CN108546891A - 一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用 - Google Patents

一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用，各成分按重量百分比范围如下：23.2‑25.2wt%Cr、3.3‑4.5wt%B、3.1‑3.8wt%Si、3.2‑5.6wt%Nb、1.8‑2.8wt%Ni、10.3‑12.3wt%Mo、1.5‑2.0wt%Co、3.2‑4.2wt%Al2O3，余量为Fe；将原料加入感应电磁炉加热熔化；对熔化的金属液进行水雾化，然后干燥、筛分粉末；所述的粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用，采用超音速火焰喷涂技术制备涂层，本申请可获得硬度高，结合强度好，耐磨性能优异的涂层，适用于高参数阀门密封面等恶劣工况。

Description

一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于材料加工工程的热喷涂领域，具体涉及一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用。
背景技术
高参数阀门密封面、磨浆机磨盘等部件在实际工作过程中往往受到严重的磨损破坏，使部件表面变形、甚至损失部分材料，从而形成具有磨痕、坑槽的表面，导致部件的工作效率降低，使用寿命减短。迄今为止，通过表面技术修复部件或改善部件耐磨性能的方法受到了人们广泛的关注。
非晶态材料由于具有完全均一的组成，因此表现出一系列优异的机械性能、物理性能、以及化学性能，如具有高磁导率、低矫顽力、高弹性极限、优良的超塑性变形能力、良好的耐腐蚀性能等。其中，铁基非晶自其开发以来就受到了广泛的关注，这是因为铁基非晶不但具有超高的强度和硬度、优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，而且由于相对丰富的资源而大大地降低了制备非晶材料的成本。而氧化铝陶瓷相具有高的硬度、低的摩擦系数等优点，因此铁基非晶/氧化铝陶瓷复合材料有望具备更优异的耐磨性能。
热喷涂是目前制备高性能涂层最常用的工艺手段，其中超音速火焰HVOF喷涂由于具有高速和相对较低的温度这两个特征，获得的涂层往往具有更高的结合强度、密度和硬度。因此，设计一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，并采用HVOF工艺制备出对应涂层具有重要的实际意义。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用，解决现有技术中耐磨性能差和制备成本高昂等技术问题。
技术方案：一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：23.2-25.2wt% Cr、3.3-4.5wt% B、3.1-3.8wt% Si、3.2-5.6wt% Nb、1.8-2.8wt% Ni、10.3-12.3wt% Mo、1.5-2.0wt% Co、3.2-4.2wt% Al2O3，余量为Fe。
作为本发明的一种优选技术方案：所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：24.3wt% Cr、4.1wt% B、3.7wt% Si、4.8wt% Nb、2.3wt% Ni、11.8wt% Mo、1.8wt% Co、3.8wt% Al2O3，余量为Fe。
作为本发明的一种优选技术方案：所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的制备方法包括如下步骤：
第一步：按质量份数配比称取低碳铬铁72.4-78.6份、高碳铬铁8.1-8.8份、钴3.1-4.1份、电解镍4.0-6.2份、铌铁12.8-22.4份、硅铁8.3-10.1份、钼铁35.5-42.4份、硼铁7.4-10.1份、碳化硼6.1-8.3份、铁8.6-13.3份、氧化铝颗粒6.1-8.1份；
第二步：将低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解镍、铌铁、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁加入感应电磁炉中升温至2200-2300℃加热熔化；
第三步：将完全熔化后的金属液以400-600℃/h的降温速率进行降温，在金属液温度降为2000 ℃时加入一半的氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的搅拌速度搅拌；
第四步：当金属液温度降为1900 ℃时加入另一半的氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的速度搅拌均匀；
第五步：对均匀混合氧化铝颗粒的金属液进行水雾化，雾化的气压为15-25 MPa；
第六步：雾化结束后进行干燥，然后按颗粒粒径筛分粉末，筛分325~800目之间的粉末并真空封装，即得铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中氧化铝颗粒为纳米级氧化铝颗粒。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中感应电磁炉升温速率为60-80℃/min。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第六步干燥温度为120℃，干燥时间为3h。
本发明还提供了上述的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用。
有益效果：本申请所述一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末及其制备方法与应用采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、可获得硬度高，结合强度好，耐磨性能优异的涂层，适用于高参数阀门密封面等恶劣工况，易于产业化，应用前景广阔；
2、在该铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的成分中，B作为类金属元素，可以降低非晶合金的临界冷却速度，有利于非晶相的形成；Si起提高熔融金属流动性和体系非晶形成能力的作用；Nb可以起到沉淀强化的作用，提高涂层的强度和硬度；Co可以提高体系的玻璃形成能力，拓宽非晶形成范围；Ni的加入可以提高非晶的热稳定性，同时还有利于改善涂层的韧性；加入适量的Mo也可有效改善涂层的韧性。此外，超音速火焰喷涂制备的该铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层硬度高、均匀性好、孔隙率低、结合强度高，显现出优异的耐磨性能；
3、通过调配添加原子的种类和各原子之间的比例，使得原子间具有较大程度的原子错配，这会导致体系自由体积的减少、阻碍元素的扩散，提高体系的非晶形成能力和稳定性；
4、通过添加纳米氧化铝陶瓷颗粒，发挥氧化铝颗粒的高硬度、高耐磨性，进一步提高涂层的耐磨性能；
5、采用超音速火焰喷涂技术，在基体表面可以制备出孔隙率≤2%的致密涂层；
6、制备得到的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合涂层的结合强度≥60 MPa，显微硬度≥800HV0.3；
7、室温下涂层的耐磨损性能良好，磨损实验表明涂层的体积损失率≤0.1 mm3/h。
附图说明：
图1为本申请实施例1制备的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层的显微硬度分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
根据下述的实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本实施方式中采用DT2000图像分析软件依据灰度法测量涂层的孔隙率。采用HXD-1000TC显微硬度计测量涂层的显微硬度，选定载荷为300 g，载荷持续时间为15 s。耐磨性能采用FALEX6#型摩擦磨损试验机获得，选用直径为6 mm的Si3N4陶瓷球为对磨材料，设备主轴速度为15.9 rps、载荷为900 g，试验1 h后测定材料的体积损失。
实施例1
一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，制备方法包括如下步骤：
第一步：按质量份数配比称取低碳铬铁75.8份、高碳铬铁8.5份、钴3.7份、电解镍5.1份、铌铁19.2份、硅铁9.9份、钼铁40.7份、硼铁9.2份、碳化硼7.6份、铁10.8份、纳米级氧化铝颗粒6.8份；
第二步：将低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解镍、铌铁、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁加入感应电磁炉，加热到2250 ℃使材料全部熔化，感应电磁炉升温速率为60-80℃/min；
第三步：将完全熔化后的金属液以400-600℃/h的降温速率进行降温，在金属液温度降为2000 ℃时加入一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的搅拌速度搅拌，当金属液温度降为1900 ℃时加入另一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的速度搅拌均匀。
第四步：对均匀混合纳米级氧化铝颗粒的金属液进行水雾化，雾化的气压为20MPa，然后在120℃下干燥粉末3小时，筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
纳米级氧化铝颗粒熔点为2054 ℃，在熔炉温度降为2000 ℃和1900 ℃时分别加入纳米级氧化铝颗粒总量的一半，可以保证纳米级氧化铝颗粒不被熔化，并且容易形成纳米级氧化铝颗粒均匀分布的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末。
所述制得的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：24.3wt% Cr、4.1wt% B、3.7wt% Si、4.8wt% Nb、2.3wt% Ni、11.8wt% Mo、1.8wt%Co、3.8wt% Al2O3，余量为Fe。
所制备铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用，包括如下步骤：
第一步，对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
第二步，在喷砂粗化的基体表面制备打底层：采用等离子喷涂技术，在预处理后的基体上制备出80-100 μm厚的Ni/Al粘结底层；
第三步：将铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末放入超音速火焰喷涂设备JP-8000在打底层表面进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
采用超音速火焰喷涂工艺制备的铁基非晶/氧化铝复合防护涂层具有致密的结构，孔隙率较低。
从图1可以看出，涂层的硬度可达800 HV0.3以上，是基体硬度200 HV0.3的3-4倍。
实施例2
一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，制备方法包括如下步骤：
第一步：按质量份数配比称取低碳铬铁75.8份、高碳铬铁8.5份、钴3.7份、电解镍5.1份、铌铁19.2份、硅铁9.9份、钼铁40.7份、硼铁9.2份、碳化硼7.6份、铁10.8份、纳米级氧化铝颗粒6.1份；
第二步：将低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解镍、铌铁、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁加入感应电磁炉，加热到2250 ℃使材料全部熔化，感应电磁炉升温速率为60-80℃/min；
第三步：将完全熔化后的金属液以400-600℃/h的降温速率进行降温，在金属液温度降为2000 ℃时加入一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的搅拌速度搅拌，当金属液温度降为1900 ℃时加入另一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的速度搅拌均匀。
第四步：对均匀混合纳米级氧化铝颗粒的金属液进行水雾化，雾化的气压为20MPa，然后在120℃下干燥粉末3小时，筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
纳米级氧化铝颗粒熔点为2054 ℃，在熔炉温度降为2000 ℃和1900 ℃时分别加入纳米级氧化铝颗粒总量的一半，可以保证纳米级氧化铝颗粒不被熔化，并且容易形成纳米级氧化铝颗粒均匀分布的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末。
所述制得的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：24.3wt% Cr、4.1wt% B、3.7wt% Si、4.8wt% Nb、2.3wt% Ni、11.8wt% Mo、1.8wt%Co、3.2wt% Al2O3，余量为Fe。
所制备铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用，包括如下步骤：
第一步，对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
第二步，在喷砂粗化的基体表面制备打底层：采用等离子喷涂技术，在预处理后的基体上制备出80-100 μm厚的Ni/Al粘结底层；
第三步：将铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末放入超音速火焰喷涂设备JP-8000在打底层表面进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
实施例3
一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，制备方法包括如下步骤：
第一步：按质量份数配比称取低碳铬铁75.8份、高碳铬铁8.5份、钴3.7份、电解镍5.1份、铌铁19.2份、硅铁9.9份、钼铁40.7份、硼铁9.2份、碳化硼7.6份、铁10.8份、纳米级氧化铝颗粒8.1份；
第二步：将低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解镍、铌铁、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁加入感应电磁炉，加热到2250 ℃使材料全部熔化，感应电磁炉升温速率为60-80℃/min；
第三步：将完全熔化后的金属液以400-600℃/h的降温速率进行降温，在金属液温度降为2000 ℃时加入一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的搅拌速度搅拌，当金属液温度降为1900 ℃时加入另一半的纳米级氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的速度搅拌均匀。
第四步：对均匀混合纳米级氧化铝颗粒的金属液进行水雾化，雾化的气压为20MPa，然后在120℃下干燥粉末3小时，筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
纳米级氧化铝颗粒熔点为2054 ℃，在熔炉温度降为2000 ℃和1900 ℃时分别加入纳米级氧化铝颗粒总量的一半，可以保证纳米级氧化铝颗粒不被熔化，并且容易形成纳米级氧化铝颗粒均匀分布的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末。
所述制得的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：24.3wt% Cr、4.1wt% B、3.7wt% Si、4.8wt% Nb、2.3wt% Ni、11.8wt% Mo、1.8wt%Co、4.2wt% Al2O3，余量为Fe。
所制备铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用，包括如下步骤：
第一步，对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
第二步，在喷砂粗化的基体表面制备打底层：采用等离子喷涂技术，在预处理后的基体上制备出80-100 μm厚的Ni/Al粘结底层；
第三步：将铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末放入超音速火焰喷涂设备JP-8000在打底层表面进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
上述实施例1~实施例3制备的铁基非晶/氧化铝复合防护涂层的孔隙率、显微硬度、耐磨性能，其检测结果如下：
实施例 孔隙率/% 显微硬度/HV0.3 体积损失率/mm3·h-1
1 0.85 832 0.062
2 0.73 864 0.058
3 0.49 922 0.067
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，其特征在于：所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：23.2-25.2wt% Cr、3.3-4.5wt% B、3.1-3.8wt% Si、3.2-5.6wt% Nb、1.8-2.8wt% Ni、10.3-12.3wt% Mo、1.5-2.0wt% Co、3.2-4.2wt% Al2O3，余量为Fe。
2. 根据权利要求1所述的铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末，其特征在于：所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末包含以下成分，各成分按重量百分比配比如下：24.3wt% Cr、4.1wt% B、3.7wt% Si、4.8wt% Nb、2.3wt% Ni、11.8wt% Mo、1.8wt% Co、3.8wt% Al2O3，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：按质量份数配比称取低碳铬铁72.4-78.6份、高碳铬铁8.1-8.8份、钴3.1-4.1份、电解镍4.0-6.2份、铌铁12.8-22.4份、硅铁8.3-10.1份、钼铁35.5-42.4份、硼铁7.4-10.1份、碳化硼6.1-8.3份、铁8.6-13.3份、氧化铝颗粒6.1-8.1份；
第二步：将低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解镍、铌铁、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁加入感应电磁炉中升温至2200-2300℃加热熔化；
第三步：将完全熔化后的金属液以400-600℃/h的降温速率进行降温，在金属液温度降为2000 ℃时加入一半的氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的搅拌速度搅拌；
第四步：当金属液温度降为1900 ℃时加入另一半的氧化铝颗粒，并以2000-4000 r/min的速度搅拌均匀；
第五步：对均匀混合氧化铝颗粒的金属液进行水雾化，雾化的气压为15-25 MPa；
第六步：雾化结束后进行干燥，然后按颗粒粒径筛分粉末，筛分325~800目之间的粉末并真空封装，即得铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末。
4.根据权利要求3所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的制备方法，其特征在于：所述第一步中氧化铝颗粒为纳米级氧化铝颗粒。
5.根据权利要求3所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的制备方法，其特征在于：所述第二步中感应电磁炉升温速率为60-80℃/min。
6.根据权利要求3所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末的制备方法，其特征在于：所述第六步干燥温度为120℃，干燥时间为3h。
7.一种权利要求 1或2所述铁基非晶/氧化铝陶瓷复合粉末在制备耐磨损铁基非晶/氧化铝陶瓷复合防护涂层中的应用。
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