CN112430792B - 一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层 - Google Patents

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Abstract

一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层，由金属Fe、Ni、Cr、Co、Nb和非金属B、Si组成，其化学式为FeaNibCrcCodBeSifNbg，其中a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子摩尔百分含量，且0≤b≤17.4,0≤c≤9,4≤d≤6,15≤e≤17.5,1.5≤f≤5.5,3≤g≤5,余量a为Fe。根据该化学式进行配料、熔炼得到母合金锭并破碎，然后采用真空气雾化法制备Fe基非晶粉体材料。通过超音速火焰喷涂技术，将Fe基非晶粉体材料喷涂到基体板材上制备涂层。涂层具有完全非晶结构、良好的非晶形成能力和热稳定性、孔隙率低，且具有高的维氏硬度和良好的防腐耐磨性能。

Description

一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层
技术领域
本发明属于表面改性和防护技术，涉及具有良好非晶形成能力和热稳定性的Fe基非晶粉体材料。
背景技术
当前我国工业正处于快速发展的阶段，经济总量也在逐年上增，但工业发展对环境消耗代价较大，这使得工业发展与环境资源的矛盾日益突出。而工业发展离不开工业生产设备，这些工业生产设备多在高温、氧化、腐蚀和磨损等恶劣环境下长期使用，设备部件的使用稳定性和寿命受到制约，极易因腐蚀和磨损而失效破坏，从而给我国造成巨大的经济损失。而提升工业生产设备的使用性能、延长使用期限，使资源能源降低，是我国工业持续发展的必然要求和根本出路。
在设备部件上喷涂具有优异耐腐蚀耐磨性能的金属涂层是解决该问题的有效途径。
非晶合金因具有特殊的长程无序的原子点阵结构，不存在晶界、位错和孪晶等晶体缺陷，具有优于传统金属材料的物理化学性能。而其中Fe基非晶合金由于具有低成本、高强度、高硬度和优异的耐腐蚀耐磨性能等优势，已成为备受人们关注的新一代合金材料。将Fe基非晶粉体制备成涂层，为延长工业生产设备的使用寿命提供了可行的方法。Fe基非晶涂层目前已应用于石油、天然气、化工、火电、水电、核电、汽车、造纸机械、矿山机械、海洋工程等制造领域的装（设）备的防腐耐磨和再制造。
利用超音速火焰喷涂技术（High velocity oxygen fuel，HVOF）制备的Fe 基非晶涂层具有结合强度高、孔隙率低、氧含量低等优点，在腐蚀、磨损等严苛工矿环境中能表现出优异的性能，可缩短非计划停机时间、能有效地延长工件的使用寿命、降低设备维护成本，相关应用性能及环境友好方面明显优于目前常用的不锈钢、电镀金属、陶瓷、有机涂层等。
美国Nanosteel公司相继研发出了SAM系列的非晶粉末材料，最具代表性的是SAM2X5 (Fe49.7Cr18Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4)和SAM1651 (Fe48Mo14Cr15Y2C15B6)，并利用HVOF技术制备了一系列具有优异耐腐蚀耐磨性能的Fe基非晶涂层，发现Cr、Mo和W的添加可以提高耐腐蚀性。为了解决舰船外表面海水腐蚀和核辐照环境中的应用问题，2003 年美国国防部投资近3000万美元用于新型非晶涂层的开发及应用研究。韩国、意大利、伊朗、巴西、西班牙、新加坡、加拿大等国家也开展了HVOF非晶涂层性能及应用方面的研究。北京科技大学、中科院金属所、陆军装甲兵学院、华中科技大学、哈尔滨工业大学、同济大学等单位相继开展Fe基非晶涂层的研究工作，并利用HVOF 技术制备出高质量的Fe基非晶涂层。
目前研究和关注最多的SAM 系列涂层用非晶粉末成分为美国专利公开过，我国十分缺乏自主设计研发的热喷涂用Fe 基非晶合金成分。SAM（SAM2X5：
Fe49.7Cr18Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4 和SAM1651：Fe48Mo14Cr15Y2C15B6） 系列合金中，金属Mo价格昂贵，研究及应用成本很高；战略元素W是高熔点金属，不利于熔炼和喷涂；稀土元素Y不利于涂层的耐磨性能，而且原材料成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层。
本发明是一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层，Fe基非晶粉体材料，其化学组成式为FeaNibCrcCodBeSifNbg，其中a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子摩尔百分含量，且0≤b≤17.4，0≤c≤9，4≤d≤6，15≤e≤17.5，1.5≤f≤5.5，3≤g≤5，余量a为Fe，满足a+b+c+d+e+f+g=100。
按照上述的Fe基非晶粉体材料的化学组成式进行配料，通过真空气雾化法制备得到Fe非晶粉体，粉体颗粒为圆球状，粒径为5～50um。
本发明的一种防腐耐磨Fe基非晶涂层，采用超音速火焰喷涂技术，将上述制备的Fe非晶粉体材料喷涂在基体表面而得；
超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气流量：43～53 m3/h，煤油流量：18～24 L/h，送粉速率：18～23 g/min，喷涂速度：300～400 mm/s；
所述涂层具有完全非晶结构，孔隙率低于1%，涂层的显微硬度高达基体材料的3.7倍；涂层在人工海水条件下自腐蚀电位为-0.37V；非晶涂层的摩擦系数为0.4～0.5之间，磨损体积是基体的1/3。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：（1）与目前被广泛研究的SAM 系列牌号合金相比，本发明通过元素取代与成分含量的调整，得到了防腐耐磨的Fe基非晶合金成分，该成分含有的非金属元素B、Si使得合金具有良好的非晶形成能力、热稳定性及高硬度；含有的耐腐蚀金属元素Cr，Ni，使得该成分粉体用于热喷涂工艺制备的涂层具有优异的防腐耐磨性能；制备的Fe基非晶粉体具有良好的流动性，非常适合于热喷涂技术制备涂层；该合金粉体成本低廉，易于工业化生产。
（2）利用本发明的Fe基非晶合金粉体材料制得的涂层，在掺杂较少Co、Nb 等元素的情况下，获得SAM 系列牌号合金低腐蚀电流密度和与SAM 系列牌号合金相当的腐蚀电压，且涂层与基体结合紧密，孔隙率低，维氏硬度高，摩擦系数低。优异的防腐耐磨性能和良好的工艺性，使其在船舶、油田、航空航天及国防领域具有重大的应用前景；其中高的B含量提高了合金的中子吸收能力，可以用于核废料处理。
附图说明
图1为本发明实施例中制得的Fe基非晶粉体材料的扫描电镜图，图2为本发明制得的Fe基非晶粉体材料的粒度分布图，图3为本发明制得的Fe基非晶粉体材料、同成分的直径为2mm的块体非晶合金以及用该非晶粉体制备的Fe基非晶涂层的X射线衍射图谱，图4为本发明制得的Fe基非晶涂层截面的扫描电镜图，图5为本发明制得的Fe基非晶涂层、同成分的直径为2mm的块体非晶合金以及A32船体用钢在模拟人工海水中的电化学腐蚀极化曲线图，图6为本发明制得的Fe基非晶涂层的截面显微硬度曲线图，图7为本发明制得的Fe基非晶涂层和A32船体用钢摩擦系数图，图8为本发明制得的Fe基非晶涂层和A32船体用钢的磨损体积图。
具体实施方式
本发明是一种Fe基非晶粉体材料及防腐耐磨非晶涂层，本Fe基非晶粉体材料，其化学组成式为FeaNibCrcCodBeSifNbg，其中a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子摩尔百分含量，且0≤b≤17.4，0≤c≤9，4≤d≤6，15≤e≤17.5，1.5≤f≤5.5，3≤g≤5，余量a为Fe，满足a+b+c+d+e+f+g=100。该Fe基非晶合金具有良好的非晶形成能力和热稳定性。
本发明所提供的Fe非晶粉体材料的制备步骤如下：选用高纯原料，按照Fe基非晶合金化学组成式进行精确配料，通过真空电弧熔炼炉将原料熔炼成母合金锭。将所得母合金锭破碎成小碎块，通过真空气雾化法制备出具有完全非晶态结构的圆球状Fe基非晶粉体材料，粉体材料的粒径为5～50um。
本发明采用超音速火焰喷涂技术，将上述Fe基非晶粉体喷涂在基体材料表面上而得。优选喷涂工艺如下：氧气流量：43～53 m3/h，煤油流量：18～24 L/h，送粉速率：18～23g/min，喷涂速度：300～400 mm/s。
利用上述技术制备的涂层具有完全非晶结构，孔隙率低于1%，涂层的显微硬度高达基体材料的3.7倍；涂层在人工海水条件下腐蚀电位为-0.37V，远高于基体材料，具有优异的耐腐蚀性能；非晶涂层的摩擦系数为0.4～0.5之间，磨损体积是基体的1/3，具有优异的耐磨性能。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：（1）在本具体实例实施过程中，Fe基非晶合金成分为Fe43.6Ni17.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5（at.%），按照所需要成分的原子摩尔比例配料，通过真空电弧炉进行熔炼，得到成分均匀的母合金锭；
（2）将步骤（1）制备的母合金锭破碎成小块，通过真空气雾化设备制备Fe基非晶粉体材料，粉体基本为圆球状且表面光滑，无卫星球等，其颗粒形貌如图1所示。粉体粒径集中在10～48um，具有良好的流动性，图2为粉体材料的粒度分布图。作为对比，将得到的母合金锭通过铜模吸铸法，得到直径为2mm的块体非晶合金。
将上述粉体材料采用超音速火焰喷涂技术制备Fe基非晶涂层，基体选用A32船体用钢。喷涂工艺参数为：氧气流量53 m3/h，煤油流量22 L/h，送粉速率22 g/min，喷涂速度400 mm/s。
上述制得的非晶合金粉体、φ2mm块体非晶合金、非晶涂层的X射线衍射图谱如图3所示，可以看出X射线衍射图谱中没有尖锐的晶化峰，且衍射峰是呈漫散射状，说明Fe基非晶粉体材料、φ2mm块体非晶合金、非晶涂层均为完全非晶结构。
用上述方法制备的Fe基非晶涂层的截面形貌如图4所示，从图中可以看出基体与涂层之间结合紧密，涂层结构致密，孔隙率低于1%。
利用电化学工作站测试制备的Fe基非晶涂层的腐蚀性能，并与2mm块体非晶合金和A32船体用钢进行对比，腐蚀液为模拟人工海水（24.53 g/L NaCl, 5.20 g/L MgCl2,4.09 g/L Na2SO4, 1.16 g/L CaCl2, 0.695 g/L KCl, 0.201 g/L NaHCO3, 0.101 g/LKBr, 0.027 g/L H3BO3, 0.025 g/L SrCl2, 0.003 g/L NaF, PH=8.2），极化曲线如图5所示。可以看出，Fe基非晶涂层自腐蚀电位为-0.37V，远高于A32船体用钢，可见该涂层具有良好的耐腐蚀性。
用维氏硬度计测试上述涂层的显微硬度，所加载荷为200g，保载时间为15s，图6为涂层截面的显微硬度分布图。从图中可以看出Fe基非晶涂层的显微硬度可高达718.6HV0.2，为基体A32船体用钢的3.7倍。
利用摩擦磨损试验机测试上述涂层和基体的摩擦磨损性能，采用GCr15钢球作为摩擦副，加载力为10N、滑动速率为0.025m/s，摩擦系数如图7所示。从图中可以看出，Fe基非晶涂层的摩擦系数为0.4～0.5之间，略高于A32船体用钢的摩擦系数，但随着摩擦距离的增大，非晶涂层的摩擦系数比A32船体用钢稳定很多，表明非晶涂层的在摩擦磨损过程中涂层剥落较少，而A32船体用钢波动较为剧烈，说明A32船体用钢的表面在摩擦副的作用下不断脱落。图8为Fe基非晶涂层和A32船体用钢的磨损体积，从图中可以看出，Fe基非晶涂层的磨损体积为A32船用钢的1/3，表明该非晶涂层具有更优异的耐磨损性能。
实施例2：在本实施例中，Fe基非晶合金成分为Fe41.6Ni19.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5，该Fe基非晶粉体材料的制备方法与实施例1相同，不同的是按照化学组成式Fe41.6Ni19.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5中的原子摩尔比例配料。
与实施例1相同，上述制备的非晶粉体为球形且表面光滑，具有良好的流动性，粉体粒径集中在10～48um；该非晶粉体的X射线衍射图谱显示该粉体为全完非晶结构。
采用超音速火焰喷涂技术制备Fe基非晶涂层，选用上述制得的Fe基非晶粉体，基体采用A32船体用钢。喷涂工艺参数为：氧气流量51 m3/h，煤油流量22 L/h，送粉速率22 g/min，喷涂速度380 mm/s。
与实施例1相同，X射线衍射图谱显示上述制得的Fe基非晶涂层为完全非晶结构，表明该成分具有很强的非晶成形能力，适用于超音速火焰喷涂制备Fe基非晶涂层。截面形貌图显示该Fe基非晶涂层与基体之间结合紧密，孔隙率小于0.8%。
与实施例1相同的方法测试该Fe基非晶涂层的耐腐蚀性能、耐磨性能及硬度。结果显示该涂层的耐腐蚀性远优于A32船体用钢，涂层的磨损体积小于A32船体用钢，平均显微硬度值可达700 HV0.2以上。
实施例3：
在本实施例中，Fe基非晶合金成分为Fe39.6Ni21.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5，该Fe基非晶粉体材料的制备方法与实施例1相同，不同的是按照化学组成式Fe39.6Ni21.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5中的原子摩尔比例配料。
与实施例1相同，上述制备的非晶粉体基本为球形且表面光滑，具有良好的流动性，粉体粒径集中在10～48um；该非晶粉体的X射线衍射图谱显示该粉体为全完非晶结构。
采用超音速火焰喷涂技术制备Fe基非晶涂层，选用上述制得的Fe基非晶粉体，基体采用A32船体用钢。喷涂工艺参数为：氧气流量49 m3/h，煤油流量22 L/h，送粉速率22 g/min，喷涂速度360 mm/s。
与实施例1相同，X射线衍射图谱显示上述制得的Fe基非晶涂层为完全非晶结构，表明该成分具有很强的非晶成形能力，适用于超音速火焰喷涂制备Fe基非晶涂层。截面形貌图显示该Fe基非晶涂层与基体之间结合紧密，孔隙率小于0.6%。
与实施例1相同的方法测试该Fe基非晶涂层的耐腐蚀性能、耐磨性能及硬度。结果显示该涂层的耐腐蚀性远优于A32船体用钢，涂层的磨损体积小于A32船体用钢，平均显微硬度值可达800 HV0.2以上。

Claims (2)

1.一种Fe基非晶粉体材料，其特征在于：按原子摩尔百分含量计，其化学组成式为Fe43.6Ni17.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5、Fe41.6Ni19.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5或Fe39.6Ni21.4Cr9Co6B17.5Si1.5Nb5；
（1）按照所需要成分的原子摩尔比例配料，通过真空电弧炉进行熔炼，得到成分均匀的母合金锭；
（2）将步骤（1）制备的母合金锭破碎成小块，通过真空气雾化设备制备Fe基非晶粉体材料，粉体为圆球状且表面光滑，无卫星球，粉体粒径集中在10~48μm。
2.一种防腐耐磨Fe基非晶涂层，其特征在于：采用超音速火焰喷涂技术，将权利要求1制备的Fe基 非晶粉体材料喷涂在基体表面而得；
超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气流量：49~53m3/h，煤油流量：22L/h，送粉速率：22g/min，喷涂速度：360~400mm/s；
所述涂层具有完全非晶结构，孔隙率低于1%，涂层的显微硬度高达基体材料A32船体用钢的3.7倍；涂层在人工海水条件下自腐蚀电位为-0.37V；非晶涂层的摩擦系数为0.4~0.5之间，磨损体积是基体A32船体用钢的1/3。
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