CN110670068A - 一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法，该涂层由含锆镍基碳化钨粉末制备而成，其中，含锆镍基碳化钨粉末由球型碳化钨和含氧化锆镍基合金粘结相构成，球型碳化钨体积百分比为30‑40%，镍基合金粘结相体积百分比为60‑70%；所述镍基合金粘结相中以质量百分比计，包括1～5%的硅、3～5%的硼、5～10%的碳、0.5～1.5%的锆、5～10%的铬、3～5%的铁，余量为镍。本发明的优点在于：本发明通过向镍基碳化钨粉末中添加微量氧化锆粉末，细化了等离子熔覆金属涂层，减少了金属涂层的细微裂纹，改善了金属涂层中镍基粘结相对碳化钨颗粒的把持力，提高了金属涂层的耐磨性，最终获得一种高耐磨耐腐蚀的金属涂层。

Description

一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层技术领域，特别涉及一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法。
背景技术
随着陆地矿产资源的日益贫乏和人类对海洋认识的日益深化，海底正成为人类进军的下一个领域深海底极为丰富的矿产资源。为了获取海底丰富的矿产资源，深海采矿技术十分重要。这一技术是集矿机将赋存在大面积洋底的结核采集起来，经过脱泥、破碎、经软管输送到水下中间平台的中继料仓里，然后由给料机将结核给入扬矿主管道，由提升泵将其提升到洋面采矿船上，此时提升系统中提升泵叶片使用寿命至关重要。
为了延长泵叶片的使用寿命，考虑在其表面熔覆耐磨耐腐蚀涂层，而泵叶片工作在海水环境中，要求其表面的熔覆涂层必须具备耐腐蚀性能。众所周知，镍基自熔性粉末加碳化钨硬质颗粒制成的涂层具有较高的硬度、较好的耐磨性和耐腐蚀性能，成为泵叶片涂层制备的最佳选择材料。
目前，制备镍基碳化钨涂层方法主要有等离子喷涂、激光熔覆和等离子熔覆技术等。其中，等离子喷涂制备出的金属涂层与基体属于一种机械结合，碳化钨颗粒极易脱落；激光熔覆时由于能量大，热量集中，镍基碳化钨涂层的残余应力较大，极易产生裂纹缺陷。这两种技术在工程实际应用中受到了限制。等离子熔覆技术是将电弧压缩成等离子弧，使用的电流小，与激光熔覆技术相比，热量小，熔覆金属涂层的热应力小，形成的过渡区要深一些，原子结合力强；同时，设备不贵，操作简便。因此，等离子熔覆技术被认为是制备镍基碳化钨金属涂层较为合适的一种技术，但是在实际制备过程中发现：金属涂层表面仍旧有细微裂纹存在。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够减少金属涂层表面的细微裂纹，提高金属涂层耐磨性的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层，其创新点在于：该涂层由含锆镍基碳化钨粉末制备而成，其中，含锆镍基碳化钨粉末由球型碳化钨和含氧化锆的镍基合金粘结相构成，其中球型碳化钨体积百分比为30%-40%，镍基合金粘结相体积百分比为60%-70%；所述镍基粘结相中以质量百分比计，包括1～5% 的硅、3～5% 的硼、5～10%的碳、0.5～1.5%的锆、5～10%的铬、3～5%的铁，余量为镍。
进一步地，所述球型碳化钨是由WC与W2C组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒。
进一步地，所述的镍基粘结相中包含Ni3Si相和Cr3Ni2相。
一种上述的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，其创新点在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h，并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h；
步骤3：将干燥好的含锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，且与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
进一步地，所述步骤3中调节工艺参数具体为离子气流量为1.8～2.2 L/min，送粉速率为14～16g/min，电流为75～85A，熔覆速率为2～4mm/s。
本发明的优点在于：本发明高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法，通过向镍基碳化钨粉末中添加微量氧化锆粉末，细化了等离子熔覆金属涂层，减少了金属涂层的细微裂纹，改善了金属涂层中镍基粘结相对碳化钨颗粒的把持力，提高了金属涂层的耐磨性，最终获得一种高耐磨耐腐蚀的金属涂层。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例3的高耐磨耐腐蚀金属涂层的微观形貌示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h，并将含氧化锆的镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h，其中，含氧化锆的镍基碳化钨粉末中Si含量为2.12%，B含量为1.52%，Cr含量为8.63%，Fe含量为2.24%，Zr含量为0.5%，W含量为33.42%，Ni为余量。球型碳化钨直径为50～150μm；
步骤3：将干燥好的含氧化锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数：离子气流量为2.0 L/min，送粉率为15g/min，电流为80A，熔覆速率为3mm/s，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
实施例2
本实施例高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h， 并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h，其中，含氧化锆的镍基碳化钨粉末中Si含量为2.12%，B含量为1.52%，Cr含量为8.63%，Fe含量为2.24%，Zr含量为0.7%，W含量为33.42%，Ni为余量。球型碳化钨直径为50～150μm；
步骤3：将干燥好的含氧化锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数：离子气流量为2.0 L/min，送粉率为15g/min，电流为80A，熔覆速率为3mm/s，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
实施例3
本实施例高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h， 并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h，其中，含氧化锆的镍基碳化钨粉末中Si含量为2.12%，B含量为1.52%，Cr含量为8.63%，Fe含量为2.24%，Zr含量为1%，W含量为33.42%，Ni为余量。球型碳化钨直径为50～150μm；
步骤3：将干燥好的含氧化锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数：离子气流量为2.0 L/min，送粉率为15g/min，电流为80A，熔覆速率为3mm/s，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
实施例4
本实施例高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h， 并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h，其中，含氧化锆的镍基碳化钨粉末中Si含量为2.12%，B含量为1.52%，Cr含量为8.63%，Fe含量为2.24%，Zr含量为1.2%，W含量为33.42%，Ni为余量。球型碳化钨直径为50～150μm；
步骤3：将干燥好的含氧化锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数：离子气流量为2.0 L/min，送粉率为15g/min，电流为80A，熔覆速率为3mm/s，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
实施例5
本实施例高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h， 并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h，其中，含氧化锆的镍基碳化钨粉末中Si含量为2.12%，B含量为1.52%，Cr含量为8.63%，Fe含量为2.24%，Zr含量为1.5%，W含量为33.42%，Ni为余量。球型碳化钨直径为50～150μm；
步骤3：将干燥好的含氧化锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数：离子气流量为2.0 L/min，送粉率为15g/min，电流为80A，熔覆速率为3mm/s，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
将实施例1-5所制得的金属涂层进行力学性能测试，其测试结果如下表1。
表1为各实施例所制得的金属涂层的力学性能：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从表1中可知，本发明的镍基碳化钨金属涂层均具有较高的耐磨性和较好的耐腐蚀性。
将实施例3高耐磨耐腐蚀金属涂层进行微观形貌观测，如图1所示，镍基碳化钨涂层组织较细，球型碳化钨颗粒数量较多，金属涂层无细微裂纹。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层，其特征在于：该涂层由含锆镍基碳化钨粉末制备而成，其中，含锆镍基碳化钨粉末由球型碳化钨和含氧化锆的镍基合金粘结相构成，其中球型碳化钨体积百分比为30%-40%，镍基合金粘结相体积百分比为60%-70%；所述镍基粘结相中以质量百分比计，包括1～5% 的硅、3～5% 的硼、5～10%的碳、0.5～1.5%的锆、5～10%的铬、3～5%的铁，余量为镍。
2.根据权利要求1所述的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层，其特征在于：所述球型碳化钨是由WC与W2C组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒。
3.根据权利要求1所述的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层，其特征在于：所述的镍基粘结相中包含Ni3Si相和Cr3Ni2相。
4.一种权利要求1所述的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：采用车削、打磨的机械方法去除基材氧化物，直至露出金属光泽，再用金属洗净剂进行清洗；
步骤2：将步骤1处理后的等离子熔覆前基材在炉中400-450 ℃下保温2-3h，并将含氧化锆镍基碳化钨粉末置于干燥柜中140-160℃下保温2-5h；
步骤3：将干燥好的含锆镍基碳化钨粉末倒入等离子熔覆设备的送粉器中，打开等离子弧焊机电源开关，松开气阀，送入粉气、离子气和保护气，调节工艺参数，最后调整好基材和焊枪的位置，焊枪垂直于基材，且与基材之间距离为8-10mm，检查无误后开启燃弧开关开始熔覆过程，等离子弧产生的高温会将合金粉末与基材表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着电弧和工件的相对运动，等离子束离开后液态合金冷却，形成一层高性能的合金涂层；
步骤4：待步骤3离子熔覆结束后，将金属涂层试件放在蛭石粉中缓冷至室温，然后进行适当的喷砂或打磨处理，以去除表面少量的氧化熔渣。
5.根据权利要求4所述的高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中调节工艺参数具体为离子气流量为1.8～2.2 L/min，送粉速率为14～16g/min，电流为75～85A，熔覆速率为2～4mm/s。
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