A采用等离子堆焊在不锈钢基体上堆焊钴基合金制作轴衬套，但存在焊道接缝处耐蚀性能下降等问题。中国ZL02155185.5采用高速火焰喷涂制备FeAl金属间化合物底层、FeAl-氧化物陶瓷的混合层以及氧化物陶瓷层，制备了由三层构成的梯度结构涂层，具有较好的耐熔蚀与耐磨损性能，然而，由于涂层具有本征的层状结构导致涂层内存在贯穿性的孔隙或裂纹，金属液可能到达FeAl表面导致FeAl容易被锌液熔蚀，同时，涂层与基体之间主要是机械结合，不能满足轴套和轴瓦工作时重载的工况需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，本方法制备的涂层致密、结合良好，同时具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，确保了锌液中辊子的稳定、可靠工作，提高了热镀锌板带生产质量和效率。

为解决上述技术问题，本发明耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法包括如下步骤：

步骤一、对基体进行喷砂预处理；

步骤二、采用镍基合金粉末以超音速喷涂或冷喷涂工艺在基体上喷涂打底结合层；

步骤三、在FeAl固溶合金粉末中加入钛酸钾陶瓷粉末，以超音速喷涂或冷喷涂工艺在打底结合层上喷涂表面工作层；

步骤四，在惰性气体保护和500℃～1100℃温度条件下，对基体的涂层进行热处理，使涂层与基体之间形成冶金结合，使表面工作层的FeAl合金转化为金属间化合物，喷涂态层状结构消失，并使涂层表面形成均匀致密的α-Al₂O₃膜。

进一步，所述镍基合金粉末的组分为重量百分比0.02～0.60％C、10.0～16％Cr、2.5～5.5％B、2.0～5.0％Si、1.0～3.0％Cu、1.0～3.0％Mo、2.0～5.0％Fe，余量为Ni和其它杂质。

进一步，所述FeAl固溶合金粉末中Fe与Al的原子配比为30:70～50:50。

进一步，所述钛酸钾陶瓷粉末的添加量为FeAl固溶合金粉末体积总量的0～30%。

进一步，所述惰性气体为氮气。

进一步，所述钛酸钾陶瓷粉末的粒度为0.5～45μm。

进一步，所述打底结合层的厚度为0.05～0.15mm，所述表面工作层的厚度为0.5～2.5mm。

由于本发明耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法采用了上述技术方案，即本方法首先采用超音速或冷喷涂工艺先后将镍基合金粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层，将FeAl固溶合金粉末以及钛酸钾陶瓷粉末组成的复合粉末沉积在结合底层表面形成工作层，然后进行热处理，通过热扩散使涂层内部FeAl合金固溶体转化生成金属间化合物并连接涂层内部的粒子间界面，使涂层内部粒子之间的结合得到增强，形成结合良好、性能优异的金属间化合物涂层，并使涂层表面形成均匀致密的α-Al₂O₃薄膜。本方法制备的涂层致密、结合良好，同时具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，确保了锌液中辊子的稳定、可靠工作，提高了热镀锌板带生产质量和效率。

具体实施方式

本发明耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法包括如下步骤：

步骤一、对基体进行喷砂预处理；

步骤二、采用镍基合金粉末以超音速喷涂或冷喷涂工艺在基体上喷涂打底结合层；

步骤三、在FeAl固溶合金粉末中加入钛酸钾陶瓷粉末，以超音速喷涂或冷喷涂工艺在打底结合层上喷涂表面工作层；

步骤四，在惰性气体保护和500℃～1100℃温度条件下，对基体的涂层进行热处理，使涂层与基体之间形成冶金结合，使表面工作层的FeAl合金转化为金属间化合物，喷涂态层状结构消失，并使涂层表面形成均匀致密的α-Al₂O₃膜。

进一步，所述镍基合金粉末的组分为重量百分比0.02～0.60％C、10.0～16％Cr、2.5～5.5％B、2.0～5.0％Si、1.0～3.0％Cu、1.0～3.0％Mo、2.0～5.0％Fe，余量为Ni和其它杂质。

进一步，所述FeAl固溶合金粉末中Fe与Al的原子配比为30:70～50:50。

进一步，所述钛酸钾陶瓷粉末的添加量为FeAl固溶合金粉末体积总量的0～30%。

进一步，所述惰性气体为氮气。

进一步，所述钛酸钾陶瓷粉末的粒度为0.5～45μm。

进一步，所述打底结合层的厚度为0.05～0.15mm，所述表面工作层的厚度为0.5～2.5mm。

实施例1：

将轴套不锈钢基材加工到堆焊前要求尺寸，对基体进行喷砂预处理，预热至150℃，底层镍基粉末成分重量百分比为：0.10％C、12％Cr、3.5％Si、4.5％B、1.0％Mo、2.0％Fe、2.0％Cu，工作层粉末将Fe、Al按照原子比1:1进行配比再加入体积分数为20%、粒度为15μm的钛酸钾粉末并充分混合均匀。采用HVOF喷涂制备底层厚度0.15mm，工作层厚度2mm的合金复合结构涂层，在N₂气保护和1000℃条件下对涂层进行热处理，使其转化为FeAl-K₂Ti₆O₁₄复合结构且与基体冶金结合涂层，后随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。

实施例2：

将轴瓦不锈钢基材内孔加工到堆焊前要求尺寸，炉内预热至180℃，底层镍基粉末成分重量百分比为：0.12％C、14％Cr、4.0％Si、4.2％B、2.0％Mo、2.5％Fe、2.0％Cu，工作层粉末将Fe、Al按照原子比60:40进行配比并加入体积分数10%、粒度为5μm的钛酸钾粉末充分混合均匀。采用HVOF喷涂制备底层厚度0.12mm，采用冷喷涂设备制备工作层厚度2.5mm的合金复合结构涂层，在N₂气保护和缓慢加热到960℃下对涂层进行热处理，使其转化为FeAl-K₂Ti₆O₁₄复合结构且与基体冶金结合涂层，后随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。

实施例3：

将轴套不锈钢基材加工到堆焊前要求尺寸，对基体进行喷砂预处理，预热至120℃，底层镍基粉末成分重量百分比为：0.15％C、16％Cr、4.5％Si、4.5％B、3.0％Mo、3.0％Fe、2.0％Cu。工作层粉末在陶瓷含量为零的情况下制备的涂层仅为FeAl涂层，尽管耐磨性会稍低，但同样具有本发明所预期的良好耐熔蚀效果。将Fe、Al按照原子比55:45并充分混合均匀。采用冷喷涂制备底层厚度0.12mm，工作层厚度2.2mm的合金结构涂层，在N₂气保护和980℃条件下对涂层进行热处理，使工作层FeAl合金转化为金属间化合物结构且与基体冶金结合，后随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。

本发明的复合涂层在制备过程中采用陶瓷颗粒含量不同的粉末从而得到陶瓷含量呈现台阶式变化或连续变化的梯度结构，以协调基体与涂层之间的热膨胀，进而降低涂层的内应力。

FeAl金属间化合物材料不仅具有优越的耐熔蚀性能，而且在400～600℃呈现出硬度随温度升高而升高的反常强化现象，对于热镀锌工况中的使用而言，尤其是与传统金属合金硬度随温度升高而降低的现象相比而言，还具有较好的耐磨损性能。

钛酸钾的分子式为K₂OnTiO₂，当n=6时就是六钛酸钾，晶体结构为隧道式，钾离子被包覆于隧道中间，而隔离周边的原子，从而具有很高的化学稳定性，形成的晶须是一种新型针状短纤维，是一种高性能复合材料增强剂，具有良好的力学性能和物理性能，还具有很高的耐热性能（在空气中1200℃）和良好的耐熔蚀、抗磨损和润滑性能，且与液态ZnAl不相互亲和。

NiCrBSi合金底层材料同时加入Mo和Cu可提高涂层的耐蚀性能，在热处理作用充分时有利于界面的相互润湿，涂层与基体形成完全的冶金结合。

冷喷涂是一种新型喷涂工艺，利用高压气流将低温（一般小于600℃）的固态粒子加速到一定的速度（300～1200mm/s)，从而与基体发生塑性碰撞，实现涂层的沉积，冷喷涂可以将粉末的组织结构和相结构转移到涂层中。

超音速火焰喷涂是通过燃料和氧气在喷枪燃烧室混合燃烧，高速燃烧火焰携带喷涂粒子从枪管高速喷出在基体上沉积形成涂层。由于粉末粒子以高速、高动能和相对较低的受热，能够制得高致密度、高结合强度、低氧化和材料成分变化小的涂层

本发明的特点：

1.轴衬套基材应与辊体及辊架不锈钢材料相一致，以降低或消除在装配和使用过程中产生的应力，方便两者之间的结合；

2.钛酸钾晶须材料的引入，改善涂层的耐腐蚀性能，降低轴套轴瓦之间工作时的摩擦系数，提高部件耐磨损性能；

3.NiCrBSi合金形成结合底层，实现了涂层与基体形成完全的冶金结合，满足轴套轴瓦高负荷的工况需求；

4.FeAl金属间化合物材料不仅具有优越的耐熔蚀性能，而且在工作温度区间呈现出硬度随温度升高而升高的强化现象；

5.采用超音速火焰喷涂和冷喷涂工艺能够制得高致密度、高结合强度、材料成分低氧化变化小甚至基本不变的涂层，同样适合于在钢铁镀锌沉没辊表面制备耐熔蚀涂层。

本方法所制备的金属间化合物基复合结构涂层，与传统热喷涂层的层状结构完全不同，具有涂层与基体以及涂层内部结合良好的材料特征，表面氧化膜呈现均匀致密的特性，能够有效实现耐熔蚀、抗磨损的特性。

Claims (7)

1.一种耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、对基体进行喷砂预处理；

步骤二、采用镍基合金粉末以超音速喷涂或冷喷涂工艺在基体上喷涂打底结合层；

步骤三、在FeAl固溶合金粉末中加入钛酸钾陶瓷粉末，以超音速喷涂或冷喷涂工艺在打底结合层上喷涂表面工作层；

步骤四，在惰性气体保护和500℃～1100℃温度条件下，对基体的涂层进行热处理，使涂层与基体之间形成冶金结合，使表面工作层的FeAl合金转化为金属间化合物，喷涂态层状结构消失，并使涂层表面形成均匀致密的α-Al₂O₃膜。

2.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述镍基合金粉末的组分为重量百分比0.02～0.60％C、10.0～16％Cr、2.5～5.0％B、2.0～5.0％Si、1.0～3.0％Cu、1.0～3.0％Mo、2.0～5.0％Fe，余量为Ni和其它杂质。

3.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述FeAl固溶合金粉末中Fe与Al的原子配比为30:70～50:50。

4.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述钛酸钾陶瓷粉末的添加量为FeAl固溶合金粉末体积总量的0～30%。

5.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气。

6.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述钛酸钾陶瓷粉末的粒度为0.5～45μm。

7.根据权利要求1所述的耐熔蚀抗磨损复合涂层的制备方法，其特征在于：所述打底结合层的厚度为0.05～0.15mm，所述表面工作层的厚度为0.5～2.5mm。