CN106756729B - 一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及制备方法 - Google Patents

一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及制备方法。本发明的材料由下述按质量百分比计的组分构成：Co 8～17％，FeB余量。以粒度均为0.1～10μm的Co粉和单相FeB粉为原材料，经过球磨、烧结、研磨和活性燃烧高速燃气喷涂等工艺制备金属陶瓷涂层，基材为316L不锈钢。本发明的金属陶瓷涂层孔隙率≤4.16％，涂层硬度HV≥328.87，涂层结合强度≥38MPa，其耐磨粒磨损性能相对于316L不锈钢基体提高10倍以上。本发明的金属陶瓷涂层耐锌液腐蚀和耐磨性能好，并且制备成本低，工艺简单，具有很好的应用前景。

Description

一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种表面涂层的制造领域，具体涉及一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及制备方法。
背景技术
热浸镀锌材料已广泛应用于交通、冶金、建材、通讯、电力等各个领域，但是由于锌液对几乎所有的金属具有强烈的腐蚀性，镀锌生产线上与液态锌直接接触的部件(沉没辊、导向辊，支撑辊)等的寿命成为镀锌行业的难题。由于金属陶瓷涂层易于修复且继承了陶瓷材料优良的耐腐蚀和耐磨损性能以及金属材料的良好韧性，金属陶瓷涂层在镀锌生产线得到了广泛应用，其中典型的有WC/Co系列、MoB/CoCr系列等，但是W和Mo等粉末价格相对较高且在热喷涂过程中，WC系列粉末容易发生脱碳和相的分解，形成W2C和η相(Co3W3C、Co6W6C)等脆性相使得涂层的耐磨粒磨损性能和断裂韧性等性能显著降低，间接地降低了涂层的使用寿命，当服役温度为540℃及以上时，涂层失效更快。相比于普通火焰喷涂方法，超音速火焰喷涂(HVOF)的焰流速度高，焰流温度低，喷涂粒子在空中停留时间短，从而粒子氧化程度低，因此非常适合制备金属陶瓷涂层。活性燃烧高速燃气喷涂工艺(AC-HVAF)是近几年发展起来的一种新型超音速火焰喷涂工艺，其特点是通过燃料在压缩空气中燃烧产生高速气流加热粉末，粉末被加热到熔融状态，并将粉末加速到700m/s以上，撞击基底形成涂层，与传统超音速火焰喷涂相比，其喷涂速率提高了5～10倍，且涂层具有极高致密度和极低氧化物等优良特点。因此，研发一种适合我国生产现状、资源现状、成本低廉并且组织以及性能稳定性优异的耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有耐锌液腐蚀材料存在的上述技术问题，本发明提供一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 8～17％，FeB余量；优选为Co 10～14％，FeB余量；更优选为Co11～13％，FeB余量；最优选为Co 12％，FeB余量。
上述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，采用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)，包括如下步骤：
(1)以粒度均为0.1～10μm的Co粉和单相FeB粉(纯度为99.99％)为原材料，所述原料按如下质量百分比混合：
Co 8～17％，FeB余量；
或Co 10～14％，FeB余量；
或Co 11～13％，FeB余量；
或Co 12％，FeB余量；
(2)向上述混合粉末中加入聚乙二醇(PEG)，其与粉末的质量比为1:80～120，然后经行星式球磨机湿磨混粉6～10小时，其中球磨机转速为200～250r/min，球料比为3～4:1，球配比为2～3:1，湿磨介质为无水乙醇；
(3)将混合均匀的粉末置于真空干燥箱中80～100℃干燥8～10h；
(4)将充分干燥的粉末置于真空烧结炉内进行烧结，在室温至420～450℃温度段升温速度为2～4℃/min，且在300～340℃和420～450℃分别保温70～100min进行脱胶，在420～450℃至1250～1300℃烧结阶段，升温速率为9～11℃/min，且在1160～1200℃保温120～150min，使得在球磨过程中产生的亚稳相Fe3B转变为稳定相Fe2B，在1250～1300℃保温150～180min，实现烧结胚体的致密化；
(5)将烧结完成的胚体经过破碎、研磨、筛分获得300目的筛下物，最后再通过筛分去除低于400目的粉末粒子，从而获得平均粒径为40μm的喷涂粉末。
(6)采用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)技术制备FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层。
本发明的有益效果是：
(1)本发明以Co粉和单相FeB粉为原材料，经过球磨、烧结、研磨和活性燃烧高速燃气喷涂等工艺制备金属陶瓷涂层，基材为316L不锈钢。
(2)本发明所得FeB/Co涂层在锌液中具有良好的耐锌液腐蚀性能；本发明的金属陶瓷涂层孔隙率≤4.16％，涂层硬度HV≥328.87，涂层结合强度≥38MPa。本发明的金属陶瓷涂层耐锌液腐蚀和耐磨性能好，具有良好的抗热震性能。
(3)本发明所得FeB/Co涂层具有优良的耐磨粒磨损性能，其耐磨粒磨损性能相对于316L不锈钢基体提高10倍以上。
本发明原材料资源丰富，成本相对较低，制备工艺简单，在热镀锌工业中拥有可观的应用前景。
附图说明
图1为实施例1涂层的微观组织形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明并不限于此。实施例1
一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 8％，FeB余量。
其制备方法如下：
(1)粒度均为0.1～10μm的Co粉和单相FeB粉为原材料，球磨前，向粉末中加入PEG，其与粉末质量比为1:90，两种粉末经行星式球磨机湿磨混粉7h，其中球磨机转速为210r/min，球料比为3:1，球配比为2:1，湿磨介质为无水乙醇。
(2)混合均匀的粉末在真空干燥箱进行80℃干燥，干燥时间为8h。
(3)将充分干燥的粉末置于真空烧结炉内进行烧结，在室温至420℃温度段升温速度为2℃/min，且在300℃和420℃分别保温80min进行脱胶，在420℃至1250℃烧结阶段，升温速率为9℃/min，且在1160℃保温120min,使得在球磨过程中产生的亚稳相Fe3B转变为稳定相Fe2B，在1250℃保温150min，实现烧结胚体的致密化。
(4)将烧结完成的胚体经过破碎、研磨、筛分获得300目的筛下物，最后再通过筛分去除低于400目的粉末粒子，从而获得平均粒径为40μm的喷涂粉末。
(5)采用AC-HVAF技术制备FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层。
实施例2
一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 12％，FeB余量。
其制备方法如下：
(1)粒度均为0.1～10μm的Co粉和单相FeB粉为原材料，球磨前，向粉末中加入PEG，其与粉末质量比为1:100，两种粉末经行星式球磨机湿磨混粉8h，其中球磨机转速为220r/min，球料比为4:1，球配比为2:1，湿磨介质为无水乙醇。
(2)混合均匀的粉末在真空干燥箱进行100℃干燥，干燥时间为9h。
(3)将充分干燥的粉末置于真空烧结炉内进行烧结，在室温至430℃温度段升温速度为3℃/min，且在320℃和430℃分别保温80min进行脱胶，在430℃至1250℃烧结阶段，升温速率为10℃/min，且在1180℃保温120min,使得在球磨过程中产生的亚稳相Fe3B转变为稳定相Fe2B，在1250℃保温160min，实现烧结胚体的致密化。
(4)将烧结完成的胚体经过破碎、研磨、筛分获得300目的筛下物，最后再通过筛分去除低于400目的粉末粒子，从而获得平均粒径为40μm的喷涂粉末。
(5)采用AC-HVAF技术制备FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层。
实施例3
一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 17％，FeB余量。
其制备方法如下：
(1)粒度均为0.1～10μm的Co粉和单相FeB粉为原材料，球磨前，向粉末中加入PEG，其与粉末质量比为1:110，两种粉末经行星式球磨机湿磨混粉9h，其中球磨机转速为240r/min，球料比为3:1，球配比为3:1，湿磨介质为无水乙醇。
(2)混合均匀的粉末在真空干燥箱进行90℃干燥，干燥时间为10h。
(3)将充分干燥的粉末置于真空烧结炉内进行烧结，在室温至450℃温度段升温速度为2℃/min，且在330℃和440℃分别保温80min进行脱胶，在440℃至1250℃烧结阶段，升温速率为11℃/min，且在1200℃保温130min,使得在球磨过程中产生的亚稳相Fe3B转变为稳定相Fe2B，在1250℃保温180min，实现烧结胚体的致密化。
(4)将烧结完成的胚体经过破碎、研磨、筛分获得300目的筛下物，最后再通过筛分去除低于400目的粉末粒子，从而获得平均粒径为40μm的喷涂粉末。
(5)采用AC-HVAF技术制备FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层。
比较例
为了与本发明所述的涂层耐磨粒磨损性能做对比，选用316L不锈钢作为比较例。材料由北京中金研有限公司提供。
将三种涂层分别置于盛有450℃锌液的不同石墨坩埚中进行耐锌液腐蚀性能试验，利用坩埚电阻炉进行加热保温，分别腐蚀24h、72h、120h、168h后将样品取出，利用扫描电子显微镜(SEM)分析合金的腐蚀界面的组织形貌，并用能谱仪(EDS)测定合金组成相的化学成分。测量涂层表面的孔隙率、涂层截面的硬度和涂层的结合强度。采用“失重法”测量涂层和基底的耐磨粒磨损性能。
图1为本发明方法制备的FeB-12Co涂层微观组织形貌。
三种成分的涂层在450℃液锌腐蚀24h并没有明显反应，说明涂层和锌液润湿性很差。实施例1-3涂层经120h腐蚀后，3种涂层局部均发生了腐蚀，腐蚀产物为FeZn13腐蚀沿着裂纹进行导致涂层剥落并漂移到锌液中。Co 8％时，涂层疏松多孔，不耐锌液腐蚀，Co 17％时，由于Co作为粘结剂不耐锌液腐蚀，Co 12％时，涂层耐锌液腐蚀性能最好，因此Co的含量影响了涂层耐铝液腐蚀性能的好坏。
表1为涂层孔隙率、硬度、结合强度值。由表可知涂层孔隙率随着Co含量的增加而降低，涂层硬度先增加后降低，涂层的结合强度增加。这主要是由于喷涂粒子中粘结相含量越高，粒子撞击基体时平摊效果更好，从而粒子与粒子之间的孔隙更小粒子与基体结合也更紧密；Co 8％时，涂层孔隙率高导致涂层硬度低，Co 17％时，此时涂层虽然具有低的孔隙率，但是涂层中软韧相增多硬质相减少，涂层硬度降低。
表1 Fe/Co涂层孔隙率、硬度、结合强度值
涂层序号 孔隙率 硬度 结合强度
实施例1 4.16 328.87 38
实施例2 1.56 517.70 49
实施例3 1.38 505.52 53
三种涂层表面的磨损机制都为典型的磨粒磨损，表面都出现较明显的磨坑，而316L不锈钢表面产生较明显的“犁沟”，这属于典型的塑性材料磨损形式，实施例1涂层表面缺陷多，磨损过程中易产生涂层粒子的剥落，实施例2涂层相对于其它两种涂层表面磨坑少而浅且未出现切削痕迹，实施例3涂层粘结相含量高，粘结相容易被磨粒切削。表2为实施例1-3涂层和316L不锈钢磨粒磨损实验样品质量随橡胶轮转数的变化规律。每个样先预磨300转，再以每轮300转正式磨5轮，由表可知，基体316L不锈钢的每轮磨损量较大且基本保持不变，三种涂层的耐磨粒磨损性能都远优于基体且在磨损初期失重量较大随后趋于平稳。
表2样品质量(mg)随橡胶轮转数(r)的变化规律
本发明的金属陶瓷涂层组织致密，与基材结合强度高，耐锌液腐蚀和耐磨性能好，并且制备成本低，工艺简单，具有很好的应用前景。

Claims (9)

1.一种FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 8～17％，FeB余量。
2.根据权利要求1所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 10～14％，FeB余量。
3.根据权利要求1所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 11～13％，FeB余量。
4.根据权利要求1所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，由如下按质量百分比计的组分构成：Co 12％，FeB余量。
5.权利要求1至4任一项所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以Co粉和单相FeB粉为原材料，所述原材料按如下质量百分比混合：
Co 8～17％，FeB余量；
或Co 10～14％，FeB余量；
或Co 11～13％，FeB余量；
或Co 12％，FeB余量；
(2)向上述混合粉末中加入聚乙二醇，其与粉末质量比为1:80～120，然后经行星式球磨机湿磨混粉6～10小时，其中球磨机转速为200～250r/min，球料比为3～4:1，球配比为2～3:1；
(3)将混合均匀的粉末置于真空干燥箱中80～100℃干燥8～10小时；
(4)将充分干燥的粉末置于真空烧结炉内进行烧结；
(5)将烧结完成的胚体经过破碎、研磨、筛分；
(6)采用活性燃烧高速燃气喷涂技术制备FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层。
6.根据权利要求5所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述的Co粉和单相FeB粉的粒度均为0.1～10μm，纯度均为99.99％。
7.根据权利要求5所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，湿磨介质为无水乙醇。
8.根据权利要求5所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)的烧结分段进行，具体为：在室温至420～450℃温度段升温速度为2～4℃/min，且在300～340℃和420～450℃分别保温70～100min，在420～450℃至1250～1300℃烧结阶段，升温速率为9～11℃/min，且在1160～1200℃保温120～150min，然后在1250～1300℃保温150～180min。
9.根据权利要求5所述的FeB/Co耐锌液腐蚀耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(5)的筛分为：先筛分获得300目的筛下物，再通过筛分去除低于400目的粉末粒子，得到平均粒径为40μm的喷涂粉末。
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