CN105803378A - 电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法及涂层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，包括以下步骤，首先进行基材预处理，然后采用电弧喷涂工艺在基材的待喷涂表面依次喷涂底层和面层，其中，底层采用FeAl丝喷涂，面层采用3Cr13丝在所述底层上喷涂，最后，进行喷涂后加工。本发明还提供了所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法制得的耐低温耐磨涂层。本发明采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，通过电弧喷涂技术在部件表面形成铁基耐磨涂层，设备简单、操作方便、效率较高、成本较低，对一些超大型部件可进行现场作业，同时，制备的耐磨涂层具有优良的耐腐蚀性能和较高的强度和耐磨性，长时间承受高负荷时可靠性强。

Description

电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法及涂层

技术领域

本发明涉及材料的耐低温耐磨表面涂层技术领域，尤其涉及一种电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法及耐低温耐磨涂层。

背景技术

在聚变反应堆装置内某些关键承重部件体积大、结构复杂，部件在超低温(-196℃)、高应力工程载荷、高辐射等极端条件下长期进行微动磨损，导致结构件失效。为了提高这些关键部件的使用寿命，需要在结构件表面涂覆一定厚度的高硬度、耐低温、耐磨损的涂层，从而保证工程结构件在聚变反应堆中长期服役。现有的工艺所制备的耐磨涂层难以兼备良好的力学性能和耐磨性能以及与基体的结合强度，不能在极低温高负载条件下长期使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有方法制备的耐磨涂层难以兼备良好的力学性能和耐磨性能以及与基体的结合强度从而不能在极低温高负载条件下长期使用的问题，进而提供一种兼具有良好的力学性能和耐磨性能以及与基体的结合强度的耐低温耐磨涂层及制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明的电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

S01：基材预处理

对基材表面进行预处理，使基材表面干净并易于喷涂；

S02：采用电弧喷涂工艺在基材的待喷涂表面依次喷涂底层和面层

首先，采用FeAl丝喷涂底层，所述FeAl丝中各组分的质量百分比为：Fe：98％～99.5％，Al：0.5～1.5％，Si：0～0.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流100A～200A，喷涂喷距100mm～300mm，底层喷涂厚度为0.1mm～0.2mm；

然后，采用3Cr13丝在所述底层上喷涂面层，所述3Cr13丝中各组分的质量百分比为Fe：85％～95％，Cr：4％～15％；Si：0-1.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流300A～400A，喷涂距离为100mm～350mm；面层厚度为1mm～2mm；

S03：喷涂后加工

对喷涂后的工件进行加工，使其达到所需要的表面粗糙度及厚度。

优选地，在步骤S01中包括对基材表面进行去油污处理的步骤。

优选地，在对基材表面进行去油污处理的步骤中采用丙酮进行去油污处理。

优选地，在步骤S01中对基材表面进行去油污处理的步骤后还包括对基材进行喷砂处理的步骤，通过喷砂处理在基材表面形成均匀砂层，使基材表面的粗糙度Ra达到3.0μm～4.0μm。

优选地，所述喷砂处理的步骤的工艺条件如下：

砂粒采用棕刚玉，喷砂压力0.4MPa～0.6MPa。

优选地，所述喷砂处理的步骤中，采用压缩空气吹冷的方式进行喷砂表面浮灰处理，压缩空气的流量为100L/min～1000L/min。

优选地，所述基材为金属基材。

优选地，所述金属基材为316LN不锈钢材料。

优选地，步骤S03中采用车削加磨削的方式进行后加工，其中，车削参数为：线速度：小于20m/min，车削留抛光余量：0.05mm～0.08mm，抛光后的表面粗糙度Ra：0.8～1.6μm，刀具可以为YG643或YG726。

本发明还提供采用所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法制得的耐低温耐磨涂层。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，通过电弧喷涂技术在部件表面形成铁基耐磨涂层，设备简单、操作方便、效率较高、成本较低，对一些超大型部件可进行现场作业；

(2)本发明采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，采用铁基合金作为耐磨涂层材料，具有优良的耐腐蚀性能和较高的强度和耐磨性，长时间承受高负荷时可靠性强。

(3)本发明采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法形成的耐磨涂层，具有较高的硬度，优异的热冲击性能，耐低温、化学稳定性好，可以实现耐磨涂层与金属基材材料之间的良好结合；本发明所制备的铁基涂层的维氏硬度在350-380MPa，载荷80MPa下，耐磨性比基底材料提高了20％。

(4)本发明采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，涂层内的残余应力减小，涂层具有良好的结合强度。

附图说明

图1为本发明的电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法的流程图；

图2为实施例1中经磨损试验后的工件表面电镜照片。

具体实施方式

由于聚变反应堆装置中一些关键承重部件体积大、结构复杂，移动不变，所以需要耐磨涂层的制备工艺能够适用于现场作业、大面积喷涂，基于上述需求，发明人选择了电弧喷涂工艺作为耐磨涂层的喷涂工艺，该工艺可进行现场作业、使用方便，能够在超大型部件局部进行表面处理，且该种工艺设备简单、操作方便、效率较高、成本较低。但是由于聚变反应堆的特殊应用条件，在提高不锈钢材料表面的硬度和耐磨性能以及与基体的结合强度方面提出了更高的要求，以防止聚变反应过程中发生材料局部失效，如何采用电弧喷涂工艺达到上述要求是本发明的关键，发明人研究发现采用双层涂层结构能够大大提高涂层的低温下的各项性能，同时，发明人还发现，双层涂层的材质，以及电弧电压、电弧电流、喷涂喷距和喷涂厚度是影响低温下各项性能的关键，并据此提出如下方案：

参见附图1，本发明的采用电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

步骤S01：基材预处理

对基材表面进行预处理，使基材表面干净并易于喷涂；

预处理步骤可以包括去油污处理的步骤，在去油污处理后还可以包括对基材进行喷砂处理的步骤，其中，去油污处理步骤中可以采用丙酮清洗去油污，喷砂处理步骤中需要使基材表面的粗糙度Ra达到3.0μm～4.0μm，工艺参数可以为：砂粒采用棕刚玉喷砂压力0.4MPa～0.6MPa，喷砂时间20s～100s。喷砂后，检查粗化质量，表面应均匀，无反光。在喷砂处理的步骤中，还可以采用压缩空气吹冷的方式进行喷砂表面浮灰处理，压缩空气的流量可以为100L/min～1000L/min。

步骤S02采用电弧喷涂工艺在基材的待喷涂表面依次喷涂底层和面层

首先，采用FeAl丝喷涂底层，所述FeAl丝中各组分的质量百分比为：Fe：98％～99.5％，Al：0.5～1.5％，Si：0～0.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流100A～200A，喷涂喷距100mm～300mm，底层喷涂厚度为0.1mm～0.2mm；

然后，采用3Cr13丝在所述底层上喷涂面层，所述3Cr13丝中各组分的质量百分比为Fe：85％～95％，Cr：4％～15％；Si：0-1.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流300A～400A，喷涂距离为100mm～350mm；面层厚度为1mm～2mm；

其中，FeAl丝的直径为可以约为1mm～1.6mm，3Cr13丝的直径可以约为2.5mm～3.0mm。

S03：喷涂后加工

对喷涂后的工件进行加工，使其达到所需要的表面粗糙度及厚度。可以车削加磨削的方式进行后加工，其中，车削参数为：线速度：小于20m/min，车削留抛光余量：0.05mm～0.08mm，抛光后的表面粗糙度Ra：0.8～1.6μm，刀具可以为YG643或YG726。

本发明中的基材可以是金属、陶瓷等等，金属材料可以是普通钢铁、不锈钢等，其中316LN不锈钢材料与本发明的方法制备的自润滑复合材料的结合性能优异。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。

实施例1

选用市售的316LN不锈钢为基材材料，试样尺寸为100mm×30mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra达到3.5μm。采用电弧喷涂设备ZPG400和ZPG-400B型进行喷涂，制备的耐磨涂层包括两个部分：底层和面层，底层采用FeAl丝喷涂，FeAl丝中个组分的质量百分比为：Fe：99.3％，Al：0.5％；Si：0.2％，面层采用3Cr13丝喷涂，3Cr13丝中各组分的质量百分含量为Fe：90％，Cr：8.5％，Si：1.5％。

其电弧喷涂喷涂的工艺参数见表1：

表1实施例1电弧喷涂工艺参数

工艺参数	底层	面层
			电压	30V	30V
电流	100A	300A
			喷涂距离	100mm	100mm
厚度	0.1mm	1mm

经后加工后涂层厚度为700μm，平均维氏硬度为HV0.3为355，结合强度为31MPa,载荷80MPa下，低温磨损(-196℃)30min后表面形貌如图2所示，表面磨损均匀，未见明显犁沟等现象。

实施例2

选用市售的304不锈钢为基材材料，试样尺寸为100mm×30mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra达到3.5μm。采用电弧喷涂设备ZPG400和ZPG-400B型进行喷涂，制备的耐磨涂层包括两个部分：：底层和面层，底层采FeAl丝喷涂，FeAl丝中各组分的质量百分含量为：Fe：98.8％，Al：0.7％；Si：0.5％，面层采用3Cr13丝喷涂，3Cr13丝中各组分的质量百分含量为Fe：87％；Cr：12％，Si：1％。

其电弧喷涂的工艺参数见表2:

表2实施例2电弧喷涂工艺参数

工艺参数	底层	面层
			电压	45V	45V
电流	200A	400A
			喷涂距离	300mm	350mm
厚度	0.2mm	1.2mm

经后加工后涂层厚度为800μm，平均维氏硬度为HV0.3为380，结合强度为35MPa,载荷80MPa下，低温磨损(-196℃)30min后表面磨损均匀，未见明显犁沟等现象。

实施例3

选用市售的316L不锈钢为基材材料，试样尺寸为100mm×30mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra达到3.2μm。采用电弧喷涂设备ZPG400和ZPG-400B型进行喷涂，制备的耐磨涂层包括两个部分：：底层和面层，底层采FeAl丝喷涂，FeAl丝中各组分的质量百分含量为：Fe：98％，Al：1.5％，Si:0.5％，面层采用3Cr13丝喷涂，3Cr13丝中各组分的质量百分含量为Fe：85％，Cr：14％，Si：1％。其电弧喷涂的工艺参数见表3。

表3实施例3电弧喷涂工艺参数

工艺参数	底层	面层
			电压	42V	42V
电流	150A	350A
			喷涂距离	200mm	250mm
厚度	0.15mm	1.5mm

经后加工后涂层厚度为500μm，平均维氏硬度为HV0.3为360，结合强度为32MPa,载荷80MPa下，低温(-196℃)磨损30min后表面磨损均匀，未见明显犁沟等现象。

Claims (10)

1.一种电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：基材预处理

对基材表面进行预处理，使基材表面干净并易于喷涂；

S02：采用电弧喷涂工艺在基材的待喷涂表面依次喷涂底层和面层

首先，采用FeAl丝喷涂底层，所述FeAl丝中各组分的质量百分比为：Fe：98％～99.5％，Al：0.5～1.5％，Si：0～0.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流100A～200A，喷涂喷距100mm～300mm，底层喷涂厚度为0.1mm～0.2mm；

然后，采用3Cr13丝在所述底层上喷涂面层，所述3Cr13丝中各组分的质量百分比为Fe：85％～95％，Cr：4％～15％；Si：0-1.5％，包括C在内的杂质总量不超过0.5％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V～45V，电弧电流300A～400A，喷涂距离为100mm～350mm；面层厚度为1mm～2mm；

S03：喷涂后加工

对喷涂后的工件进行加工，使其达到所需要的表面粗糙度及厚度。

2.如权利要求1所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：在步骤S01中包括对基材表面进行去油污处理的步骤。

3.如权利要求2所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：在对基材表面进行去油污处理的步骤中采用丙酮进行去油污处理。

4.如权利要求3所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：在步骤S01中对基材表面进行去油污处理的步骤后还包括对基材进行喷砂处理的步骤，通过喷砂处理在基材表面形成均匀砂层，使基材表面的粗糙度Ra达到3.0μm～4.0μm。

5.如权利要求4所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：所述喷砂处理的步骤的工艺条件如下：

砂粒采用棕刚玉，喷砂压力0.4MPa～0.6MPa。

6.如权利要求5所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：所述喷砂处理的步骤中，采用压缩空气吹冷的方式进行喷砂表面浮灰处理，压缩空气的流量为100L/min～1000L/min。

7.如权利要求6所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：所述基材为金属基材。

8.如权利要求7所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：所述金属基材为316LN不锈钢材料。

9.如权利要求1至8中任一项所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤S03中采用车削加磨削的方式进行后加工，其中，车削参数为：线速度：小于20m/min，车削留抛光余量：0.05mm～0.08mm，抛光后的表面粗糙度Ra：0.8～1.6μm，刀具可以为YG643或YG726。

10.采用如权利要求1至9中任一项所述电弧喷涂铁基合金化耐低温耐磨涂层的方法制得的耐低温耐磨涂层。