CN106367706B - 一种等离子熔射梯度耐磨板及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子熔射梯度耐磨板及制备方法和用途，它是在预处理的碳钢基体表面等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金作为过渡层，过渡层硬度48‑52HRC；在过渡层表面再采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，通过调整两个送粉器的送粉速率，进一步调整表面耐磨层的硬度和韧性，从而获得硬度达到58‑65HRC的耐磨层；所述等离子熔射反应粉末是由Fe、Ti、Cr、Ni、W、Al、B4C、TiC、SiC组成。本发明制备方法不但能增加涂层的致密度与结合力，还可实现陶瓷相含量由表层向过渡层乃至基体的梯度分布，进一步增加涂层的结合力。

Description

一种等离子熔射梯度耐磨板及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种在耐磨板表面形成耐磨复合涂层的制备方法，特别是一种依靠等离子熔射工艺，在普通碳钢表面形成高硬度的陶瓷相强化的耐磨复合涂层，获得高硬度、耐磨损、耐冲击性能优异、并具有一定减摩作用的耐磨板及制备技术。
背景技术
在矿山机械、煤场、水泥厂、港口、装载机械、火电厂等的采掘、分选、储存及运输的过程中都会造成机械设备的严重磨损。磨损主要从材料的表面开始，每年由于磨损造成了大量资源浪费和经济损失，因此致力于耐磨产品研发和表面改性技术的研究极其重要。如中国专利申请号201410774322.1，发明一种耐磨板材，通过堆焊填充方法将耐磨陶瓷与现有金属板材相结合。中国专利申请号201510352527.5，公开了一种可调式铲斗耐磨板，能够实现耐磨板磨损后进行位置调整，最大限度的利用耐磨板。中国专利申请号201410811154.9，发明一种复合耐磨板，应用于煤矿刮板输送机中部槽。复合耐磨板包括基板和嵌铸在基板上的抗磨层。基板材料为耐磨板，抗磨层材料为聚氨酯。中国专利申请号201310746761.7，公开了一种耐磨板及其制备方法，其包括有钢板、网格罩和耐磨材料粉末。其耐磨板材是将钢板、网格罩和耐磨塑粉末三者烧结成一体，通过烧结制得的耐磨板材具有耐磨塑料层的厚度厚，烧结牢度强的特点，从而提高了耐磨板材的适宜性和耐磨性能。中国专利号201610124797.5，公开了一种破碎机用耐磨板及其制造方法。通过熔铸方式在钢水中加入耐磨陶瓷颗粒，并均匀分布于使用面侧距表面15mm范围内，充分提高了耐磨板使用面的耐磨性；并利用悬浮铸造技术，通过氩气与变质处理配合精炼技术，解决了厚大断面无法获得均匀细晶粒组织的技术难题；具有生产工艺简单、成本低、耐磨性好、高强度、高韧性等优点。中国专利ZL200920257874.X介绍了一种带有耐磨合金表层的托辊，采用焊接的方式在托辊表面制备一层耐磨合金。中国专利申请号201120306908.7则采用涂覆+焙烧的方法在钢表面制备一层搪瓷涂层，提高耐磨性。
上述公开的文献中不管是通过堆焊填充方法将耐磨陶瓷块与现有金属板材相结合，还是包覆聚氨酯抗磨层材料，或者通过熔铸方式在钢水中加入耐磨陶瓷颗粒，或者用涂覆+焙烧的方法在钢表面制备一层搪瓷涂层等方法，虽然均可在一定范围内大幅度提高耐磨表面的性能，但在大的冲击磨损已经循环应力作用下容易发生破损、疲劳剥离等现象，而且耐磨板的性能单一，无法满足大范围以及复杂工况条件的需要。
针对上述问题，本发明结合矿山机械、煤场、水泥厂、港口、装载机械、火电厂等的采掘、分选、储存及运输机械表面的严重磨损，以及环境及性能要求，开发出一种采用等离子熔射反应技术，制备梯度耐磨板技术，在普通碳钢表面形成TiC、TiB2、Cr7C3、Fe3(C，B)、WC、Ti2SiC、Ti2AlC等高硬度的陶瓷相强化的耐磨复合涂层，这类涂层中的TiC、TiB2、Cr7C3、Fe3(C，B)、WC等颗粒形态各异，具有提高复合涂层强度、硬度，提高耐磨性的作用，而Ti2SiC、Ti2AlC等层状结构的化合物，具有自润滑减摩、提高韧性的效果；在耐磨层与基体之间等离子熔射一层Fe50过渡层，可以很好的解决了耐磨表面在恶劣工况环境下的磨损、冲击破环等问题。
发明内容
为了解决矿山机械、煤场、水泥厂、港口、装载机械、火电厂等机械设备在大的冲击磨损已经循环应力作用下容易发生破损、疲劳剥离等现象，而且耐磨板的性能单一，无法满足大范围以及复杂工况条件的需要，本发明开发一种新型梯度耐磨板，采用等离子熔射方法在碳钢表面制备带有表面耐磨层和中间过渡层的等离子熔射梯度耐磨板。
本发明同时提供这种等离子熔射梯度耐磨板的制备工艺。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种等离子熔射梯度耐磨板，它是在预处理的碳钢基体表面等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金作为过渡层，过渡层硬度48-52HRC；在过渡层表面再采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，通过调整两个送粉器的送粉速率，进一步调整表面耐磨层的硬度和韧性，从而获得硬度达到58-65HRC的耐磨层；
上述等离子熔射反应粉末是由以下重量百分比的原料组成的：(10.0-15.0)％Ti、(15.0-20.0)％Cr、(3.0-7.0)％Ni、(2.0-5.0)％W、(3.0-5.0)％Al、(6.0-10.0)％B4C、(2.0-5.0)％SiC、(5.0-10.0)％TiC，其余为Fe。
本发明等离子熔射梯度耐磨板的制备方法为：
第一步：原料准备
按照比例要求准确称取等离子熔射反应粉末Fe、Ti、Cr、Ni、W、Al、B4C、TiC、SiC，其中Ti、Cr、Ni、W、Al粉末粒径为100-120μm，B4C、TiC、SiC粉末粒径为25-40μm，Fe粉末粒径80-100μm，将上述粉末放入混料机中球磨8h，取出后备用；
所用的Fe50铁基自熔性合金粉末采用市售原料；
第二步：基体板表面预处理
按照常规办法对基体板表面进行表面预处理，目的主要是除油、除锈、除氧化皮，提高耐磨层的接触面积和结合强度；
第三步：梯度复合涂层制备工艺
第3.1步：将表面预处理后的钢板置于工作台上，采用等离子熔射设备制备涂层，双通道送粉器送粉，其中一个送粉筒装入Fe50铁基自熔性合金粉末，另一送粉筒装入等离子熔射反应粉末。
第3.2步：过渡层制备
先用单通道送粉，等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金，等离子熔射反应工艺参数：Fe50铁基自熔性合金送粉速率25g/min，转移弧电流为150A，电压40V，等离子发生器水平移动线速度为80mm/min，送粉气量为5L/min，等离子发生器频摆为40次/min，等离子喷嘴离表面的距离为10mm，涂层厚度控制在1.0-1.5mm，涂层硬度为48-52HRC；
第3.3步：表面耐磨层制备
采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，送粉速率控制在20-30g/min，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，送粉速率控制在10-15g/min，涂层厚度控制在1.5-2.0mm，其他参数同第3.2步，获得的表面耐磨层达到58-65HRC；
第四步：钢板平整、加工
钢板冷却至室温后，水平放置，以减小变形；使用时根据需要切割加工成所需的尺寸即可。
下面根据反应机理说明本发明的有益效果：
(1)在等离子热源加热作用下，粉末中发生原位反应，除了形成TiC、TiB2、Cr7C3、Fe3(C，B)、WC、SiC等硬质相之外，熔化的Ti、Al与部分TiC颗粒发生包晶反应Ti+Al+TiC→Ti2AlC(1)，熔化的Ti与部分SiC发生直接反应2Ti+SiC→Ti2SiC(2)，分别形成Ti2AlC、Ti2SiC硬质相；其中的TiB2、TiC为六边形片状或者立方体颗粒，尺寸8～13μm，WC颗粒呈三角形，尺寸为10～15μm，而Cr7C3、Fe3(C，B)多呈鱼骨状或者棒条流线状分布，增强相是多形态的，通过不同形态颗粒的复合强化，提高耐磨层自身的硬度、强度。
(2)在等离子热源加热作用下，反应形成Ti2AlC、Ti2SiC包围在原来的TiC、SiC颗粒周围，在涂层基体和TiC、SiC颗粒之间形成有效的过渡界面，类似于“芯-壳”结构，TiC、SiC颗粒为芯，Ti2AlC、Ti2SiC为壳，这一方面更有利于发挥TiC、SiC颗粒的增强作用，另一方面因为Ti2AlC、Ti2SiC自身的层状结构，有利于提高涂层的减摩润滑性能；
(3)在表面耐磨复合涂层与碳钢基体之间，采用Fe50铁基自熔性合金作为过渡层，其硬度介于碳钢基体和陶瓷复合材料之间，有利于支撑最表面的耐磨复合涂层，降低涂层中的残余应力；并且这类过渡层材料润湿性好，能进一步增加涂层的致密度与结合力，可以更好地发挥陶瓷涂层的高耐磨性；
(4)该发明涂层制备过程中，表面层采用制备采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是本发明的等离子熔射反应粉末，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，通过控制两个通道的送粉速率，可以调整表面层的硬度，实现陶瓷相含量由表层向过渡层乃至基体的梯度分布，进一步增加涂层的结合力。
该发明技术适用于多种磨损工况条件，例如：火电厂中速磨煤机筒体衬板、煤场送料槽及漏斗内衬、水泥厂溜槽内衬、装载机械料斗衬板、矿山机械输送机衬板、装载机和挖掘机铲斗板等。
附图说明
图1是本发明耐磨复合涂层微观组织图；
图2是图1的A部放大图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的实施过程进行描述。
实施例一
1、原料准备
准确称取质量百分比15.0％Ti、20.0％Cr、7.0％Ni、5.0％W、5.0％Al、10.0％B4C、5.0％SiC、10.0％TiC，其余为Fe,将上述粉末放入混料机中球磨8h，取出后备用作为等离子熔射反应粉末；
过渡层材料采用市售的Fe50铁基自熔性合金粉末。
2、钢板表面预处理
基体采用Q235，长、宽、厚尺寸为1000×500×20mm的钢板，表面预处理的目的主要是除油、除锈、除氧化皮，提高耐磨层的接触面积和结合强度。表面预处理分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除耐磨板表面的油污，再对耐磨板表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色。
3、梯度复合涂层制备工艺
将表面预处理后的钢板置于工作台上，采用等离子熔射设备制备涂层，双通道送粉器送粉，其中一个送粉筒装入Fe50铁基自熔性合金粉末，另一送粉筒装入本发明的等离子熔射反应粉末。
(1)过渡层制备：先用单通道送粉，在基体表面等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金。等离子熔射反应工艺参数：Fe50铁基自熔性合金送粉量25g/min，转移弧电流为150A，电压40V，等离子发生器水平移动线速度80mm/min，送粉气量5L/min，等离子发生器频摆40次/min，等离子喷嘴离表面的距离为10mm，涂层厚度控制在1.0-1.5mm，涂层硬度48-52HRC。
(2)表面耐磨层制备：采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，送粉速率控制在30g/min，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，送粉速率控制在10g/min，涂层厚度控制在1.5-2.0mm，其他参数同上，获得的表面耐磨层达到60-65HRC；形成的耐磨复合涂层的微观组织图见图1和图2，从图2局部放大图可以看出：耐磨复合涂层涂层中形成的Ti2AlC、Ti2SiC包围在原来的TiC、SiC颗粒周围，形成类似于“芯-壳”结构，TiC、SiC颗粒为芯，Ti2AlC、Ti2SiC为壳。
4、钢板平整、加工
将带有涂层的钢板冷却至室温后，水平放置，以减小变形；使用时可以依据需要切割加工成合适的尺寸。
实施例一的耐磨板适用于火电厂煤斗及破碎机衬板等。
实施例二
实施例二粉末质量百分比为：10.0％Ti、15.0％Cr、3.0％Ni、2.0％W、3.0％Al、6.0％B4C、2.0％SiC、5.0％TiC，其余为Fe。制备方法同实施例一基本相同，不同的是步骤3中梯度复合涂层制备工艺，表面耐磨层制备采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是本发明的等离子熔射反应粉末，送粉速率控制在20g/min，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，送粉速率控制在15g/min，获得的表面耐磨层达到58-60HRC。
实施例二的耐磨板适用于煤场揉捏机铲斗内衬，装载机械料斗衬板和抓斗刃板等。
实施例三
实施例三粉末质量百分比为：12.0％Ti、18.0％Cr、5.0％Ni、3.0％W、4.0％Al、8.0％B4C、3.5％SiC、7.5％TiC，其余为Fe，制备方法同实施例一基本相同，不同的是步骤3中梯度复合涂层制备工艺，表面耐磨层制备采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是本发明的等离子熔射反应粉末，送粉速率控制在25g/min，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，送粉速率控制在12g/min，获得的表面耐磨层硬度达到60-62HRC。
实施例三的耐磨板适用于铁矿烧结机衬板，刮板机衬板等。

Claims (3)

1.一种等离子熔射梯度耐磨板，其特征在于，它是在预处理的碳钢基体表面等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金作为过渡层，过渡层硬度48-52HRC；在过渡层表面再采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，通过调整两个送粉器的送粉速率，进一步调整表面耐磨层的硬度和韧性，从而获得硬度达到58-65HRC的耐磨层；所述等离子熔射反应粉末是由以下重量百分比的原料组成的：(10.0-15.0)％Ti、(15.0-20.0)％Cr、(3.0-7.0)％Ni、(2.0-5.0)％W、(3.0-5.0)％Al、(6.0-10.0)％B4C、(2.0-5.0)％SiC、(5.0-10.0)％TiC，其余为Fe。
2.一种等离子熔射梯度耐磨板的制备方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：原料准备
按照以下重量百分比准确称取等离子熔射反应粉末：(10.0-15.0)％Ti、(15.0-20.0)％Cr、(3.0-7.0)％Ni、(2.0-5.0)％W、(3.0-5.0)％Al、(6.0-10.0)％B4C、(2.0-5.0)％SiC、(5.0-10.0)％TiC，其余为Fe；
其中Ti、Cr、Ni、W、Al粉末粒径为100-120μm，B4C、TiC、SiC粉末粒径为25-40μm，Fe粉末粒径80-100μm，将上述粉末放入混料机中球磨8h，取出后备用；
第二步：基体板表面预处理
对基体板表面进行清洗-喷砂预处理，目的主要是除油、除锈和除氧化皮，提高耐磨层的接触面积和结合强度；
第三步：梯度复合涂层制备工艺
第3.1步：将表面预处理后的钢板置于工作台上，采用等离子熔射设备制备涂层，双通道送粉器送粉，其中一个送粉筒装入Fe50铁基自熔性合金粉末，另一送粉筒装入等离子熔射反应粉末；
第3.2步：过渡层制备
先用单通道送粉，等离子熔射一层Fe50铁基自熔性合金，等离子熔射反应工艺参数：Fe50铁基自熔性合金送粉速率25g/min，转移弧电流为150A，电压40V，等离子发生器水平移动线速度为80mm/min，送粉气量为5L/min，等离子发生器频摆为40次/min，等离子喷嘴离表面的距离为10mm，涂层厚度控制在1.0-1.5mm，涂层硬度为48-52HRC；
第3.3步：表面耐磨层制备
采用双通道送粉器同步送粉，一个通道是等离子熔射反应粉末，送粉速率控制在20-30g/min，另一个通道是Fe50铁基自熔性合金粉末，送粉速率控制在10-15g/min，涂层厚度控制在1.5-2.0mm，其他参数同第3.2步，获得的表面耐磨层达到58-65HRC；
第四步：钢板平整、加工
钢板冷却至室温后，水平放置，以减小变形；使用时根据需要切割加工成所需的尺寸即可。
3.一种如权利要求1所述的等离子熔射梯度耐磨板在火电厂中速磨煤机筒体衬板、煤场送料槽及漏斗内衬、水泥厂溜槽内衬、装载机械料斗衬板、矿山机械输送机衬板、装载机或挖掘机铲斗板中的应用。
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