CN113403564A - 一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冷轧辊涂层技术领域，具体涉及一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其制备方法，包括质量百分数为70～95％的FeCrBSi和质量百分数为5～30％的Cr3C2，对原始粉末采用空气燃料超音速火焰喷涂后，涂层具有高的结合强度，避免了服役过程中辊面涂层的剥落，同时，涂层的孔隙率低、韧性高、耐磨性很好，可以有效延长冷轧辊的使用寿命，减少停机概率，降低了冷轧辊更换及维护的成本。
Description
技术领域
本发明涉及冷轧辊涂层技术领域，具体涉及一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其制备方法。
背景技术
在冶金行业中，冷轧辊既要承受很大的轧制力，还要承受很大的冲击载荷力，且与产品发生剧烈的相互摩擦作用，造成冷轧辊表面的磨损、剥落和粘辊等现象；传统的冷轧辊表面防护方法是电镀铬，但电镀工艺过程会对周围环境及生物等造成污染及危害，与绿色发展、可持续发展等理念相背；其他表面工程技术，如感应加热淬火、堆焊、物理气相沉积、激光熔覆等，都或多或少存在一些不足之处，如淬硬性和裂纹敏感性大、涂层与基体之间的结合力差、设备成本高、存在表层微裂纹等问题；目前，较为常用的是采用热喷涂技术在冷轧辊表面制备组分为WC及Co的涂层，但使用该涂层的冷轧辊缺点在于结合强度低、韧性差；因此需要研究一种新型的用于冷轧辊表面的涂层。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决现有冷轧辊表面涂层结合强度低、韧性差的问题，提供了一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，包括质量百分数为70～95％的FeCrBSi和质量百分数为5～30％的Cr3C2。
所述涂层厚度为0.30～0.40mm。
所述Cr3C2中包括纳米Cr3C2和微米Cr3C2。
所述Cr3C2中纳米Cr3C2的质量百分比为50％。
所述微米Cr3C2的粉末粒径为5～50μm，所述纳米Cr3C2的粉末粒径为10～800nm
所述FeCrBSi的粉末粒径为15μm～50μm。
本发明还公开了一种上述用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1：按比例称取各原料粉末，进行充分混合，获得涂层粉末，封装；
S2：使用酒精对冷作模具钢冷轧辊表面进行清洗，检查冷轧辊表面有无缺陷，然后测量辊型直径并记录；
S3：采用自动喷砂机进行喷砂处理，冷轧辊表面喷砂后表面粗糙度要求Ra为0.1-0.3μm；
S4：将混合好的涂层粉末于80±10℃预热2小时以上，采用空气燃料超音速火焰喷涂设备制备冷轧辊涂层。
所述步骤S3中喷砂材料为24目白刚玉，喷枪角度90±10°，空气压力5kg/cm2，喷枪到冷轧辊表面距离400-600mm。
所述步骤S4中喷涂工艺参数为：送粉率50-70g/min、氧气流速200-240L/min、空气流速330-370L/min、丙烷流速65-85L/min、枪距100-200mm。
Cr3C2陶瓷涂层耐磨性较好，但是结合性能较差，碳化物颗粒在复合涂层内部作为强化相的存在。FeCrBSi合金与冷作模具钢具有相似的膨胀系数及热导率，其合金涂层结合强度较高，然而耐磨性较差。在FeCrBSi合金粉末中加入微米及纳米尺寸陶瓷增强相Cr3C2粉末，利用微米Cr3C2粉末的喷丸效应与纳米Cr3C2粉末的弥散强化，使得所制备涂层同时具备高结合强度、高韧性及优异耐磨性。而FeCrBSi合金的含量太低，会导致涂层的韧性及结合强度下降；FeCrBSi合金的含量太高，会导致涂层的耐磨性下降；微米Cr3C2含量过多，会导致涂层的韧性及结合强度下降；纳米Cr3C2含量过多，会导致涂层的耐磨性下降。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明对原始粉末采用空气燃料超音速火焰喷涂后，涂层具有高的结合强度，避免了服役过程中辊面涂层的剥落，同时，Cr3C2采用微米-纳米多尺寸粉末结构，实现涂层硬度提高的同时保证涂层韧性，涂层的孔隙率低、韧性高、耐磨性好。可以有效延长冷轧辊的使用寿命，减少停机概率，降低了冷轧辊更换及维护的成本。
附图说明
图1为90FeCrBSi-5micoCr3C2-5nanoCr3C2(wt.％)喷涂粉末机械混合后的表面形貌；
图2为空气燃料超音速火焰喷涂90FeCrBSi-5micoCr3C2-5nanoCr3C2纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的表面形貌；
图3为不同纳米-微米Cr3C2比例复合涂层的XRD。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
配置50kg粉末；取FeCrBSi粉末45kg，纳米及微米Cr3C2粉末5kg(K1：微米5kg+纳米0kg；K2：微米3.75kg+纳米1.25kg；K3：微米2.5kg+纳米2.5kg；K4：微米1.25kg+纳米3.75kg；K5：微米0kg+纳米5kg)，进行充分混合，获得涂层粉末，封装；使用酒精对冷作模具钢冷轧辊表面进行清洗，检查冷轧辊表面有无针孔等缺陷，然后测量辊型，直径并记录；采用喷砂机进行喷砂处理，喷砂材料为24目白刚玉，喷枪角度90°，空气压力5kg/cm2，喷枪到冷轧辊表面距离500mm，冷轧辊表面喷砂后表面粗糙度要求Ra0.2μm；将混合好的涂层粉末于80℃预热2小时以上，采用空气燃料超音速火焰喷涂设备制备冷轧辊涂层，喷涂工艺参数为送粉率60g/min、氧气流速220L/min、空气流速350L/min、丙烷流速75L/min、枪距150mm；涂层厚度为0.3mm。
图1是机械混合后的90FeCrBSi-5micoCr3C2-5nanoCr3C2喷涂粉末表面形貌图，从图中可以看出，三种粉末混合均匀。图2是采用空气燃料超音速火焰喷涂90FeCrBSi-5micoCr3C2-5nanoCr3C2纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的表面形貌，从图中可以看出，粉末间的结合较好，表面形貌较均匀。XRD图谱表明几组复合涂层的相结构相近，均包含Fe相，Cr3C2相、Cr7C3相和Cr2O3相。表1～3为不同纳米-微米Cr3C2比例复合涂层的结合强度、断裂韧性以及磨损率。
表1不同纳米-微米Cr3C2比例复合涂层的结合强度
| 涂层 | K<sub>1</sub> | K<sub>2</sub> | K<sub>3</sub> | K<sub>4</sub> | K<sub>5</sub> |
| 结合强度/MPa | 32.7±0.6 | 34.6±0.3 | 42.8±0.7 | 36.7±0.8 | 31.3±0.7 |
表2不同纳米-微米Cr3C2比例复合涂层的断裂韧性
| 涂层 | K<sub>1</sub> | K<sub>2</sub> | K<sub>3</sub> | K<sub>4</sub> | K<sub>5</sub> |
| 断裂韧性/MPa·m<sup>1/2</sup> | 2.43 | 2.84 | 2.26 | 2.46 | 2.98 |
表3不同纳米-微米Cr3C2比例复合涂层的磨损率
| 涂层 | K<sub>1</sub> | K<sub>2</sub> | K<sub>3</sub> | K<sub>4</sub> | K<sub>5</sub> |
| 磨损率/×10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>/N·m | 8.3 | 7.8 | 5.4 | 7.4 | 7.6 |
从表1～3可以看出，在纳米-微米比例为50％时，复合涂层具有最佳的结合强度、韧性及磨损性能。
实施例2
配置50kg粉末；取FeCrBSi粉末42.5kg，纳米Cr3C2粉末3.75kg，微米Cr3C2粉末3.75kg，进行充分混合，获得涂层粉末，封装；使用酒精对冷作模具钢冷轧辊表面进行清洗，检查冷轧辊表面有无针孔等缺陷，然后测量辊型，直径并记录；采用喷砂机进行喷砂处理，喷砂材料为24目白刚玉，喷枪角度90°，空气压力5kg/cm2，喷枪到冷轧辊表面距离500mm，冷轧辊表面喷砂后表面粗糙度要求Ra0.2μm；将混合好的涂层粉末于80℃预热2小时以上，采用空气燃料超音速火焰喷涂设备制备冷轧辊涂层，喷涂工艺参数为送粉率60g/min、氧气流速220L/min、空气流速350L/min、丙烷流速75L/min、枪距150mm；涂层厚度为0.3mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，包括质量百分数为70～95％的FeCrBSi和质量百分数为5～30％的Cr3C2。
2.如权利要求1所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述涂层厚度为0.30～0.40mm。
3.如权利要求1所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述Cr3C2中包括纳米Cr3C2和微米Cr3C2。
4.如权利要求3所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述Cr3C2中纳米Cr3C2的质量百分比为50％。
5.如权利要求3所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述微米Cr3C2的粉末粒径为5～50μm。
6.如权利要求3所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述纳米Cr3C2的粉末粒径为10～800nm。
7.如权利要求1所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，所述FeCrBSi的粉末粒径为15μm～50μm。
8.一种如权利要求1～7所述的用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按比例称取各原料粉末，进行充分混合，获得涂层粉末，封装；
S2：使用酒精对冷作模具钢冷轧辊表面进行清洗，检查冷轧辊表面有无缺陷，然后测量辊型直径并记录；
S3：采用自动喷砂机进行喷砂处理，冷轧辊表面喷砂后表面粗糙度要求Ra为0.1～0.3μm；
S4：将混合好的涂层粉末于80±10℃预热2小时以上，采用空气燃料超音速火焰喷涂设备制备冷轧辊涂层。
9.如权利要求8所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中喷砂材料为24目白刚玉，喷枪角度90±10°，空气压力5kg/cm2，喷枪到冷轧辊表面距离400-600mm。
10.如权利要求8所述的一种用于冷轧辊表面的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中喷涂工艺参数为：送粉率50-70g/min、氧气流速200-240L/min、空气流速330-370L/min、丙烷流速65-85L/min、枪距100-200mm。
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