CN111424229B - 耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法 - Google Patents

耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法，本方法首先对待喷涂基体表面进行预处理，然后采用等离子喷涂方式将金属钼粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层；在结合底层表面采用等离子喷涂方式沉积2CaO・SiO2陶瓷粉末形成中间工作层，得到耐熔融金属合金浸蚀的复合涂层。本方法制备的涂层与基体结合性能良好，且呈现晶体结构，可形成厚度达到0.5mm以上的致密涂层，有效防止有害金属离子的渗透，具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与铝硅液体具有较低的浸润特性，减少了辊面粘液态铝硅现象，有效提高辊子的使用寿命。

Description

耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及表面复合保护涂层技术领域，尤其涉及一种耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法。
背景技术
在带钢连续热镀生产过程中，沉浸在镀液内的零部件表面受到金属合金液体的强烈溶蚀作用，使用一定时间后会因为表面形貌或尺寸等方面的原因导致其失效。因而，如何抑制金属合金液体溶蚀，减少腐蚀产物的形成及其在零部件表面的附着，是保障热镀带钢产品表面质量和维持生产线长期连续稳定运行的关键技术。对此，国内外通过前期研究开发，已经形成了成功的应用案例，与此同时，还在不断开发各种新的耐熔蚀涂层技术。
随着热镀技术的发展，铝硅镀层已成为国内外镀锌技术发展的重要领域。热镀铝硅涂层钢板比热镀纯锌和热镀铝锌涂层钢板具有更好的机械性能、更强的抗氧化性，并具有良好的涂装性、加工性和经济性，特别是具有绝佳的耐腐蚀性能。然而，由于铝硅液温度高达680～700℃，具有更强的腐蚀性，传统使用的WC-Co、WC-Co-Cr、Fe-Al等热喷涂涂层已经不能有效抵御锌铝溶液的侵蚀，成为制约热镀铝硅涂层钢板高效生产的瓶颈因素。专利文献CN107523780 A公开了一种热浸镀用沉没辊的复合保护涂层及制备方法，该保护涂层采用的CaO・SiO2涂层，虽然具有良好的耐高温铝硅液侵蚀和粘附性能，但该材料在经过等离子喷涂形成的涂层呈现非晶状态，在应用过程中只能形成0.1mm以下的薄涂层，涂层增厚非常容易发生应力龟裂或剥落，而难以满足连续热镀铝硅生产线中沉没辊和稳定辊更长寿命的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法，本方法制备的涂层与基体结合性能良好，且呈现晶体结构，可形成厚度达到0.5mm以上的致密涂层，有效防止有害金属离子的渗透，具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与铝硅液体具有较低的浸润特性，减少了辊面粘液态铝硅现象，有效提高辊子的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤一、对待喷涂基体表面进行预处理，包括除油、除湿和喷砂毛化；
步骤二、采用等离子喷涂方式将金属钼粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层；
步骤三、采用等离子喷涂方式将2CaO・SiO2陶瓷粉末沉积在结合底层表面形成中间工作层，得到耐熔融金属合金浸蚀的复合涂层。
进一步，采用等离子喷涂方式将复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末沉积在中间工作层上形成表面工作层。
进一步，所述金属钼粉末的粒度范围为15～63μm，所述2CaO・SiO2陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm，所述复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm。
进一步，所述结合底层的厚度为60～120μm，所述中间工作层的厚度为200～500μm，所述表面工作层的厚度为80～100μm。
进一步，所述等离子喷涂的工艺参数为电流450～650A、电压30～42V、喷涂距离90～120mm、供粉速度25～45 g/min。
由于本发明耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法采用了上述技术方案，即本方法首先对待喷涂基体表面进行预处理，然后采用等离子喷涂方式将金属钼粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层；在结合底层表面采用等离子喷涂方式沉积2CaO・SiO2陶瓷粉末形成中间工作层，得到耐熔融金属合金浸蚀的复合涂层。本方法制备的涂层与基体结合性能良好，且呈现晶体结构，可形成厚度达到0.5mm以上的致密涂层，有效防止有害金属离子的渗透，具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与铝硅液体具有较低的浸润特性，减少了辊面粘液态铝硅现象，有效提高辊子的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为采用本方法制备的复合涂层金相显微示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤一、对待喷涂基体1表面进行预处理，包括除油、除湿和喷砂毛化；
步骤二、采用等离子喷涂方式将金属钼粉末沉积在基体1表面形成一定厚度的结合底层2；
步骤三、采用等离子喷涂方式将2CaO・SiO2陶瓷粉末沉积在结合底层2表面形成中间工作层3，得到耐熔融金属合金浸蚀的复合涂层。
优选的，采用等离子喷涂方式将复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末沉积在中间工作层3上形成表面工作层4。
优选的，所述金属钼粉末的粒度范围为15～63μm，所述2CaO・SiO2陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm，所述复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm。
优选的，所述结合底层2的厚度为60～120μm，所述中间工作层3的厚度为200～500μm，所述表面工作层4的厚度为80～100μm。
优选的，所述等离子喷涂的工艺参数为电流450～650A、电压30～42V、喷涂距离90～120mm、供粉速度25～45 g/min。
本方法制备的结合底层中，金属钼因其具有高导热率和低膨胀系数产生的特别优异的抗热冲击性能特点，在经净化和粗化处理后的工件基体表面先喷涂一层具有自结合性能的钼金属以提高涂层与基体的结合强度；具有自结合性能的结合底层与基体之间不但存在机械结合还发生微冶金结合。其基本原理是钼金属在喷涂时熔滴携带有大量的热能，过热的熔滴与空气中的氧气发生氧化反应又施放出大量的热量使熔滴的温度进一步升高，在熔滴与基体碰撞时发生冶金结合，形成自结合层。自结合层存在于基体与中间工作层之间，良好的结合既提高了与基体的结合力，又提供一个粗糙的表面给中间工作层，同时，钼涂层具有良好的耐液态金属合金腐蚀性能，并具有疏液性。
中间工作层中，氧化钙与氧化硅之间形成的陶瓷通常有三种主要结构形式，分别为CaO・SiO2、2CaO・SiO2和3CaO・SiO2，分别简称为CS、2CS和3CS，三种结构形式可通过X射线衍射分析方法将其明确地区分开来。在制作用于等离子喷涂的粉末过程中，CS粉末的制作工艺较易控制，能够较为方便的制作出单一结构的适合于喷涂的CS粉末，目前已有该产品在市场上销售；但该产品在使用过程中发现经过等离子喷涂形成的涂层，只能形成0.1mm以下的厚度，涂层增厚非常容易发生应力龟裂或剥落，经X射线衍射分析表面该涂层呈现非晶状结构，涂层间的应力较大，难以满足涂层更长耐蚀寿命的使用需求。2CS结构的喷涂粉末制作则较为困难，制作工艺复杂，先期试制的成品率较低，市场上还没有该喷涂粉末销售，但该粉末经过等离子喷涂形成的涂层呈现晶体结构，可形成0.5mm以上的厚度，涂层结构致密结合性能良好，能够有效地防止有害金属离子的渗透，具有较高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，能够有效地提高涂层的使用寿命。
表面工作层中，ZrO2和Y2O3陶瓷材料具有良好的耐高温铝硅液腐蚀性能,其表面具有良好的疏铝液特性,避免铝渣的附着，同时涂层具有较好的韧性来承受带钢的应力冲击,但由于其热膨胀系数较小，与沉没辊金属基体材料热膨胀系数和性能相差较大,在高温条件下可能导致涂层开裂与剥落，而在较厚的2CS涂层表面沉积一层ZrO2、Y2O3或两者之间的混合物，由于它们之间的膨胀系数和材料性质极为接近，能够形成结合性能良好的抗铝硅腐蚀和耐带钢磨损的复合涂层，从而获得与辊体母材膨胀性能相匹配且结合性能优良、抗应力龟裂与剥落能力强、抗高铝锌熔体腐蚀性优异的表面梯度保护涂层。
本方法制备的结合底层、中间工作层和表面工作层中，结合底层材料的热膨胀系数介于辊体基体材料与中间工作层的陶瓷材料热膨胀系数之间，中间工作层材料的热膨胀系数与表面工作层的材料热膨胀系数相近。
具体实施案例如下：
实施例1：
试样尺寸φ40×400，材质为热镀高铝锌沉没辊/稳定辊用钢的试棒，对试棒待喷涂基体表面进行除油、除湿和喷砂毛化预处理，采用等离子喷涂方式首先在基体上喷涂金属钼粉末，形成0.12mm厚的结合底层；在结合底层上喷涂2CS粉末，形成厚度为0.25mm的中间工作层；再在中间工作层上喷涂ZrO2、Y2O3粉末，形成厚度约为0.10 mm的表面工作层。喷涂工艺参数如下：电流450-650A，电压30-42V，喷涂距离为90-120mm，热喷涂供粉速度为25-45克/分钟。
实施例2：
试样尺寸φ40×400，材质为热镀高铝锌沉没辊/稳定辊用钢的试棒，对试棒待喷涂基体表面进行除油、除湿和喷砂毛化预处理，采用等离子喷涂方式首先在基体上喷涂金属钼合金粉末，形成0.10mm厚的结合底层；在结合底层上喷涂2CS粉末，形成厚度为0.43 mm的表面工作层。喷涂工艺参数如下：电流450-650A，电压30-42V，喷涂距离为90-120mm，热喷涂供粉速度为25-45克/分钟。
对等离子喷涂后的试棒进行耐高温腐蚀和热震试验，在耐高温腐蚀试验中，将试棒插入680℃铝硅液体中，放置2-4周，取出后直接放置在室温钢板上冷却至室温，试棒状态良好，表面热喷涂涂层未出现裂纹、起皮或剥落现象，表面携带的液态铝硅冷却固化后与涂层分离。本方法通过材料和热喷涂工艺的优化，所制备的复合涂层均与辊材具有良好的耐腐蚀和热匹配结合性能。

Claims (2)

1.一种耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、对待喷涂基体表面进行预处理，包括除油、除湿和喷砂毛化；
步骤二、采用等离子喷涂方式将金属钼粉末沉积在基体表面形成一定厚度的结合底层；
步骤三、采用等离子喷涂方式将2CaO・SiO2陶瓷粉末沉积在结合底层表面形成中间工作层，得到耐熔融金属合金浸蚀的复合涂层；采用等离子喷涂方式将复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末沉积在中间工作层上形成表面工作层；
其中，所述金属钼粉末的粒度范围为15～63μm，所述2CaO・SiO2陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm，所述复合ZrO2・Y2O3陶瓷粉末的粒度范围为15～75μm；
所述等离子喷涂的工艺参数为电流450～650A、电压30～42V、喷涂距离90～120mm、供粉速度25～45 g/min。
2.根据权利要求1所述的耐液态金属合金浸蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述结合底层的厚度为60～120μm，所述中间工作层的厚度为200～500μm，所述表面工作层的厚度为80～100μm。
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