CN113166918A - 一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，包括：将Si、W、Ti、Al、Cr、Ni、La和Fe元素粉末按预设配比称重；将称重后粉末在球磨机中球磨混合，混合均匀后进行烘干，得到填充粉末；将填充粉末放置于U形钢带槽中；将放置有填充粉末的U形钢带槽的开口端闭合，采用拔丝机将闭合后的U形钢带槽进行拉丝，得到预设直径的粉芯丝材；将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢；采用超音速电弧喷涂设备将粉芯丝材喷涂在去污待涂低碳钢的表面形成涂层；采用非熔化极钨极氩弧机将涂层进行重熔，得到致密耐磨涂层。采用本发明的上述制备方法得到的致密耐磨涂层致密性好。

Description

一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面镀膜技术领域，特别是涉及一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法。
背景技术
磨损与腐蚀是金属材料失效的主要形式，尤其是工况使用条件下的机器零件，如各种发动机的齿轮、缸套、曲轴的破坏都发生在零件的表面，其表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化的性能是决定机器使用寿命长短的重要因素。因此，采用先进的表面强化技术，在普通材料表面制备出所需的耐磨涂层则是一种防止金属材料表面磨损的有效方法，该方法在显著提高零件的服役寿命的同时，还可以节约材料和能源。
热喷涂技术是目前常见的表面修复与防护技术之一，其具有生产效率高、操作简单、经济效益好、材料利用率高等优点。热喷涂技术包括很多种类，其中超音速电弧喷涂是热喷涂的典型技术之一，虽然超音速喷涂涂层可以获得较高的耐磨能力。但是在喷涂涂层中存在孔隙、裂纹、涂层厚度小，与基体结合差等缺陷，导致喷涂涂层致密性差，在苛刻环境中(如高应力、高温和循环疲劳下会)可能会产生开裂或剥落，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，以解决现有技术中超音速喷涂制备耐磨涂层的致密性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，包括：
将Si、W、Ti、Al、Cr、Ni、La和Fe元素粉末按预设配比称重；所述预设配比为：所述Si为8.5～10.5wt.％，所述W为6.5～8.5wt.％，所述Ti为4.5～7.5wt.％，所述Al为2.5～4.5wt.％，所述Cr为12～20wt.％，所述Ni为5.5～10.5wt.％，所述La为1～2％wt.％，余量为所述Fe；
将称重后粉末在球磨机中球磨混合，混合均匀后进行烘干，得到填充粉末；
将所述填充粉末放置于U形钢带槽中；所述U形钢带槽是由冷轧带钢制作；
将放置有填充粉末的U形钢带槽的开口端闭合，采用拔丝机将闭合后的U形钢带槽进行拉丝，得到预设直径的粉芯丝材；
将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢；
采用超音速电弧喷涂设备将所述粉芯丝材喷涂在所述去污待涂低碳钢的表面形成涂层；
采用非熔化极钨极氩弧机将所述涂层进行重熔，得到致密耐磨涂层。
可选的，所述球磨混合的时间为4～6h，所述烘干的温度为120～150℃，所述烘干的时间为1～2h。
可选的，所述球磨机为行星式球磨机。
可选的，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为(0.4～0.6)：1。
可选的，所述拔丝机的拉丝速度为160～220mm/s，所述粉芯丝材的预设直径为2mm。
可选的，所述将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢，具体包括：
采用14～25目的棕刚玉在0.7MPa的气压下进行喷砂以去除待涂低碳钢表面的污锈，得到去污待涂低碳钢。
可选的，所述超音速电弧喷涂设备在喷涂中的参数为：超音速电弧喷涂设备的喷涂电压25～30V，超音速电弧喷涂设备的喷涂电流150～180A，超音速电弧喷涂设备的喷涂气压0.7～1.2MPa，超音速电弧喷涂设备的喷涂距离180～220mm，超音速电弧喷涂设备的送丝速度78～85cm/min，喷枪移动速度12～18mm/s，喷涂厚度1.5mm～2.5mm。
可选的，所述非熔化极钨极氩弧机在重熔中的参数为：重熔电流100～150A，重熔电压18～24V，重熔速度100～150mm/min，氩气流量8～12L/min。
可选的，其特征在于，所述球磨混合时间为5h，所述烘干温度为130℃，所述烘干时间为1.5h。
可选的，其特征在于，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为0.5：1。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，按预设配比将元素粉末进行称重，将称重后粉末进行球磨混合、烘干，然后置于U形钢带槽中，采用拔丝机拉拔成粉芯丝材；采用超音速电弧喷涂设备将制备的粉芯丝材喷涂至经过处理的低碳钢表面形成喷涂涂层，最后采用氩弧重熔方式对喷涂涂层进行重熔处理，得到致密耐磨涂层。本发明的制备方法简单，制备的致密耐磨涂层具有一定厚度且组织致密，能实现自动化生产，且成本低廉，为超音速喷涂制备耐磨涂层提供新的途径。
说明书附图
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一所提供的一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例二所提供的制备的致密耐磨涂层的金相显微照片；
图3为本发明实施例三所提供的制备的致密耐磨涂层的金相显微照片；
图4为本发明实施例三所提供的制备的致密耐磨涂层的显微硬度图；
图5为本发明实施例三所提供的制备的致密耐磨涂层的相对耐磨性图。
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。
本发明的目的是提供一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，以解决现有技术中超音速喷涂制备耐磨涂层的致密性差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
实施例一
图1为本发明实施例一所提供的一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法的流程图，如图1所示，本发明一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法包括：
S101，将Si、W、Ti、Al、Cr、Ni、La和Fe元素粉末按预设配比称重；所述预设配比为：所述Si为8.5～10.5wt.％，所述W为6.5～8.5wt.％，所述Ti为4.5～7.5wt.％，所述Al为2.5～4.5wt.％，所述Cr为12～20wt.％，所述Ni为5.5～10.5wt.％，所述La为1～2％wt.％，余量为所述Fe。
S102，将称重后粉末在球磨机中球磨混合，混合均匀后进行烘干，得到填充粉末。具体的，将称重后粉末放置于行星式球磨机中，在室温下进行4～6h的球磨混合，混合均匀后，在温度为120～150℃下进行1～2h的烘干，获得填充粉末。
S103，将所述填充粉末放置于U形钢带槽中；所述U形钢带槽是由冷轧带钢制作。具体的，选用冷轧带钢作为粉芯丝材的包覆层，将填充粉末加入到U形钢带槽中，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为(0.4～0.6)：1。
S104，将放置有填充粉末的U形钢带槽的开口端闭合，采用拔丝机将闭合后的U形钢带槽进行拉丝，得到预设直径的粉芯丝材。具体的，将包覆填充粉末的U形钢带槽闭合，在拔丝机上经过拉丝模将其以160～220mm/s的速度拉至成管状焊丝，得到预设直径为2.0mm的粉芯丝材。
S105，将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢。具体的，采用14～25目的棕刚玉在0.7MPa的气压下进行喷砂以去除待涂低碳钢表面的污锈，得到去污待涂低碳钢。
S106，采用超音速电弧喷涂设备将所述粉芯丝材喷涂在所述去污待涂低碳钢的表面形成涂层。
具体的，采用超音速电弧喷涂设备将制备的粉芯丝材喷涂至经过处理的低碳钢表面形成涂层。其中，喷涂工艺的参数为超音速电弧喷涂设备的喷涂电压25～30V，超音速电弧喷涂设备的喷涂电流150～180A，超音速电弧喷涂设备的喷涂气压0.7～1.2MPa，超音速电弧喷涂设备的喷涂距离180～220mm，超音速电弧喷涂设备的送丝速度78～85cm/min，喷枪移动速度12～18mm/s，喷涂厚度1.5mm～2.5mm。
S107，采用非熔化极钨极氩弧机将所述涂层进行重熔，得到耐磨涂层。具体的，采用非熔化极钨极氩弧机将喷涂后的涂层进行重熔，得到耐磨涂层。其中，氩弧重熔工艺参数为：重熔电流100～150A，重熔电压18～24V，重熔速度100～150mm/min，氩气流量8～12L/min。
优选的，所述球磨混合时间为5h，所述烘干温度为130℃，所述烘干时间为1.5h。
优选的，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为0.5：1。
优选的，所述拔丝机的拉丝速度为200mm/s。
优选的，所述超音速电弧喷涂设备在喷涂中的参数为：超音速电弧喷涂设备的喷涂电压28V，超音速电弧喷涂设备的喷涂电流160A，超音速电弧喷涂设备的喷涂气压1.0MPa，超音速电弧喷涂设备的喷涂距离190mm，超音速电弧喷涂设备的送丝速度80cm/min，喷枪移动速度15mm/s。
优选的，所述非熔化极钨极氩弧机在重熔中的参数为：重熔电流120A，重熔电压20V，重熔速度120mm/min，氩气流量10L/min。
实施例二
为实现本发明的上述目的，本发明提供了实施例二，本实施例的一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法中低碳钢为Q235钢。制备方法包括粉芯丝材的制备和耐磨涂层的制备，所述粉芯丝材先喷涂于碳钢表面，后进行氩弧重熔。所述粉芯丝材由填充粉末和U形钢带槽制备，所述填充粉末成分重量百分比为：9.5wt.％的Si、7wt.％的W、5.5wt.％的Ti、3wt.％的Al、15％wt.％的Cr、7.5wt.％的Ni，1％wt.％的La，余量为Fe，粉芯丝材直径为2.0mm，填充率为42％。
本发明一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤201，将粉末按上述配比称重，将称重后粉末置于行星式球磨机中进行室温下球磨混合5h；对球磨后的混合粉末在130℃下进行1.5h保温，得到填充粉末。
步骤202，选用冷轧带钢作为粉芯丝材的包覆层，将填充粉末加入到U形钢带槽中，所述填充粉末与U形钢带槽的重量比为0.5∶1。
步骤203，将包覆填充粉末的U形槽闭合，然后在拔丝机上经过拉丝模将其以160～220mm/s的速度拉至成管状焊丝，得到直径为2.0mm的粉芯丝材。
步骤204，将Q235钢表面采用14～25目的棕刚玉在气压为0.7MPa下进行喷砂处理，去除表面污锈。
步骤205，将制备的粉芯丝材利用超音速电弧喷涂设备，喷涂至经过处理的Q235钢表面形成涂层；其中喷涂工艺的参数为喷涂电流160A，喷涂电压28V，喷涂气压1.0MPa，喷涂距离190mm，送丝速度80cm/min，喷枪移动速度15mm/s，喷涂厚度2mm。
步骤206，将喷涂后的涂层利用非熔化极钨极氩弧机进行重熔，得到致密耐磨涂层。其中，氩弧重熔工艺参数为重熔电流120A，重熔电压20V，重熔速度120mm/min，氩气流量10L/min。
采用Axio Lab.Al分析级正立式材料显微镜对本实施例中的致密耐磨涂层的横截面形貌进行分析，结果如图2所示。本发明实施例中制备的致密耐磨涂层与基体有良好的冶金结合，无气孔等缺陷的产生，组织呈枝晶状均匀分布。
实施例三
为实现本发明的上述目的，本发明提供了实施例三，本实施例中一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法中低碳钢为Q235钢。制备方法包括粉芯丝材的制备和耐磨涂层的制备，所述粉芯丝材先喷涂于碳钢表面，后进行氩弧重熔。所述粉芯丝材由填充粉末和U形钢带槽制备，所述粉芯丝材成分重量百分比为：9.5wt.％的Si、7.5wt.％的W、6.5wt.％的Ti、3wt.％的Al、18％wt.％的Cr、8wt.％的Ni，1.5wt.％的La，余量为Fe，粉芯丝材直径为2.0mm，填充率为42％。
本发明一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤301，将粉末按上述配比称重，将称重后粉末置于行星式球磨机中进行室温下球磨混合5h；对球磨后的混合粉末在130℃下进行1.5h保温，得到填充粉末。
步骤302，选用冷轧带钢作为粉芯丝材的包覆层，将填充粉末加入到U形钢带槽中，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为0.5∶1。
步骤303，将包覆填充粉末的U形槽闭合，然后在拔丝机上经过拉丝模将其以160～220mm/s的速度拉至成管状焊丝，得到直径为2.0mm的粉芯丝材。
步骤304，将Q235钢表面采用14～25目的棕刚玉在气压为0.7MPa下进行喷砂处理，去除表面污锈。
步骤305，将制备的粉芯丝材利用超音速电弧喷涂设备，喷涂至经过处理的Q235钢表面形成涂层；其中喷涂工艺的参数为喷涂电流160A，喷涂电压28V，喷涂气压1.0MPa，喷涂距离190mm，送丝速度80cm/min，喷枪移动速度15mm/s，喷涂厚度2mm。
步骤306，将喷涂后的涂层利用非熔化极钨极氩弧机进行重熔，得到致密耐磨涂层。其中，氩弧重熔工艺参数为重熔电流120A，重熔电压20V，重熔速度120mm/min，氩气流量10L/min。
采用Axio Lab.Al分析级正立式材料显微镜对本实施例中的致密耐磨涂层的横截面形貌进行分析，结果如图3所示。本发明实施例中制备的致密耐磨涂层与基体有良好的冶金结合，无气孔等缺陷的产生，组织呈枝晶状均匀分布。
采用HVST-1000型维氏硬度计对本实施例中的致密耐磨涂层的硬度进行测试，测试结果为：超音速喷涂涂层硬度为515HV，氩弧重熔处理后涂层的硬度为848HV～892HV，可知，经过氩弧重熔处理后涂层的硬度提高了1.6～1.7倍，如图4所示。
采用MMS-2A型摩擦磨损试验机对本实施例中的致密耐磨涂层的摩擦磨进行损测试，测试结果为：氩弧重熔后的相对耐磨性较基体Q235钢提高了7倍，较超音速电弧喷涂涂层的耐磨性提高了3倍，结果如图5所示。
以上分析结果说明采超音速电弧喷涂技术与氩弧重熔结合制备的致密耐磨涂层具有结合强度高、组织致密、无污染和生产效率高的优点。并且由于粉末成本低廉因此制备的致密耐磨涂层的成本低。
为了解决超音速喷涂制备耐磨涂层的不致密、厚度小、孔隙率高等问题，本发明提供了一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，采用超音速电弧喷涂和氩弧重熔相结合的方法，该方法可以获得高致密性和高硬度的涂层，从而促进涂层在耐磨环境方面的应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括：
将Si、W、Ti、Al、Cr、Ni、La和Fe元素粉末按预设配比称重；所述预设配比为：所述Si为8.5～10.5wt.％，所述W为6.5～8.5wt.％，所述Ti为4.5～7.5wt.％，所述Al为2.5～4.5wt.％，所述Cr为12～20wt.％，所述Ni为5.5～10.5wt.％，所述La为1～2％wt.％，余量为所述Fe；
将称重后粉末在球磨机中球磨混合，混合均匀后进行烘干，得到填充粉末；
将所述填充粉末放置于U形钢带槽中；所述U形钢带槽是由冷轧带钢制作；
将放置有填充粉末的U形钢带槽的开口端闭合，采用拔丝机将闭合后的U形钢带槽进行拉丝，得到预设直径的粉芯丝材；
将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢；
采用超音速电弧喷涂设备将所述粉芯丝材喷涂在所述去污待涂低碳钢的表面形成涂层；
采用非熔化极钨极氩弧机将所述涂层进行重熔，得到致密耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述球磨混合的时间为4～6h，所述烘干的温度为120～150℃，所述烘干的时间为1～2h。
3.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述球磨机为行星式球磨机。
4.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为(0.4～0.6)：1。
5.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述拔丝机的拉丝速度为160～220mm/s，所述粉芯丝材的预设直径为2mm。
6.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述将待涂低碳钢表面的污锈去除，得到去污待涂低碳钢，具体包括：
采用14～25目的棕刚玉在0.7MPa的气压下进行喷砂以去除待涂低碳钢表面的污锈，得到去污待涂低碳钢。
7.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述超音速电弧喷涂设备在喷涂中的参数为：超音速电弧喷涂设备的喷涂电压25～30V，超音速电弧喷涂设备的喷涂电流150～180A，超音速电弧喷涂设备的喷涂气压0.7～1.2MPa，超音速电弧喷涂设备的喷涂距离180～220mm，超音速电弧喷涂设备的送丝速度78～85cm/min，喷枪移动速度12～18mm/s，喷涂厚度1.5mm～2.5mm。
8.根据权利要求1所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述非熔化极钨极氩弧机在重熔中的参数为：重熔电流100～150A，重熔电压18～24V，重熔速度100～150mm/min，氩气流量8～12L/min。
9.根据权利要求2所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述球磨混合时间为5h，所述烘干温度为130℃，所述烘干时间为1.5h。
10.根据权利要求4所述的低碳钢表面致密耐磨涂层的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述填充粉末与所述U形钢带槽的重量比为0.5：1。
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