CN108588620A - 一种铁基非晶涂层及其制备方法 - Google Patents

一种铁基非晶涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁基非晶涂层的制备方法，包括：在基底表面采用高速电弧喷涂粉芯丝材，得到铁基非晶涂层；所述粉芯丝材包括粉芯，所述粉芯的成分为：15～25wt％的Cr；5～15wt％的Mo；5～15wt％的Al；1～5wt％的B；1～5wt％的Si；余量为Fe。本发明采用高速电弧喷涂粉芯丝材的方法获得铁基非晶涂层，本发明所采用的粉芯丝材具有特定的成分，这种成分的粉芯丝材经过电弧喷涂后得到的非晶涂层中非晶含量高、硬度和抗腐蚀性能好，而且这种粉芯丝材的原料价格低廉、不含贵金属元素，制备成本低，可大规模应用于防腐蚀耐磨等工艺领域。本发明还提供了一种铁基非晶涂层。

Description

一种铁基非晶涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，尤其涉及一种铁基非晶涂层及其制备方法。
背景技术
非晶材料由于没有晶界、析出相和成分偏析等晶体材料的缺陷，与其同等成分的晶体合金涂层相比，具有非常优异的硬度、强度、抗腐蚀和抗磨损性能。但是非晶块体材料的制备需要快速凝固工艺，对工艺条件要求苛刻，使得制备技术难度很大，以及室温脆性断裂等缺点限制了其工业应用。以涂层形式应用的性能独特的非晶材料不仅克服了块体非晶材料的缺点，也使非晶材料优异的性能得到极好的延伸，使其在工业上大范围的应用成为可能。
热喷涂技术不断突破和发展，高速电弧喷涂技术、超音速等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术等一系列的热喷涂技术广泛应用于工程机械、机电零部件的再制造及防腐耐磨等表面防护。其中，高速电弧喷涂技术由于设备简单、操作方便、效率高、成本低等特点，已在工业上得到较好的应用和推广。高速电弧喷涂过程中喷涂材料从熔化到快速冷凝至基体时的冷却速度可以达到105K/s，能够较为容易的获得非晶结构的涂层，弥补了非晶材料制备困难的技术缺陷；同时非晶材料的应用也扩展了电弧喷涂用材料，使其应用领域更加广阔。
关于高速电弧喷涂制备铁基非晶涂层及其性能研究，国内外学者都进行了大量的报道，如郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》(《金属学报》2007，43(7):780-784)中报道了FeCrBSiMoWMn的非晶涂层，具有良好的耐腐蚀性能。Branagan等(Journal of Thermal Spray Technology,2005,14(2):196-204)利用电弧喷涂SHS7170粉芯丝材(FeCrMoWBCSiMn)在锅炉管道壁上，起到了很好的抗高温冲蚀的效果。而河海大学吴玉萍等人(专利号：201410229686.1中国)、程江波(专利号：201110131654.4中国、专利号：201310001569.5中国)，安泰科技有限公司及钢铁研究总院卢志超等人(专利号：200610114516.4)，北京工业大学周正、贺定勇等人(专利号：201110210324.4中国、专利号：201210466545.2中国)都报道了电弧喷涂制备铁基非晶涂层的粉芯丝材。
但是现有技术中，由于受制于电弧喷涂技术本身在空气中易受氧化等因素的影响，制备的铁基非晶涂层的非晶含量较低，孔隙率较大，使得涂层质量不高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁基非晶涂层及其制备方法，本发明提供的铁基非晶涂层的非晶含量高、质量好。
本发明提供了一种铁基非晶涂层的制备方法，包括：
在基底表面采用高速电弧喷涂粉芯丝材，得到铁基非晶涂层；
所述粉芯丝材包括粉芯，所述粉芯的成分为：
15～25wt％的Cr；
5～15wt％的Mo；
5～15wt％的Al；
1～5wt％的B；
1～5wt％的Si；
余量为Fe。
本发明对所述基底的材质没有特殊的限制，本领域技术人员可根据实际需要在合适的基底表面进行喷涂，所述基底优选为钢材，更优选为45#钢材。本发明在进行高速电弧喷涂之前优选对所述基底先进行除油除锈和喷砂粗化。
本发明对所述高速电弧喷涂的具体操作方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的高速电弧喷涂的方法进行喷涂即可。在本发明中，所述高速电弧喷涂的电压优选为32～36V，更优选为33～35V，最优选为34V；所述高速电弧喷涂的电流优选为180～220V，更优选为190～210V，最优选为200V；所述高速电弧喷涂的距离优选为150～200mm，更优选为160～190mm，最优选为170～180mm；所述高速电弧喷涂的气压优选为0.7～0.8MPa，更优选为0.72～0.78MPa，最优选为0.74～0.76MPa。
在本发明中，所述高速电弧喷涂的厚度优选为0.1～5.0mm，更优选为0.2～4.0mm，更优选为0.3～3.0mm，更优选为0.4～2mm，最优选为0.5～1.5mm。在本发明中，优选对基底进行多遍高速电弧喷涂。在本发明中，所述高速电弧喷涂过程中优选进行冷却，更优选每高速电弧喷涂两遍冷却一次；所述冷却的方法优选为采用压缩空气进行冷却。
在本发明中，所述粉芯丝材，包括粉芯；
所述粉芯的成分为：
15～25wt％的Cr；
5～15wt％的Mo；
5～15wt％的Al；
1～5wt％的B；
1～5wt％的Si；
余量为Fe。
在本发明中，所述Cr的质量含量优选为18～22％，更优选为20％；所述Mo的质量含量优选为8～12％，更优选为10％；所述Al的质量含量优选为8～12％，更优选为10％；所述B的质量含量优选为2～4％，更优选为3％；所述Si的质量含量优选为2～4％，更优选为3％。
在本发明中，所述粉芯的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。
在本发明中，所述粉芯的制备方法优选包括：
将铬铁粉末、钼铁粉末、硼铁粉末、硅铁粉末和铝粉混合，得到粉芯。
在本发明中，所述铬铁粉末的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。在本发明中，所述钼铁粉末的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。在本发明中，所述硼铁粉末的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。在本发明中，所述硅铁粉末的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。在本发明中，所述铝粉的粒度优选为60～150目，更优选为80～120目，最优选为90～100目。
在本发明中，所述铬铁粉末、钼铁粉末、硼铁粉末、硅铁粉末和铝粉的用量比例满足上述技术方案所述的粉芯中各元素的质量含量即可。
在本发明中，所述粉芯丝材优选还包括包覆粉芯的金属外皮，所述金属外皮优选为钢带，所述钢带既可以为碳素钢带也可以为不锈钢带。在本发明中，所述不锈钢带的材质优选为304不锈钢、430不锈钢或316不锈钢。
在本发明中，所述粉芯丝材中粉芯的填充率优选为32～40％，更优选为34～38％，最优选为35～36％。
在本发明中，所述粉芯丝材的直径优选为1.5～1.7mm、1.9～2.1mm或2.9～3.1mm，更优选为1.6mm、2.0mm或3.0mm，最优选为2.0mm。
在本发明中，所述粉芯丝材的制备方法，优选包括：
将铬铁粉末、钼铁粉末、硼铁粉末、硅铁粉末和铝粉混合，得到粉芯粉体；
采用金属外皮对所述粉芯粉体进行包覆，得到粉芯丝材。
在本发明中，所述铬铁粉末、钼铁粉末、硼铁粉末、硅铁粉末和铝粉的粒度与用量比例与上述技术方案所述铬铁粉末、钼铁粉末、硼铁粉末、硅铁粉末和铝粉的粒度与用量比例一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述混合优选在混粉器中进行，所述混合的时间优选为1～3小时，更优选为1.5～2.5小时，最优选为2小时。
在本发明中，所述混合完成后，优选将得到的混合物进行干燥。在本发明中，所述干燥的方法优选为放入烘干箱中烘干保温。
在本发明中，所述包覆的方法优选为：
将所述粉芯粉体填充至带有U形槽的金属外皮中，将U形槽闭合后拉拔，得到粉芯丝材。
在本发明中，优选将钢带进行压制，使其具有U形槽。
在本发明中，所述粉芯粉体填充至U形槽中的填充率与上述技术方案所述粉芯的填充率一致，在此不再赘述。
本发明将U形槽闭合使粉芯粉体包覆在其中。
本发明进行拉拔使U形槽闭合后的金属外皮减径，得到所需直径尺寸的粉芯丝材。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的铁基非晶涂层。在本发明中，所述铁基非晶涂层的厚度优选为0.1～5.0mm，更优选为0.2～4.0mm，更优选为0.3～3.0mm，更优选为0.4～2.0mm，最优选为0.5～1.5mm。
在本发明中，所述铁基非晶涂层的非晶含量优选≥70％，更优选为80～85％，最优选为85～92％。
在本发明中，所述铁基非晶涂层的孔隙率优选≤2％，更优选为1.8～2.0％，最优选为1.5～1.7％。
本发明针对现有的电弧喷涂铁基非晶涂层质量不高，非晶含量较低，成本昂贵等问题，提供了一种铁基非晶涂层的制备方法，本发明提供的铁基非晶涂层采用一种特殊成分的粉芯丝材进行高速电弧喷涂制备得到，这种粉芯丝材由最普通的工业用铁基合金粉末铬铁、硼铁、钼铁、硅铁和铝粉组成，金属外皮钢带可使用普通碳素钢或不锈钢带，制备成本低廉。采用本发明提供的方法制备得到的铁基非晶涂层组织结构致密，孔隙率≤2％，非晶含量高，非晶含量体积分数≥70％；而且这种非晶涂层具有较高的结合强度和内聚强度，喷涂厚度可达5.0mm，具有优异的耐磨耐蚀性能。
与现有技术相比，本发明提供的方法制备得到的铁基非晶涂层，非晶含量高≥70％，孔隙率低≤2％，具有较高的结合强度和内聚强度，涂层厚度可达5.0mm，在酸性碱性环境中都有较优异的耐腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1获得的铁基非晶涂层的X射线衍射图谱；
图2为本发明实施例1获得的铁基非晶涂层的截面形貌图；
图3为本发明实施例1和实施例2获得的铁基非晶涂层的电化学曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做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60～150目的工业合金粉末铬铁、钼铁、硼铁、硅铁、铝粉按元素质量百分比：23％Cr、5％Mo、5％Al、2％B、2％Si、余量Fe，称重配料。
将配料后的混合粉末放入混合器中混合2小时，混合均匀后烘干保温，得到粉芯粉体。
选用12×0.3mm(12mm宽，0.3mm厚)的304不锈钢带，先将其轧出U形槽，然后将上述粉芯粉体按填充率37％的量加入U形槽中，将U形槽合口，经过拉丝减径拉至所需直径2mm，制成粉芯丝材。
采用上述制备得到的粉芯丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的45#钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流为200A，喷涂距离为180mm，喷涂气压0.75MPa，喷涂多遍，每两遍经压缩空气冷却一次，得到铁基非晶涂层。
对本发明实施例1获得的铁基非晶涂层进行XRD衍射测试，测试结果如图1所示，从图1中可以看出，在2θ＝40～50°区间出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构。说明采用高速电弧喷涂本发明实施例1制备的粉芯丝材，在涂层沉积过程中形成了非晶结构。图1中没有发现明显的晶体相衍射峰。通过对XRD图谱进行拟合计算，涂层中非晶含量体积分数为92％。
对本发明实施例1获得的铁基非晶涂层进行截面形貌观察，观察结果如图2所示，从图2可以看出，本发明实施例1提供的粉芯丝材制备的涂层组织均匀，结构致密，仅有少量的黑色晶化物夹杂。而且，涂层与基体结合非常好，喷涂厚度达到1.5mm左右时，涂层与基体结合仍然没有出现裂纹。通过灰度图像法测定涂层的孔隙率为1.5％。
实施例2
将60～150目的工业合金粉末铬铁、钼铁、硼铁、硅铁、铝粉按元素质量百分比：15％Cr、10％Mo、5％Al、5％B、5％Si、余量Fe，称重配料。
将配料后的混合粉末放入混合器中混合2小时，混合均匀后烘干保温，得到粉芯粉体。
选用12×0.3mm(12mm宽，0.3mm厚)的普通碳素钢带，先将轧出U形槽，然后将上述粉芯粉体按填充率40％的量加入U形槽中，将U形槽合口，经过拉丝减径拉至所需直径2mm，制成粉芯丝材。
采用上述制备得到的粉芯丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的45#钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流为200A，喷涂距离为180mm，喷涂气压0.75MPa，喷涂多遍，每两遍经压缩空气冷却一次，得到铁基非晶涂层。
按照实施例1的方法对本发明实施例2获得的铁基非晶涂层进行检测，检测结果为，本发明实施例2获得的铁基非晶涂层中非晶含量体积分数为85％，涂层孔隙率为1.7％，涂层组织均匀，结构致密，仅有少量的黑色晶化物夹杂，涂层与基体结合非常好，喷涂厚度达到1.5mm左右时，涂层与基体结合仍然没有出现裂纹。
测试本发明实施例1和实施例2获得的铁基非晶涂层在1mol/L的H2SO4的溶液中的动电位极化曲线，检测结果如图3所示，从图3中可以看出，本发明实施例提供的粉芯丝材制备的涂层的腐蚀电位约为-0.3V，钝化电流密度则在10-5～10-6A之间，具有较好的耐腐蚀性能。
由以上实施例可知，本发明提供了一种铁基非晶涂层的制备方法，包括：在基底表面采用高速电弧喷涂粉芯丝材，得到铁基非晶涂层；所述粉芯丝材包括粉芯，所述粉芯的成分为：15～25wt％的Cr；5～15wt％的Mo；5～15wt％的Al；1～5wt％的B；1～5wt％的Si；余量为Fe。本发明采用高速电弧喷涂粉芯丝材的方法获得铁基非晶涂层，本发明所采用的粉芯丝材具有特定的成分，这种成分的粉芯丝材经过电弧喷涂后得到的非晶涂层中非晶含量高、硬度和抗腐蚀性能好，而且这种粉芯丝材的原料价格低廉、不含贵金属元素，制备成本低，可大规模应用于防腐蚀耐磨等工艺领域。

Claims (10)

1.一种铁基非晶涂层的制备方法，包括：
在基底表面采用高速电弧喷涂粉芯丝材，得到铁基非晶涂层；
所述粉芯丝材包括粉芯，所述粉芯的成分为：
15～25wt％的Cr；
5～15wt％的Mo；
5～15wt％的Al；
1～5wt％的B；
1～5wt％的Si；
余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底选自钢材。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂的电压为32～36V。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂的电流为180～220A。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂的距离为150～200mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂的气压为0.7～0.8MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基底表面采用高速电弧喷涂粉芯丝材的次数为3次。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂粉芯丝材完成后，还包括：
将喷涂后的涂层进行冷却，得到铁基非晶涂层。
9.权利要求1～8中任意一项所述的方法制备得到的铁基非晶涂层。
10.根据权利要求9所述的铁基非晶涂层，其特征在于，所述铁基非晶涂层的厚度为0.1～5.0mm；
所述铁基非晶涂层中的非晶含量≥70％；
所述铁基非晶涂层中的孔隙率≤2％。
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