CN108085636B - 一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法 - Google Patents

一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材，包括芯粉和外皮，芯粉的粒度为160～170目，外皮材料为304L不锈钢，芯粉的成分按质量百分比计为：碳化钛15～35％，硼铁6～18％，金属钼粉0.1～2％，五氧化二钒0.3～5％，二氧化硅1～5％，氧化铝0.5～6％，碳粉5～20％，稀土氧化物0.1～3％，余量为铁，本发明还提供了上述丝材的制备方法。根据本发明配方制备得到的丝材，导电性能良好，融化充分，喷涂工艺稳定，喷涂得到的涂层质量良好，没有明显晶界，具备超高硬度及优异的耐磨粒磨损性能，相对耐磨性高于YG8硬质合金，可广泛应用于1100℃以下摩擦磨损和冲蚀磨损环境。

Description

一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法
技术领域
本发明属于复相陶瓷技术领域，具体涉及一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法。
背景技术
碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度(>30GPa)是其他材料无可比拟的，是超硬材料家族中的重要成员。在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合(>90％)，具有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52g/cm3)、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力，较低的膨胀系数(5.0×10-6/K)和热电性能(140S/m，室温)，故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。但由于碳化硼本身具有较低的断裂韧性、过高的烧结温度、抗氧化能力较差、以及对金属的稳定性较差等缺点，限制了其在工业上的进一步应用。所以国内外的科研工作者对改善碳化硼陶瓷的性能进行了大量研究，并提出了碳化硼复相陶瓷的概念。碳化硼粉末的工业制取方法主要有电弧喷涂法、碳管炉及电弧炉碳热还原法、高温自蔓延合成法、激光化学气相反应法和溶胶-凝胶碳热还原法等。
电弧喷涂技术具有高效、低成本、适合现场和大面积施工等优点，是热喷涂技术中成本最低、最适宜大面积推广的一种。然而，电弧喷涂的原理决定了其最初只能用来喷涂可导电的低熔点金属丝材，而难以直接获得具有高熔点、高硬度、高耐磨、不导电等特性的高性能陶瓷涂层。20世纪70年代末，粉芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。与实芯丝材相比，电弧喷涂粉芯丝材兼具外皮与内芯两种材料的优点，既克服了高合金或金属间化合物成分难以拔丝的困难，又能使不导电的陶瓷颗粒材料填充到粉芯丝材中，使电弧喷涂技术成功应用于陶瓷、金属陶瓷及金属间化合物涂层的制备，拓宽了电弧喷涂涂层材料的应用领域，推动了电弧喷涂技术的快速发展。自蔓延高温合成技术是利用反应原料自身燃烧反应放出的热量使化学反应过程自发持续进行，以获得具有指定成分与结构产物的一种新型材料合成技术。它具有工艺、设备简单，成本低；能耗和原材料消耗少；反应温度高，产物纯度高；能够充分利用原位复合等优点，特别适于制备陶瓷、金属陶瓷及陶瓷基复合材料等具有高熔点、高硬度、高强度特征的材料。
CN102877018A公开了一种复相陶瓷涂层的原位反应合成制备方法，首先选择适宜的金属外皮材料，在外皮内包裹一种自蔓延高温合成体系的反应型药芯，制备粉芯丝材，利用电弧喷涂设备进行自反应电弧喷涂，喷涂过程中通过电弧引燃喷涂体系的高放热自蔓延反应，在快速生成目标陶瓷相的同时，利用电弧能量与自蔓延反应放热获得高温陶瓷熔体，并以高压雾化气体使其铺展于金属基体表面，利用高温陶瓷熔体的快速凝固特征，获得具有微纳米晶结构特征的高性能复相陶瓷涂层，发明设备简单，成本低，适用面广，可应用于军事和民用工业装备中承受磨损、腐蚀和高温环境的零部件表面强化与防护，然而该发明所提供的方法稳定性不够理想，自蔓延反应速度难以控制。CN1730713公开了一种循环流化床锅炉用高强耐磨电弧喷涂丝材，以304L不锈钢带或不锈钢带为丝材外皮，丝芯中添加有CrB2和B4C的混合物粉末，该发明所述电弧喷涂丝材应用于循环流化床锅炉受热面防磨效果很好，是市场上一般耐磨丝材制作的涂层寿命的2-3倍，然而该发明的施工难易未见报道。
目前电弧喷涂陶瓷涂层多采用直接在粉芯丝材内填充喷涂陶瓷材料的方法制备，喷涂过程中存在陶瓷材料难以完全熔化、陶瓷相分布不均匀、涂层层间结合弱等突出问题，使涂层性能受到重要的不利影响，或者在金属、合金中添加少量反应组元，喷涂过程中通过反应合成陶瓷相来获得硬质相颗粒增强金属基复合涂层，以提高涂层的耐磨、耐高温等性能，但由于陶瓷相含量较少，涂层的综合性能，尤其是耐高温磨损性能仍无法与以陶瓷为主体的陶瓷基复合涂层相媲美。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材。
本发明的目的之二是提供上述热喷涂丝材的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材，包括芯粉和外皮，所述药芯粉的粒度为160～170目，所述的外皮材料为304L不锈钢，所述芯粉的成分按质量百分比计为：
碳化钛25～65％，
硼铁6～25％，
金属钼粉0.1～2％，
五氧化二钒0.3～5％，
二氧化硅1～5％，
氧化铝0.5～6％，
碳粉5～25％，
稀土氧化物0.1～3％，
余量为铁及其它微量。
优选地，所述的碳化钛纯度大于90％。
优选地，所述的硼铁含硼量为20％。
优选地，所述的金属钼粉含铬量大于90％。
优选地，所述的五氧化二钒纯度大于95％。
优选地，所述的稀土氧化物为Sm2O3、Nd2O3和La2O3中的一种或两种的混合物。
优选地，所述的稀土氧化物中，Sm2O3、Nd2O3和La2O3的重量比为(0.5～2):(0.5～2):1。一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料粉体按配比混合搅拌均匀后，放入炉中于200℃烘干2小时，得到药芯粉末；
(2)将304L不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤(1)得到的药芯粉末填充入U型槽中，再通过成型机将型槽碾压后闭合并拉拔，得到药芯丝材；
(3)最后用拉丝机将步骤(2)制备的药芯丝材拉直。
优选地，步骤(2)中所述药芯粉末的填充率为43～46％。
优选地，步骤(2)中所述拉拔的标准为药芯丝材的直径达到2.6～3.0mm。
本发明的有益效果
1、根据本发明配方制备得到的丝材，导电性能良好，融化充分，喷涂工艺稳定，涂层质量良好；
2、根据本发明配方制备得到的丝材，没有明显晶界，具备超高硬度及优异的耐磨粒磨损性能，相对耐磨性高于YG8硬质合金，可广泛应用于1100℃以下摩擦磨损和冲蚀磨损环境。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例提供了原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料粉体按配比混合搅拌均匀后，放入炉中于200℃烘干2小时，得到药芯粉末；
(2)将304L不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤(1)得到的药芯粉末填充入U型槽中，填充率为43％，再通过成型机将型槽碾压后闭合并拉拔，得到药芯丝材；
(3)最后用拉丝机将步骤(2)制备的药芯丝材拉直，直径为2.6mm。
实施例2
本实施例提供了原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料粉体按配比混合搅拌均匀后，放入炉中于200℃烘干2小时，得到药芯粉末；
(2)将304L不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤(1)得到的药芯粉末填充入U型槽中，填充率为46％，再通过成型机将型槽碾压后闭合并拉拔，得到药芯丝材；
(3)最后用拉丝机将步骤(2)制备的药芯丝材拉直，直径为3mm。
实施例3
采用实施例1提供的方法，制备了A～C三种丝材，采用实施例2提供的方法，制备了D～G四种丝材，具体成分配比如表1所示。
表1丝材配比明细
Figure GDA0002292718660000041
实施例4
本实施例比较了不同丝材的电弧喷涂性能，结果如表2所示。
表2电弧喷涂性能比较
Figure GDA0002292718660000042
Figure GDA0002292718660000051
实施例5
本实施例测试了使用丝材A～G的电弧喷涂后的涂层硬度，使用丝材A～G喷涂得到的陶瓷样块，制备尺寸规格为57mm×25.5mm×6mm的耐磨性试样，在MLS-23型湿砂橡胶轮式磨损试验机上进行磨损试验。磨损试验条件为：橡胶轮邵尔硬度为60HS，直径为178mm，加载砝码重2.5kg，磨损过程中橡胶轮转速为240r/min，采用广东新会所产40～60目石英砂充当磨粒，每次为1.5Kg配1kg自来水。磨损试样均先初步试磨1000转，然后用水冲洗干净，并立即用酒精擦拭，吹干，用电子天平测量其初重记为M0，紧接着正式磨1000转，同样的方法清洗吹干，称量其终重记为M1。由此可得出，试样的磨损失重为ΔM＝(M0-M1)*100％。同时以白口铸铁YG8作为对照比较，结果如表3所示。
表3维氏硬度测试结果和磨粒磨损损耗量
样块编号 HV<sub>0.1</sub> 磨损失重/％
使用A丝材的样块 2339 2.13
使用B丝材的样块 1487 12.60
使用C丝材的样块 2381 1.94
使用D丝材的样块 2343 1.13
使用E丝材的样块 1697 9.73
使用F丝材的样块 2316 2.36
使用G丝材的样块 2401 18.51
YG8样块 1835 10.59
实施例6
本实施使用丝材A～G喷涂得到的陶瓷块，采用HAWM-2型高温磨粒磨损装置进行高温磨粒磨损试验。试验参数为：温度分别为700℃、1000℃、1100℃和1200℃，载荷30N，转速75rpm，磨料为15目的棕刚玉，每次磨损1h更换新砂，结果如表4所示。采用相同的设备进行高温冲蚀磨损试验，试验参数为：温度分别为700℃、1000℃、1100℃和1200℃，送砂量300g/min，冲蚀速度80m/s，冲蚀距离40mm，冲蚀角度90°，冲蚀时间5min。同时以白口铸铁YG8作为对照比较，结果如表5所示。
表4高温磨粒磨损损耗量
Figure GDA0002292718660000061
表5高温冲蚀磨损损耗量
Figure GDA0002292718660000062

Claims (10)

1.一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材，包括芯粉和外皮，其特征在于，所述芯粉的粒度为160～170目，所述的外皮材料为304L不锈钢，所述芯粉的成分按质量百分比计为：
碳化钛15～35％，
硼铁6～18％，
金属钼粉0.1～2％，
五氧化二钒0.3～5％，
二氧化硅1～5％，
氧化铝0.5～6％，
碳粉5～20％，
稀土氧化物0.1～3％，
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的碳化钛纯度大于90％。
3.根据权利要求1所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的硼铁含硼量为20％。
4.根据权利要求1所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的金属钼粉含钼量大于90％。
5.根据权利要求1所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的五氧化二钒纯度大于95％。
6.根据权利要求1所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的稀土氧化物为Sm2O3、Nd2O3和La2O3中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求6所述的热喷涂丝材，其特征在于，所述的稀土氧化物中，Sm2O3、Nd2O3和La2O3的重量比为(0.5～2):(0.5～2):1。
8.根据权利要求1所述的原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将各原料粉体按配比混合搅拌均匀后，放入炉中于180～200℃烘干2小时，得到芯粉；
(2)将304L不锈钢钢带轧制成U型槽，将步骤(1)得到的芯粉填充入U型槽中，再通过成型机将型槽碾压后闭合并拉拔，得到丝材；
(3)最后用拉丝机将步骤(2)制备的丝材拉直。
9.一种如权利要求8所述的原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述芯粉的填充率为43～46％。
10.一种如权利要求8所述的原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述拉拔的标准为丝材的直径达到2.6～3.0mm。
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