CN105648384B - 一种用于制备铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：硼铁粉:17.5‑35.5％；铌铁粉:28‑45％；75号硅铁粉:4‑14％；碳化硼粉：8‑18％；纯铬粉:10‑20％；电解锰：0‑5％；纯钛粉：0‑8％；余量为还原铁粉。粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带；粉芯丝材填充率：28‑32％。用电弧喷涂制备具有较低热导率的铁基涂层时，喷涂工艺采取：电压28‑34V；电流160‑220A；喷涂距离180‑220mm；压缩空气压力0.4‑0.6MPa。本发明可获得硬度高、热导率较低的铁基涂层。

Description

一种用于制备铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法，特别涉及一种用于电弧喷涂制备低热导率铁基涂层的粉芯丝材及其涂层的制备方法，该发明可用于中低温环境(～650℃)中相关部件的隔热防护领域。

背景技术

随着汽车工业的发展，由汽车尾气的排放所带来的污染问题以及大量化石能源的消耗所引发的能源危机越来越引起人们的重视，在节能减排的指引下，汽车发动机的改造，即是在燃烧室和排气装置热端面制备热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)，被认为是一种比较适宜的解决办法。然而，目前针对TBCs的研究以陶瓷材料为主，然而，由于陶瓷材料固有的脆性本质，使得其在严苛的热和机械载荷作用下(如活塞、气门等部位)诱发高频热疲劳，严重影响了服役寿命，也成为制约其在汽车领域大范围推广应用的重要原因之一。因此，开发更为适用的金属基热障涂层(低热导率隔热涂层)材料已成为该领域关注的焦点问题之一。

近些年，利用热喷涂技术制备金属基涂层的研究已经展开，爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂等工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。而电弧喷涂因具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备热喷涂层的主要制备方法。

经检索，目前并无采用电弧喷涂制备具有较低热导率铁基涂层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明旨在提供一种低热导率的铁基涂层材料及其涂层的制备方法。

一种能够用于电弧喷涂制备低热导率铁基涂层的粉芯丝材，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：硼铁粉：17.5-35.5％；铌铁粉：28-45％；75号硅铁粉：4-14％；碳化硼粉：6-18％；纯铬粉：10-20％；电解锰：0-5％；纯钛粉：0-8％；余量为还原铁粉。粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢钢带；粉芯丝材填充率：28-32％。

所述粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带。

优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围为：硼铁粉：21.5-27.5％；铌铁粉：32-38％；75号硅铁粉：8-12％；碳化硼粉：8-16％；纯铬粉：10-14％；电解锰：1-3.5％；纯钛粉：3-6％；余量为还原铁粉。

采用本发明上述粉芯丝材制备一种具有较低热导率的非晶/纳米晶铁基涂层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1,按照权利要求1所述的粉芯丝材成分配置药芯粉末，轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；

步骤2,对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对基材进行喷砂处理；

步骤3,采用电弧喷涂工艺制备铁基涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：180-220mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。

采用上述方法制备的一种具有较低热导率的铁基涂层，此涂层可以应用于汽车相关部件的隔热防护领域。

一种采用电弧喷涂方法制备具有较低热导率的铁基涂层所具有的性能是主要是其自身组分所决定的。其作用为：

Fe与Cr元素：Fe为基础元素，Cr元素可有效地减少涂层氧化并增加涂层的抗蚀性。

Nb元素：Nb作为大原子添加到合金当中，能够与周围彼此约束的近邻原子形成类似网状结构和骨架结构，进一步降低原子的有序化程度，增加非晶相形成的倾向性，同时Nb有助于提高涂层硬度，增加耐磨性。

Ti元素：减少氧化，细化晶粒，能够显著提高铁基非晶合金的形成能力，且钛金属本身的热导率极低，本发明合金体系中该元素的加入有利于电弧喷涂层整体性能的提高并显著降低涂层的热导率，不可或缺。

B，C，Si元素：小尺寸原子，有利于提高合金系的非晶形成能力以及涂层的硬度，B与Si生成氧化物的吉布斯自由能相较较低，因此先于金属元素生成氧化物，加入B，Si，C可显著减少涂层中氧化物的数量。

Mn元素：改善涂层韧性。

涂层中的各个元素都是常规的元素，而涂层的非晶形成能力和隔热性能是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。

一种用于制备低热导率铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂技术在材料表面制备涂层后，涂层具有较低的热导率及较高的硬度。

本发明与常规的热障涂层相比，该铁基隔热涂层具有以下特点：

1、具有较低的热导率，可低至2.36W/mK；

2、金属基涂层表现出相对较好的韧性，能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷；

3、本发明采用的电弧喷涂工艺操作简单，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，相比于其他喷涂方法成本最低。

4、本发明中的铁基粉芯丝材中添加的合金粉末成本较低。

5、本发明制备的铁基电弧涂层具有较好的微结构特征，硬度高，耐蚀性好，同时具有较低的热导率。本发明对于相关热端部件隔热防护是一种较为适宜的解决方案。

附图说明

图1实施例3涂层X射线衍射图谱；

图2实施例3涂层的扫描电镜照片；

图3实施例3涂层的DSC曲线

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的430不锈钢带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；

2.喷涂基体为4032铝合金板，喷出涂层以后，磨掉基体，得到纯涂层样品。

实施例1

粉芯丝材药芯成分的质量百分比为：硼铁粉：28％；铌铁粉：40％；75号硅铁粉：6％；铬粉：15％；碳化硼粉：7％；电解锰：4％；钛粉：1％；余量为还原铁粉。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流180-200A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例2

粉芯丝材药芯成分质量百分比为：硼铁粉：23％；铌铁粉：35％；75号硅铁粉：10％；铬粉：11％；碳化硼粉：12％；电解锰：3.5％；钛粉：5.5％；余量为还原铁粉。填充率：30％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流200-210A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例3

粉芯丝材药芯成分质量百分比为：硼铁粉：24％；铌铁粉：36％；75号硅铁粉：10％；铬粉：12％；碳化硼粉：10％；电解锰：2.5％；钛粉：5.5％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例1

粉芯丝材药芯成分质量百分比为：硼铁粉：36％；铌铁粉：24％；75号硅铁粉：16％；铬粉：8％；碳化硼粉：6％；电解锰：2.5％；纯钛粉：0％；余量为还原铁粉。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流200-210A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例2

喷涂材料：316L不锈钢实芯丝。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流200-210A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

各实施例和对比例所制备涂层性能检测如下所述：

1.实施例及对比例所制备涂层进行显微硬度测试中，使用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷100g，持续时间10s，取10点显微硬度平均值；

2.对实施例及对比例所制备涂层进行室温热导率测试，采用TC-7000H型激光热导仪。测试参数如下：温度：室温；涂层试样表面经过砂纸打磨具有金属光泽，试样尺寸为直径Ф12.5mm，厚度1.0mm；涂层的热导率(单位W/mK)由α(热扩散系数)×Cp(热容)×ρ(密度)求得，其中α和Cp由TC-7000H型激光热导仪测得，ρ由阿基米德排水法测得。

3.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例及对比例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值。

通过综合考虑实施例及对比例涂层的孔隙率、显微硬度、热导率等性能，实施例与对比例涂层的孔隙率、显微硬度、热导率变化规律见表1，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得具有较低热导率的铁基涂层。实施例3涂层的X射线衍射图谱见图1，实施例3涂层的截面扫描电镜照片见图2，实施例3涂层的DSC曲线见图3。

表1实施例及对比例的孔隙率、显微硬度以及热导率结果

Claims (8)

1.一种电弧喷涂粉芯丝材，所述的粉芯丝材采用不锈钢钢带包裹铁基合金粉末，粉芯丝材的填充率为28-32％，其特征在于：铁基合金粉末包含以下质量百分含量的物质：硼铁粉：17.5-35.5％；铌铁粉：28-45％；75号硅铁粉：4-14％；碳化硼粉：6-18％；纯铬粉：10-20％；电解锰：0-5％；纯钛粉：0-8％；余量为还原铁粉；粉芯丝材中包裹的硼铁粉中含硼18％，铌铁粉中铌含量为65％，硅铁粉中含硅75％，碳化硼粉中含硼88％。

2.按照权利要求1所述的一种电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于：铁基合金粉末成分质量百分含量是：硼铁粉：21.5-27.5％；铌铁粉：32-38％；75号硅铁粉：8-12％；碳化硼粉：8-16％；纯铬粉：10-14％；电解锰：1-3.5％；纯钛粉：3-6％；余量为还原铁粉。

3.按照权利要求1的一种电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为430不锈钢带。

4.采用权利要求1-3任一项所述的电弧喷涂粉芯丝材制备具有较低热导率的非晶/纳米晶铁基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照粉芯丝材成分配置药芯粉末，轧制，最终获得粉芯丝材；

步骤2，采用电弧喷涂方法制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；

喷涂距离：180-220mm；压缩空气压力：0.4-0.6MPa。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤2所述的喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：200mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。

6.按照权利要求4的方法，其特征在于，粉芯丝材的直径为2.0mm。

7.采用权利要求4-6任一项所述的方法制备得到的具有较低热导率的非晶/纳米晶铁基涂层，热导率2.36W/mK-4W/mK。

8.按照权利要求7所制备的非晶/纳米晶铁基涂层用作热端部件的隔热防护涂层。