CN107587131A - 耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层，要解决的技术问题是目前镀锌行业中普遍存在的非正常锌耗高、镀锌设备寿命短，本发明包括以下步骤：①以不锈钢板材作为基体材料，吹干作为基体备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为28‑32份、Nb为28‑32份、Cr为16‑20份，Mn为20‑24份；③取质量分数为10%‑20%的水玻璃将原料粉末调成糊状，均匀涂敷于板条状不锈钢基体表面；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，等离子熔覆即得目标产物。采用上述技术方案后的本发明解决沉没辊材料在热镀锌过程中的腐蚀问题，延长其使用寿命，减少锌的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备领域，具体涉及一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法。
背景技术
在连续热镀锌生产线上，熔融锌液对于锌锅中的各部件（如沉没辊、轴承、导向辊、支撑辊等）有强烈的腐蚀作用，尤其是镀锌生产中沉没辊等常用的316不锈钢尤为严重。工件的频繁维修和更换造成了资源的巨大浪费，并严重降低了生产效率和产品质量。
对此，国内外学者，也做了一些相应的表面改性处理。表面改性处理包括渗镀法、热喷涂和无机涂料等。渗镀法通常是表面渗硼，渗硼层和基体结合牢固，且通过共渗可以提高渗硼性能。虽然采用渗硼法处理过的工件抗锌液腐蚀能力有所提高，但生成的产物比较脆，且膨胀系数差别大，在锌液腐蚀环境下容易遭到破坏，不能满足实际需要。热喷涂研究最多的是WC-Co涂层和MoB-CoCr 涂层。这些涂层是目前应用最广泛的涂层，其耐蚀性相对较好，但是仍存在一些问题，比如，在锌液中仍然会发生裂纹腐蚀。还有无机涂料，无机涂料和基体钢铁之间的物理匹配性较差，工件的轻微碰撞很容易造成涂层的脱落，加速工件的腐蚀。造成镀锌行业中普遍存在的非正常锌耗高、镀锌设备寿命短等问题。
陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高耐磨性等优点，但由于陶瓷脆性大、冲击韧性低、加工性能差等特点，限制了其使用范围。而金属具有较好的室温强度、延展性、导电性和导热性，在性能方面与陶瓷形成互补。本发明结合陶瓷与金属两者优点，制备出陶瓷金属复合材料。SiO2具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、耐腐蚀、耐高温、抗冲击等特性，且具有良好的高温耐蚀性能。但是SiO2与316不锈钢之间的物理匹配性较差，涂层结合力很低。为防止涂层脱落，缓解涂层与基体的物理性能差别，在涂层中添加适量的Nb、Cr、Mn。这些金属元素不仅仅能够和基体的C进行很好的固溶结合，而且具有很好的耐蚀性能。等离子束表面处理技术沉积是一种一次性投资小、处理成本低的表面强化工艺，操作简单，能耗低。因此，采用等离子束表面处理技术，在低成本沉没辊常用材料基体上涂覆SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料，制成高性能表面，可抵抗液态锌的腐蚀，节约大量的贵重金属，降低能源消耗，降低产品成本，从而从根本上改善目前镀锌行业中普遍存在的非正常锌耗、镀锌设备寿命短等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前镀锌行业中普遍存在的非正常锌耗高、镀锌设备寿命短，提供一种具有较好的耐熔融锌液腐蚀效果的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：①以不锈钢板材作为基体材料，将不锈钢板材切割成板条状，将板条状不锈钢表面除油除锈，吹干作为基体备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为28-32份、Nb为28-32份、Cr为16-20份，Mn为20-24份；③取质量分数为10%-20% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为1.0-3.5mm，120-180℃烘干；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，等离子熔覆即得目标产物SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层。
步骤①所述的不锈钢板材为304、316L或316不锈钢板材。本发明采用沉没辊常用的316不锈钢板材作为基体材料。
步骤①所述的板条状不锈钢的尺寸为50mm×10 mm×5 mm。
步骤②是将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为30份、Nb为30份、Cr为18份，Mn为22份。
步骤③所述的取质量分数为15% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为2mm，150℃烘干。
步骤④等离子熔覆时的工作电流为120-150A ，工作电压为18-22 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.0-1.8m3/h，扫描速度为100-150mm/min。
步骤④等离子熔覆时的工作电流为130A ，工作电压为20 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.2m3/h，扫描速度为125mm/min。
本发明等离子束表面处理技术沉积是一种一次性投资小、处理成本低的表面强化工艺，操作简单，能耗低。SiO2/NbCrMn合金在高温熔融盐中（比如熔融NaCl、熔融Na2SO4等）显示优越的抗腐蚀性能。针对材料的特点和研究现状，本发明在316不锈钢上熔覆SiO2/NbCrMn 陶瓷金属复合材料涂层，起到较好的耐熔融锌液腐蚀效果，从而从根本上改善目前镀锌行业中普遍存在的非正常锌耗高、镀锌设备寿命短等问题。
本发明采用等离子体熔覆表面改性技术，在低成本沉没辊316不锈钢上熔覆SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料。该方法操作简便，制成的抗锌液腐蚀的涂层性能均优越于现有的锌液腐蚀材料，制成高性能表面，可抵抗液态锌的腐蚀，提高耐磨性，满足热镀锌新工艺的需求，节约大量的贵重金属，降低能源消耗，降低产品成本。沉没辊的使用寿命一般只能维持在5天左右，每次更换需要8小时，每一次沉没辊的维修需要2万元。如果按照我国热镀锌企业800家来计算，每年沉没辊的维修费至少要达到将近1.2亿左右。本项目成功实施后，适合大规模推广，能基本解决沉没辊材料在热镀锌过程中的腐蚀问题，延长其使用寿命，节约劳动时间，降低生产成本，提高热镀锌机组产量，减少锌的损耗。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将沉没辊常用的316不锈钢作为基体材料，切割成50mm×10 mm×5 mm的板条，表面除油除锈，吹干备用；将SiO2、Nb、Cr、Mn粉末用水玻璃调成糊状，均匀涂敷于基体表面，厚度为2mm，150℃烘干；上述烘干后的涂覆SiO2、Nb、Cr、Mn粉末的316基体作为阳极，等离子体炬作为阴极。工作电流120A ，工作电压22 V，Ar作为保护气体，保护气体流量为1.2 m3/h，扫描速度为150mm/min，等离子熔覆即得目标产物。
实施例2
将沉没辊常用的316不锈钢作为基体材料，切割成50mm×10 mm×5 mm的板条，表面除油除锈，吹干备用；将SiO2、Nb、Cr、Mn粉末用水玻璃调成糊状，均匀涂敷于基体表面，厚度为2mm，150℃烘干；上述烘干后的涂覆SiO2、Nb、Cr、Mn粉末的316基体作为阳极，等离子体炬作为阴极。工作电流130A ，工作电压21 V，Ar作为保护气体，保护气体流量为1.2 m3/h，扫描速度为135mm/min，等离子熔覆即得目标产物。
实施例3
将沉没辊常用的316不锈钢作为基体材料，切割成50mm×10 mm×5 mm的板条，表面除油除锈，吹干备用；将SiO2、Nb、Cr、Mn粉末用水玻璃调成糊状，均匀涂敷于基体表面，厚度为2mm，150℃烘干；上述烘干后的涂覆SiO2、Nb、Cr、Mn粉末的316基体作为阳极，等离子体炬作为阴极。工作电流140A ，工作电压20 V，Ar作为保护气体，保护气体流量为1.2 m3/h，扫描速度为120mm/min，等离子熔覆即得目标产物。
实施例4
将沉没辊常用的316不锈钢作为基体材料，切割成50mm×10 mm×5 mm的板条，表面除油除锈，吹干备用；将SiO2、Nb、Cr、Mn粉末用水玻璃调成糊状，均匀涂敷于基体表面，厚度为2mm，150℃烘干；上述烘干后的涂覆SiO2、Nb、Cr、Mn粉末的316基体作为阳极，等离子体炬作为阴极。工作电流150A ，工作电压18V，Ar作为保护气体，保护气体流量为1.2 m3/h，扫描速度为100mm/min，等离子熔覆即得目标产物。
实施例5
一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：①将沉没辊常用的316不锈钢作为基体材料，切割成50mm×10 mm×5 mm的板条，表面除油除锈，吹干备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为30份、Nb为30份、Cr为18份，Mn为22份；③取质量分数为15% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为2mm，150℃烘干；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，工作电流为130A ，工作电压为20 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.2m3/h，扫描速度为125mm/min，等离子熔覆即得目标产物SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层。
实施例6
一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：①以304不锈钢板材作为基体材料，将不锈钢板材切割成50mm×10 mm×5 mm的板条状，将板条状不锈钢表面除油除锈，吹干作为基体备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为28份、Nb为28份、Cr为16份，Mn为20份；③取质量分数为10% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为1.0mm，120℃烘干；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，工作电流为120A ，工作电压为18 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.0m3/h，扫描速度为100mm/min，等离子熔覆即得目标产物SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层。
实施例7
一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：①以304不锈钢板材作为基体材料，将不锈钢板材切割成50mm×10 mm×5 mm的板条状，将板条状不锈钢表面除油除锈，吹干作为基体备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为32份、Nb为32份、Cr为24份，Mn为20份；③取质量分数为20% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为1.0mm，180℃烘干；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，工作电流为150A ，工作电压为22 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.8m3/h，扫描速度为150mm/min，等离子熔覆即得目标产物SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层。
Claims (7)
1.一种耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：①以不锈钢板材作为基体材料，将不锈钢板材切割成板条状，将板条状不锈钢表面除油除锈，吹干作为基体备用；②将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为28-32份、Nb为28-32份、Cr为16-20份，Mn为20-24份；③取质量分数为10%-20% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为1.0-3.5mm，120-180℃烘干；④将步骤③烘干后的基体作为阳极，等离子体炬作为阴极，等离子熔覆即得目标产物SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层。
2.根据权利要求1所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤①所述的不锈钢板材为304、316L或316不锈钢板材。
3.根据权利要求1所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤①所述的板条状不锈钢的尺寸为50mm×10 mm×5 mm。
4.根据权利要求1所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤②是将以下重量份的原料粉末混合：SiO2为30份、Nb为30份、Cr为18份，Mn为22份。
5.根据权利要求1所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤③所述的取质量分数为15% 的水玻璃将步骤②混合后的原料粉末调成糊状，均匀涂敷于步骤①所制备的板条状不锈钢基体表面，涂敷厚度为2mm，150℃烘干。
6.根据权利要求1所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤④等离子熔覆时的工作电流为120-150A ，工作电压为18-22 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.0-1.8m3/h，扫描速度为100-150mm/min。
7.根据权利要求6所述的耐熔融锌液腐蚀的SiO2/NbCrMn陶瓷金属复合材料涂层的制备方法，其特征在于：步骤④等离子熔覆时的工作电流为130A ，工作电压为20 V，Ar作为保护气体，保护气体Ar的流量为1.2m3/h，扫描速度为125mm/min。
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