CN111763903A - 一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法 - Google Patents

一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新型钢材加工制备技术领域,公开了一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,采用等离子喷涂技术在高铝低密度钢表面形成厚度为0.55‑0.75微米的复合层,该复合层内颗粒分布均匀,没有气孔和夹杂缺陷,提高了与氧化层的结合力,形成保护氧化膜的防护层,抗氧化性能保持稳定,在外力作用下,不会发生剥落,并且降低了高铝低密度钢材对酸碱的敏感度。制备得到复合层硬度高,在湿摩擦下,也表现出优异的耐磨性能,可在高温高速磨损工况下加工使用,解决氧化层剥离带来的抗氧化以及耐腐蚀性能下降的问题。

Description

一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法
技术领域
本发明属于新型钢材加工制备技术领域,具体涉及一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法。
背景技术
随着产业的升级和技术的创新,轻量化的钢材越来越受到青睐,其中,高铝低密度钢具有很好的塑性成为国内外研究的热点。由于钢中铝元素含量的增加,促使其形成的氧化物在基体表面富集程度增加,增加了氧化层的致密度和附着力,从而提高了高铝钢的抗氧化以及耐腐蚀性。
高铝低密度钢表面形成的薄薄的氧化层在起到抗氧化的作用的同时,存在着很大的缺陷,钢材中的碳元素会影响初始氧化层形成的连续性,致密度降低,引起氧化层的多孔性,氧化铝层的吸水性强,耐酸碱性不佳,并且容易诱发相变而产生相变应力,导致氧化层的开裂、剥离,降低了材料的抗氧化能力。因此,提高高铝低密度钢耐磨性能十分重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题,提供了一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,解决氧化层剥离带来的抗氧化以及耐腐蚀性能下降的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,包括以下步骤:
(1)将碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为11-13:4-5的比例混合,置于研钵中,混合研磨成粒径大小在10-20微米之间的微粉,将制备得到的纳米氧化钙以及纳米二氧化钛粉料加入到研钵中,添加量分别占碳化钨、氧化钴微粉总质量的5.0-5.2%、1.4-1.7%,混合研磨均匀后,送入预热后的碳化硅管式炉中,通入氩气,氩气流量为680-700毫升/分钟,进行加热,加热升温至1300-1320℃,保温45-50分钟,随炉自然冷却至20-25℃,进行研磨,得到复合粉末;
(2)将制备得到的复合粉末装入喷涂枪中,使用氩气作为等离子喷涂气,调试好喷涂系统,对预处理好的高铝低密度钢表面进行喷涂,氩气流量为45-48L/min,表面喷涂温度为1600-1620℃,喷涂均匀后,以110-120℃/s的速度降温至700-750℃,保温40-50分钟,继续以60-80℃/s的速度降温至30-35℃即可,得到厚度在0.55-0.75微米之间的复合层。
所述高铝低密度钢预处理方法为:喷涂前将钢材依次使用200目、400目和600目砂纸打磨10-15分钟,使用抛光机进行抛光,使用酒精清洗干净后置于110-120℃干燥箱中干燥8-10小时。
所述纳米氧化钙的制备方法为:量取100-110毫升摩尔浓度为0.34-0.36摩尔/升的氯化钙溶液置于烧杯中,以270-300转/分钟的速度搅拌,在搅拌下向烧杯中加入20-22毫升摩尔浓度为0.25-0.30摩尔/升的氢氧化钠溶液,持续搅拌30-40分钟,转移至反应釜中,置于150-170℃烘箱中加压反应10-12小时,压力为1.35-1.38MPa,自然冷却至室温,过滤得到白色沉淀,使用去离子水洗涤3-5次,置于70-75℃烘箱中干燥6-8小时即可。
所述纳米二氧化钛为粒径大小在10-20纳米之间的锐钛矿型纳米二氧化钛。
所述高铝低密度钢中铝元素所占质量百分比在6-14%之间。
制备得到复合层硬度高,在湿摩擦下,也表现出优异的耐磨性能,可在高温高速磨损工况下加工使用。
涂覆形成的复合层内颗粒分布均匀,没有气孔和夹杂缺陷,提高了与氧化层的结合力,形成保护氧化膜的防护层,抗氧化性能保持稳定,在外力作用下,不会发生剥落,并且降低了高铝低密度钢材对酸碱的敏感度。
本发明相比现有技术具有以下优点:为了解决高铝低密度钢耐磨性受氧化层缺陷影响的问题,本发明提供了一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,采用等离子喷涂技术在高铝低密度钢表面形成厚度为0.55-0.75微米的复合层,制备得到复合层硬度高,在湿摩擦下,也表现出优异的耐磨性能,可在高温高速磨损工况下加工使用,解决氧化层剥离带来的抗氧化以及耐腐蚀性能下降的问题。本发明有效克服了现有技术中高铝低密度钢加工过程中因高温氧化产生大量的氧化皮,与低密度钢基体结合力强,易开裂、剥落,在应用中会遭受各种腐蚀,降低钢材的使用性能的问题,使得低密度钢具有优异的力学性能,耐磨性能显著提升,在所服役的环境中能够承受湿腐蚀,提高了高铝低密度钢的成品率,降低了成本,具有低密度、高性能的特点,大大缩减了资源的浪费,降低氧化层的形成以及对合金钢性能的影响,满足现代新型钢材加工行业的发展需求,能够实现提高高铝低密度钢行业发展以及提高其在汽车、船舶、航空等领域的市场竞争力的现实意义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,包括以下步骤:
S1:将碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为11:4的比例混合,置于研钵中,混合研磨成粒径大小在10-20微米之间的微粉,将制备得到的纳米氧化钙以及纳米二氧化钛粉料加入到研钵中,添加量分别占碳化钨、氧化钴微粉总质量的5.0%、1.4%,混合研磨均匀后,送入预热后的碳化硅管式炉中,通入氩气,氩气流量为680毫升/分钟,进行加热,加热升温至1300℃,保温45分钟,随炉自然冷却至20℃,进行研磨,得到复合粉末;
S2:将制备得到的复合粉末装入喷涂枪中,使用氩气作为等离子喷涂气,调试好喷涂系统,对预处理好的高铝低密度钢表面进行喷涂,氩气流量为45L/min,表面喷涂温度为1600℃,喷涂均匀后,以110℃/s的速度降温至700℃,保温40分钟,继续以60℃/s的速度降温至30℃即可,得到厚度在0.55-0.75微米之间的复合层。
所述高铝低密度钢预处理方法为:喷涂前将钢材依次使用200目、400目和600目砂纸打磨10分钟,使用抛光机进行抛光,使用酒精清洗干净后置于110℃干燥箱中干燥8小时。
所述纳米氧化钙的制备方法为:量取100毫升摩尔浓度为0.34摩尔/升的氯化钙溶液置于烧杯中,以270转/分钟的速度搅拌,在搅拌下向烧杯中加入20毫升摩尔浓度为0.25摩尔/升的氢氧化钠溶液,持续搅拌30分钟,转移至反应釜中,置于150℃烘箱中加压反应10-12小时,压力为1.35MPa,自然冷却至室温,过滤得到白色沉淀,使用去离子水洗涤3次,置于70℃烘箱中干燥6小时即可。
所述纳米二氧化钛为粒径大小在10-20纳米之间的锐钛矿型纳米二氧化钛。
所述高铝低密度钢中铝元素所占质量百分比在6-14%之间。
实施例2
一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,包括以下步骤:
S1:将碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为12:4.5的比例混合,置于研钵中,混合研磨成粒径大小在10-20微米之间的微粉,将制备得到的纳米氧化钙以及纳米二氧化钛粉料加入到研钵中,添加量分别占碳化钨、氧化钴微粉总质量的5.1%、1.5%,混合研磨均匀后,送入预热后的碳化硅管式炉中,通入氩气,氩气流量为690毫升/分钟,进行加热,加热升温至1310℃,保温48分钟,随炉自然冷却至22℃,进行研磨,得到复合粉末;
S2:将制备得到的复合粉末装入喷涂枪中,使用氩气作为等离子喷涂气,调试好喷涂系统,对预处理好的高铝低密度钢表面进行喷涂,氩气流量为46L/min,表面喷涂温度为1610℃,喷涂均匀后,以115℃/s的速度降温至720℃,保温45分钟,继续以70℃/s的速度降温至32℃即可,得到厚度在0.55-0.75微米之间的复合层。
所述高铝低密度钢预处理方法为:喷涂前将钢材依次使用200目、400目和600目砂纸打磨12分钟,使用抛光机进行抛光,使用酒精清洗干净后置于115℃干燥箱中干燥9小时。
所述纳米氧化钙的制备方法为:量取105毫升摩尔浓度为0.35摩尔/升的氯化钙溶液置于烧杯中,以285转/分钟的速度搅拌,在搅拌下向烧杯中加入21毫升摩尔浓度为0.28摩尔/升的氢氧化钠溶液,持续搅拌35分钟,转移至反应釜中,置于160℃烘箱中加压反应11小时,压力为1.36MPa,自然冷却至室温,过滤得到白色沉淀,使用去离子水洗涤4次,置于72℃烘箱中干燥7小时即可。
所述纳米二氧化钛为粒径大小在10-20纳米之间的锐钛矿型纳米二氧化钛。
所述高铝低密度钢中铝元素所占质量百分比在6-14%之间。
实施例3
一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,包括以下步骤:
S1:将碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为13:5的比例混合,置于研钵中,混合研磨成粒径大小在10-20微米之间的微粉,将制备得到的纳米氧化钙以及纳米二氧化钛粉料加入到研钵中,添加量分别占碳化钨、氧化钴微粉总质量的5.2%、1.7%,混合研磨均匀后,送入预热后的碳化硅管式炉中,通入氩气,进行加热,加热升温至1320℃,保温50分钟,随炉自然冷却至25℃,进行研磨,得到复合粉末;
S2:将制备得到的复合粉末装入喷涂枪中,使用氩气作为等离子喷涂气,调试好喷涂系统,对预处理好的高铝低密度钢表面进行喷涂,氩气流量为48L/min,表面喷涂温度为1620℃,喷涂均匀后,以120℃/s的速度降温至750℃,保温50分钟,继续以80℃/s的速度降温至35℃即可,得到厚度在0.55-0.75微米之间的复合层。
所述高铝低密度钢预处理方法为:喷涂前将钢材依次使用200目、400目和600目砂纸打磨15分钟,使用抛光机进行抛光,使用酒精清洗干净后置于120℃干燥箱中干燥10小时。
所述纳米氧化钙的制备方法为:量取110毫升摩尔浓度为0.36摩尔/升的氯化钙溶液置于烧杯中,以300转/分钟的速度搅拌,在搅拌下向烧杯中加入22毫升摩尔浓度为0.30摩尔/升的氢氧化钠溶液,持续搅拌40分钟,转移至反应釜中,置于170℃烘箱中加压反应12小时,压力为1.38MPa,自然冷却至室温,过滤得到白色沉淀,使用去离子水洗涤5次,置于75℃烘箱中干燥7小时即可。
所述纳米二氧化钛为粒径大小在10-20纳米之间的锐钛矿型纳米二氧化钛。
所述高铝低密度钢中铝元素所占质量百分比在6-14%之间。
对比例1
与实施例3的区别在于,所述复合粉末制备中碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为1:1的比例混合;其余保持不变。
对比例2
与实施例3的区别在于,所述复合粉末制备中省略纳米氧化钙的制备添加;其余保持不变。
对比例3
与实施例3的区别在于,所述复合粉末制备中省略纳米二氧化钛的添加,其余保持不变。
以上采用的高铝低密度钢化学成分以质量百分比计含有,C:0.33-0.40%、Mn:7.0-8.0%、Ni:2.5-2.8%、Si:2.5-3.0%、Al:10-14%、Zr:0.55-0.70%、Ti:0.23-0.28%、Cr:0.9-1.3%、Mg:0.75-0.90%、S:0.002-00.5%、P:0.003-0.06%、B O.0017%;余量的铁和不可避免的杂质;
一、性能实验
使用实施例1-3和对比例1-3的方法提高高铝低密度钢耐磨性能,各自制备得到20mm×105mm×2mm的试样(每组5个),试验后对试样酸洗前氧化层重量以及酸洗后氧化层去除率变化情况以及30d后机械性能进行测定。试验中保持无关变量一致,进行结果统计分析(实验前利用统计学方法进行试验设计,然后进行试验并记录试验数据,分析得到试验结果,过程中充分利用统计学工具对结果加以最大程度的解释)
(注:试验标准为:GB/T 26651-2011、GB/T 21205-2014、GB/T 24186-2009)
二、实验结果为:
Figure 498695DEST_PATH_IMAGE002
本发明有效克服了现有技术中高铝低密度钢加工过程中因高温氧化产生大量的氧化皮,与低密度钢基体结合力强,易开裂、剥落,在应用中会遭受各种腐蚀,降低钢材的使用性能的问题,使得低密度钢具有优异的力学性能,耐磨性能显著提升,在所服役的环境中能够承受湿腐蚀,提高了高铝低密度钢的成品率,降低了成本,具有低密度、高性能的特点,大大缩减了资源的浪费,降低氧化层的形成以及对合金钢性能的影响,满足现代新型钢材加工行业的发展需求,能够实现提高高铝低密度钢行业发展以及提高其在汽车、船舶、航空等领域的市场竞争力的现实意义。

Claims (6)

1.一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将碳化钨、氧化钴粉末按照质量比为11-13:4-5的比例混合,置于研钵中,混合研磨成粒径大小在10-20微米之间的微粉,将制备得到的纳米氧化钙以及纳米二氧化钛粉料加入到研钵中,添加量分别占碳化钨、氧化钴微粉总质量的5.0-5.2%、1.4-1.7%,混合研磨均匀后,送入预热后的碳化硅管式炉中,通入氩气,进行加热,加热升温至1300-1320℃,保温45-50分钟,随炉自然冷却至20-25℃,进行研磨,得到复合粉末;
(2)将制备得到的复合粉末装入喷涂枪中,使用氩气作为等离子喷涂气,调试好喷涂系统,对预处理好的高铝低密度钢表面进行喷涂,氩气流量为45-48L/min,表面喷涂温度为1600-1620℃,喷涂均匀后,以110-120℃/s的速度降温至700-750℃,保温40-50分钟,继续以60-80℃/s的速度降温至30-35℃即可,得到厚度在0.55-0.75微米之间的复合层。
2.如权利要求1所述一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,所述高铝低密度钢中铝元素所占质量百分比在6-14%之间。
3.如权利要求1所述一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,步骤(1)所述纳米氧化钙的制备方法为:量取100-110毫升摩尔浓度为0.34-0.36摩尔/升的氯化钙溶液置于烧杯中,以270-300转/分钟的速度搅拌,在搅拌下向烧杯中加入20-22毫升摩尔浓度为0.25-0.30摩尔/升的氢氧化钠溶液,持续搅拌30-40分钟,转移至反应釜中,置于150-170℃烘箱中加压反应10-12小时,压力为1.35-1.38MPa,自然冷却至室温,过滤得到白色沉淀,使用去离子水洗涤3-5次,置于70-75℃烘箱中干燥6-8小时即可。
4.如权利要求1所述一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,步骤(1)所述纳米二氧化钛为粒径大小在10-20纳米之间的锐钛矿型纳米二氧化钛。
5.如权利要求1所述一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,步骤(1)所述氩气流量为680-700毫升/分钟。
6.如权利要求1所述一种提高高铝低密度钢耐磨性能的方法,其特征在于,步骤(2)所述高铝低密度钢预处理方法为:喷涂前将钢材依次使用200目、400目和600目砂纸打磨10-15分钟,使用抛光机进行抛光,使用酒精清洗干净后置于110-120℃干燥箱中干燥8-10小时。
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