CN116516338A - 一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法 - Google Patents
一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及钢铁生产技术领域，具体涉及一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法，中低碳钢部件包括碳钢基体和熔覆在碳钢基体表面的陶瓷涂层，陶瓷涂层为陶瓷原料粉末激光熔覆在碳钢基体表面制得，陶瓷原料粉末的送粉方式为同轴送粉，制备方法包括：(1)准备碳钢基体；(2)陶瓷涂层的结合。本发明在中低碳钢基体表面熔覆高抗冲蚀性的陶瓷涂层，部件使用寿命增加，生产成本降低；陶瓷涂层密度低，设备运转负载降低，效率提高；使用同轴送粉激光熔覆技术，同步熔化中低碳钢基体表面合金层和同轴送出的两种陶瓷粉末，中低碳钢基体与陶瓷涂层形成牢固的冶金结合，结合强度高；陶瓷涂层表面平整、精度高，适用范围广，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域，具体涉及一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法。
背景技术
在冶金行业中，低碳钢的韧性和塑性较高，易于接受锻造、焊接和切削等加工方式，常用于结构承载件。中碳钢的塑性和韧性弱于低碳钢，但强度和硬度高于低碳钢，常用于机械传动部件。使用中低碳钢制造的中低碳钢部件广泛地应用于钢铁生产设备中，中低碳钢部件多有着形状复杂、表面存在坡度和落差的特点。
而在钢铁生产中，由于原料量大、硬度高，原料的运输和处理对钢铁设备造成的冲蚀磨损量非常显著。例如搅拌球团原料的立式强力混合机，其部分碳钢刮刀和搅拌桨叶的材质为中低碳钢，在经过一个月使用后的表面磨损量就已经达到更换标准，需要停机进行更换。为了提高钢铁生产设备内中低碳钢部件的使用寿命，通常在其表面制备充足厚度的合金耐磨涂层，例如堆焊高铬合金等硬质合金、堆焊钨钢或喷涂碳化钨涂层。这些合金耐磨涂层材料的硬度高，能够提高中低碳钢部件的耐磨性，延长使用寿命，但这些材料的密度高，且涂层处于部件的最外端，增加设备运转负载。同时，耐磨涂层堆焊表面凹凸不平，精度低，严重影响旋转部件的静平衡和动平衡。此外，耐磨涂层的堆焊和喷涂工艺质量直接关系到涂层的耐磨效果，为得到较好的耐磨效果，现有技术在涂层成型后需再对涂层部件表面进行平整处理，人工成本较高，对相关人员的技术水平要求高。
陶瓷材料具有密度低、硬度高、耐磨性高的特点，性质满足制备耐磨涂层的要求，同时随着陶瓷粉末原料制备工艺逐渐成熟，陶瓷材料的价格趋于低廉化，原料成本低于合金耐磨涂层。现有技术中，在金属基体表面制备陶瓷涂层多使用旁轴送粉式激光熔覆技术，即依靠重力作用提前将粉末堆积在基体表面，再进行激光束扫描完成熔覆过程，有着粉末利用率高、熔覆效率高的优点。但旁轴送粉激光熔覆技术需提前在金属基体表面铺设陶瓷粉末的技术特征导致其不适宜在形状复杂，特别是表面存在斜面和落差的金属基体表面应用，适用范围有限；使用旁轴送粉激光熔覆技术的原理为激光将碳钢基体表面铺设的陶瓷粉末熔融后凝固形成陶瓷涂层，基体表面的合金熔层浅，陶瓷涂层和碳钢基体的结合强度不高，存在分离脱落风险；此外，使用旁轴送粉激光熔覆技术制备的陶瓷涂层还存在表面起伏较大，后期加工量大的问题。
发明内容
针对钢铁生产设备中的中低碳钢部件磨损严重，制备合金耐磨涂层密度高、增加设备运转负载，精度低、影响设备运行，人工成本高；使用旁轴送粉式激光熔覆技术制备陶瓷涂层适用范围小，厚度固定，表面起伏较大，后期加工量大、结合强度不高的技术问题，本发明提供一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法，在碳钢基体表面熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层，部件使用寿命增加，生产成本降低；陶瓷涂层密度低，设备运转负载降低，效率提高；使用同轴送粉激光熔覆技术，同步熔化中低碳钢基体表面合金层和同轴送出的两种陶瓷粉末，中低碳钢基体与陶瓷涂层形成牢固的冶金结合，结合强度高；陶瓷涂层表面平整、精度高，无需后续加工工序，适用范围广，成本低。
第一方面，本发明提供一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件，包括碳钢基体和熔覆在碳钢基体表面的陶瓷涂层，陶瓷涂层为陶瓷原料粉末激光熔覆在碳钢基体表面制得，陶瓷原料粉末的送粉方式为同轴送粉。
进一步的，碳钢基体的碳含量为0.04％-0.60％，属于中低碳钢材料。
进一步的，陶瓷原料粉末包括氧化铝陶瓷粉末和氧化锆陶瓷粉末，粉末粒径均为150-300目，氧化铝陶瓷粉末和氧化锆陶瓷粉末混合熔融后凝固，可形成氧化铝-氧化锆复合陶瓷涂层。
进一步的，以重量份数计，陶瓷原料粉末包括氧化锆陶瓷粉末25-65份，氧化铝陶瓷粉末35-75份，共100份。
进一步的，陶瓷涂层的硬度为1600-2300HV，远大于中低碳钢硬度，可对碳钢基体表面起到显著的保护作用。
第二方面，本发明提供一种上述陶瓷涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备碳钢基体，选择经过铸造或锻造的碳钢基体，清理碳钢基体表面的氧化层，再用无水乙醇清洁碳钢基体表面并自然晾干，用定位夹具固定其位置，清理氧化层并清洁后的碳钢基体表面平整、成分均匀，可与陶瓷涂层更好的结合；
(2)陶瓷涂层的结合，使用同轴送粉式激光熔覆技术，同步熔化碳钢基体表面合金层和通过送粉器同轴送出的陶瓷原料粉末，形成同时含有熔融陶瓷和熔融碳钢的熔池，陶瓷粉末经过激光熔化进入熔池形成对流效应，与熔融碳钢充分混合，冷却凝固后陶瓷涂层熔覆于碳钢基体表面，陶瓷涂层与碳钢基体表面形成冶金结合，结合强度高，陶瓷涂层不易脱落。
进一步的，步骤(2)的激光为连续激光，波形为正弦波或矩形波，激光功率为100-500W，扫描速度为1-9mm/s，光斑直径为1.0-3.0mm，激光保护气体为氩气，氩气纯度>99.99％，保护气输送压力为0.3-0.6MPa，气流量为4-6L/min。
进一步的，步骤(2)的送粉器为双通道送粉器，双通道送粉器的进粉口分别与氧化铝通道和氧化锆通道相连，氧化铝通道和氧化锆通道分别输送氧化铝陶瓷粉末及氧化锆陶瓷粉末，送粉气体均为氩气，氩气纯度>99.99％，使用双通道送粉器同步输送两种陶瓷粉末，两种陶瓷粉末以一定比例直接输送到碳钢基体表面熔融，受热均匀、混合充分，无需提前混合。
进一步的，氧化铝通道送粉速率为0.2-3g/min，氧化锆通道的送粉速率为0.1-2.5g/min，氧化铝通道与氧化锆通道的送粉速率之比为13:7-39。
进一步的，步骤(2)通过多道多层沉积方式涂布陶瓷涂层，得到的陶瓷涂层厚度为3-15mm，通过多道多层沉积方式涂布陶瓷涂层可实现较大厚度陶瓷涂层的制备，陶瓷涂层厚度可根据实际需求灵活调整。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在碳钢基体表面熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层制得中低碳钢部件，可在提高中低碳钢基体表面耐磨性的同时保留中低碳钢的韧性，中低碳钢部件的使用寿命增加，更换周期延长，降低了生产成本，设备停机更换部件的频次降低，提升生产效率；陶瓷涂层密度低，中低碳钢部件的整体质量较低，将中低碳钢部件应用于设备中的运转负载较小，设备运行功耗较低。
2.本发明同步熔化中低碳钢基体表面合金层和同轴送出的两种陶瓷粉末，熔融碳钢和熔融陶瓷充分混合，冷却凝固后中低碳钢基体与陶瓷涂层形成牢固的冶金结合，结合强度高，不易在使用过程中发生涂层分离和脱落现象。
3.本发明使用同轴送粉激光熔覆技术制备的陶瓷涂层表面平整、精度高，可熔覆于形状复杂、存在坡度和落差的碳钢基体表面，适用范围广。
4.本发明的陶瓷涂层所使用原料为氧化铝陶瓷粉末和氧化锆陶瓷粉末，制备工艺成熟，原料成本远低于合金涂层。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1的涂层制造设备示意图。
图2是实施例1的碳钢桨叶基体俯视图。
图3是实施例1熔覆陶瓷涂层后碳钢桨叶基体的侧面截面图。
图4是实施例1的陶瓷涂层硬度压痕图。
图中，1-同轴送粉式激光熔覆头，2-碳钢桨叶基体，3-定位夹具，4-工作台，5-双通道送粉器，6-送粉气泵，7-激光保护气泵，8-陶瓷涂层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件，于碳钢桨叶基体表面进行同轴送粉式激光熔覆制得，碳钢桨叶基体的碳含量为0.12％，硬度为55HRC(约等于599HV)。
陶瓷涂层使用如图1所示的涂层制造设备进行制备，涂层制造设备包括双通道送粉器5，双通道送粉器5中分别设有氧化铝通道和氧化锆通道，氧化铝通道的进粉口与双通道送粉器5内部的氧化铝粉末容器相连，氧化锆通道的进粉口与双通道送粉器5内部的氧化锆粉末容器相连，氧化铝通道和氧化锆通道的出粉口分别与同轴送粉式激光熔覆头1相连；氧化铝粉末容器和氧化锆粉末容器分别与送粉气泵6相连，；同轴送粉式激光熔覆头1与激光保护气通道相连，激光保护气通道与激光保护气泵7相连。
陶瓷涂层的制备步骤如下：
(1)准备碳钢基体，清理碳钢桨叶基体2表面的氧化层，再用无水乙醇清洁碳钢基体表面并自然晾干，用定位夹具3将碳钢桨叶基体2固定于工作台4上；
(2)陶瓷涂层的结合，开启送粉气泵6，分别向氧化铝通道和氧化锆通道吹送送粉气体，使氧化铝通道和氧化锆通道分别向双通道送粉器5输送氧化铝陶瓷粉末及氧化锆陶瓷粉末，送粉气体为纯度>99.99％的氩气，氧化铝通道送粉速率为1.575g/min，氧化锆通道的送粉速率为0.675g/min；开启同轴送粉式激光熔覆头1，同步熔化碳钢桨叶基体表面合金层和通过双通道送粉器5同轴送出的陶瓷粉末，同轴送粉式激光熔覆头1发射的激光为连续激光，波形为正弦波，激光功率为200W，扫描速度为3mm/s，光斑直径为2.0mm，同轴送粉式激光熔覆头1开启的同时激光保护气泵7开启，持续吹送激光保护气体，激光保护气体为纯度＞99.99％的氩气，输送压力为0.4MPa，气流量为5L/min；多道多层沉积方式熔覆陶瓷涂层，冷却凝固后陶瓷涂层熔覆于碳钢基体表面，陶瓷涂层厚度为10mm。
实施例1碳钢桨叶基体的俯视图及熔覆陶瓷涂层后的截面图如图2-图3所示
对实施例1制得的陶瓷涂层分别进行硬度检测、磨损试验，硬度压痕如图4所示，磨损试验结果如表1所示。
使用如下公式对陶瓷涂层的硬度进行计算：
式中，HV为维氏显微硬度值(无量纲，HV1)；F为试验力(N)，施加载荷为1kg，F＝9.8N；d为压痕两条对角线d1和d2的算术平均值(mm)。测量图4中硬度压痕得d1＝31.87×10-3mm和d2＝29.61×10-3mm，其算术平均值d＝30.74×10-3mm，带入公式计算得到实施例1的陶瓷涂层硬度为1961HV。
经45号钢摩擦副进行60min摩擦实验后，实施例1的陶瓷涂层质量损失0.00010g。
实施例2
一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件，于碳钢桨叶基体表面进行同轴送粉式激光熔覆制得，碳钢桨叶基体的碳含量为0.35％，使用与实施例1相同的涂层制造设备进行制备。
陶瓷涂层的制备步骤如下：
(1)准备碳钢基体，清理碳钢桨叶基体2表面的氧化层，再用无水乙醇清洁碳钢基体表面并自然晾干，用定位夹具3将碳钢桨叶基体2固定于工作台4上；
(2)陶瓷涂层的结合，开启送粉气泵6，分别向氧化铝通道和氧化锆通道吹送送粉气体，使氧化铝通道和氧化锆通道分别向双通道送粉器5输送氧化铝陶瓷粉末及氧化锆陶瓷粉末，送粉气体为纯度>99.99％的氩气，氧化铝通道送粉速率为0.725g/min，氧化锆通道的送粉速率为1.325g/min；开启同轴送粉式激光熔覆头1，同步熔化碳钢桨叶基体表面合金层和通过双通道送粉器5同轴送出的陶瓷粉末，同轴送粉式激光熔覆头1发射的激光为连续激光，波形为正弦波，激光功率为300W，扫描速度为7mm/s，光斑直径为2.2mm，同轴送粉式激光熔覆头1开启的同时激光保护气泵7开启，持续吹送激光保护气体，激光保护气体为纯度＞99.99％的氩气，输送压力为0.5MPa，气流量为5L/min；多道多层沉积方式熔覆陶瓷涂层，冷却凝固后陶瓷涂层熔覆于碳钢基体表面，陶瓷涂层厚度为5mm。
对实施例2制得的陶瓷涂层分别进行硬度检测、磨损试验，磨损试验结果如表1所示。经检测，实施例1的陶瓷涂层硬度为1720HV，经45号钢摩擦副进行60min摩擦实验后陶瓷涂层质量损失0.00013g。
实施例3
一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件，于碳钢桨叶基体表面进行同轴送粉式激光熔覆制得，碳钢桨叶基体的碳含量为0.17％，使用与实施例1相同的涂层制造设备进行制备。
陶瓷涂层的制备步骤如下：
(1)准备碳钢基体，清理碳钢桨叶基体2表面的氧化层，再用无水乙醇清洁碳钢基体表面并自然晾干，用定位夹具3将碳钢桨叶基体2固定于工作台4上；
(2)陶瓷涂层的结合，开启送粉气泵6，分别向氧化铝通道和氧化锆通道吹送送粉气体，使氧化铝通道和氧化锆通道分别向双通道送粉器5输送氧化铝陶瓷粉末及氧化锆陶瓷粉末，送粉气体为纯度>99.99％的氩气，氧化铝通道送粉速率为1.875g/min，氧化锆通道的送粉速率为1.875g/min；开启同轴送粉式激光熔覆头1，同步熔化碳钢桨叶基体表面合金层和通过双通道送粉器5同轴送出的陶瓷粉末，同轴送粉式激光熔覆头1发射的激光为连续激光，波形为正弦波，激光功率为500W，扫描速度为9mm/s，光斑直径为2.5mm，同轴送粉式激光熔覆头1开启的同时激光保护气泵7开启，持续吹送激光保护气体，激光保护气体为纯度＞99.99％的氩气，输送压力为0.6MPa，气流量为6L/min；多道多层沉积方式熔覆陶瓷涂层，冷却凝固后陶瓷涂层熔覆于碳钢基体表面，陶瓷涂层厚度为15mm。
对实施例3制得的陶瓷涂层分别进行硬度检测、磨损试验，磨损试验结果如表1所示。经检测，实施例3的陶瓷涂层硬度为2140HV，经45号钢摩擦副进行60min摩擦实验后陶瓷涂层质量损失0.00008g。
表1实施例1-3陶瓷涂层摩擦实验后质量变化(g)
| 编号 | 摩擦实验前质量 | 摩擦实验后质量 | 磨损量 |
| 实施例1 | 0.34057 | 0.34047 | 0.00010 |
| 实施例2 | 0.38475 | 0.38462 | 0.00013 |
| 实施例3 | 0.31189 | 0.31181 | 0.00008 |
可见，实施例1-3的高抗冲蚀性激光熔覆陶瓷涂层能够显著提高碳钢基体表面硬度、降低碳钢基体的磨损速度，延长使用寿命，减少设备停机次数，提高生产效率。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件，其特征在于，包括碳钢基体和熔覆在碳钢基体表面的陶瓷涂层，陶瓷涂层为陶瓷原料粉末激光熔覆在碳钢基体表面制得，陶瓷原料粉末的送粉方式为同轴送粉。
2.如权利要求1所述的中低碳钢部件，其特征在于，碳钢基体的碳含量为0.04％-0.60％。
3.如权利要求1所述的中低碳钢部件，其特征在于，陶瓷原料粉末包括氧化铝陶瓷粉末和氧化锆陶瓷粉末，粉末粒径均为150-300目。
4.如权利要求3所述的中低碳钢部件，其特征在于，以重量份数计，陶瓷原料粉末包括氧化锆陶瓷粉末25-65份，氧化铝陶瓷粉末35-75份，共100份。
5.如权利要求1所述的中低碳钢部件，其特征在于，陶瓷涂层的硬度为1600-2300HV。
6.一种如权利要求1所述的中低碳钢部件的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)准备碳钢基体，选择经过铸造或锻造的碳钢基体，清理碳钢基体表面的氧化层，再用无水乙醇清洁碳钢基体表面并自然晾干，用定位夹具固定其位置；
(2)陶瓷涂层的结合，使用同轴送粉式激光熔覆技术，同步熔化碳钢基体表面合金层和通过送粉器同轴送出的陶瓷原料粉末，冷却凝固后陶瓷涂层熔覆于碳钢基体表面。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的激光为连续激光，波形为正弦波或矩形波，激光功率为100-500W，扫描速度为1-9mm/s，光斑直径为1.0-3.0mm，激光保护气体为氩气，氩气纯度>99.99％，保护气输送压力为0.3-0.6MPa，气流量为4-6L/min。
8.如权利要求6所述的制备方法，步骤(2)的送粉器为双通道送粉器，双通道送粉器的进粉口分别与氧化铝通道和氧化锆通道相连，氧化铝通道和氧化锆通道分别输送氧化铝陶瓷粉末及氧化锆陶瓷粉末，送粉气体均为氩气，氩气纯度>99.99％。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，氧化铝通道送粉速率为0.2-3g/min，氧化锆通道的送粉速率为0.1-2.5g/min，氧化铝通道与氧化锆通道的送粉速率之比为13:7-39。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)通过多道多层沉积方式熔覆陶瓷涂层，得到的陶瓷涂层厚度为3-15mm。
Priority Applications (1)
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| CN202310417818.2A CN116516338A (zh) | 2023-04-13 | 2023-04-13 | 一种熔覆高抗冲蚀性陶瓷涂层的中低碳钢部件及其制备方法 |
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2023
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