專(zhuān)利名稱：一種由納微米改性的耐磨耐沖蝕熱噴涂管狀絲材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工程中的表面工程領(lǐng)域，是通過(guò)添加必要的合金粉末和納微米粉末改性，制備一種性能良好的納微米改性的金屬基陶瓷復(fù)合耐磨耐沖蝕管狀絲材。主要應(yīng)用于耐磨、耐沖蝕及高溫抗氧化等工業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磨損包括一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，有時(shí)還包含化學(xué)過(guò)程，磨損形式有磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損及沖蝕磨損等。材料表面的磨損和沖蝕雖然是逐漸發(fā)生的，但造成的損失非常驚人。在聯(lián)邦德國(guó)每年由于磨蝕損失超過(guò)100億馬克，在美國(guó)一年內(nèi)，金屬切削刀具因磨損而消耗的資金達(dá)400億美元。在我國(guó)由于磨蝕而消耗的費(fèi)用也是巨大的，由于工件的磨蝕也可能引起突發(fā)性失效事故。腐蝕和磨損均是發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過(guò)程，而且其它形式的機(jī)件失效有許多是從表面開(kāi)始的。因此只對(duì)設(shè)備及零部件的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理而不用替換以增強(qiáng)其抗腐蝕、耐磨損性能是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。
就電弧噴涂和火焰噴涂絲材而言，金屬、合金絲材如45CT、50Ni/Cr、FeCrAl系列等雖然具有良好的耐高溫腐蝕性能，但耐磨性能遠(yuǎn)不能滿足要求；純陶瓷涂層高硬度、耐高溫、耐腐蝕和磨損，但其脆性較大，隔熱，不能抵御沖擊載荷下的應(yīng)力作用，易脆斷、剝落。因此，金屬/陶瓷復(fù)合涂層因同時(shí)滿足高溫下的腐蝕和磨損的工況要求，將成為耐磨損和耐高溫沖蝕防護(hù)涂層的發(fā)展方向。耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特性與金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性結(jié)合起來(lái)，在航空航天、能源、電子、材料等高科技領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。
本發(fā)明的目的就是研制一種通過(guò)納微米改性的高耐磨、耐沖蝕電弧噴涂或火焰噴涂管狀絲材，用來(lái)制備鐵基或鎳基金屬陶瓷復(fù)合涂層。

發(fā)明內(nèi)容
為解決熱噴涂金屬陶瓷復(fù)合絲材制備涂層的韌性問(wèn)題，加入納微米陶瓷粉末增韌，使電弧或火焰噴涂管狀絲材制備的金屬陶瓷復(fù)合涂層致密、高韌性，從而具有高的耐磨和耐沖蝕性能。
該納微米改性的熱噴涂管狀絲材，采用電弧噴涂或火焰噴涂方法制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層，為改善陶瓷相與金屬基體的潤(rùn)濕性，加入合金元素Ni、Cr、B、Si等。該納微米改性的熱噴涂管狀絲材，是以鐵基或鎳基為管狀絲材外皮。
本發(fā)明所提供的工藝性能優(yōu)良的熱噴涂管狀絲材，其特征在于，管狀絲材包裹的粉芯成分范圍如下高碳鉻鐵提供了涂層中所需Cr元素，可以改善涂層中鐵基和鎳基與陶瓷相Cr3C2或TiB2或TiB2/Al2O3間的潤(rùn)濕性，質(zhì)量百分含量為45～60％；鎳粉向涂層中過(guò)渡合金元素，質(zhì)量百分含量為10～20％；硅鐵向涂層中過(guò)渡合金元素，質(zhì)量百分含量為4～10％；硼鐵向涂層中過(guò)渡合金元素，質(zhì)量百分含量為5～10％；陶瓷相在粉芯中加入Cr3C2(或TiB2，或TiC)等陶瓷相，具有很高的硬度，Cr與氧的親和力很強(qiáng)，高溫氧化時(shí)能在金屬表面形成Cr3O2膜，有良好的抗高溫氧化和熱腐蝕的能力。向涂層中過(guò)渡陶瓷相或通過(guò)噴涂熱過(guò)程，在涂層中形成其它陶瓷相。陶瓷相的加入質(zhì)量百分含量為10～15％；納微米改性陶瓷粉末，改善涂層的致密度和韌性，質(zhì)量百分含量為5～15％微米TiB2(粒徑小于5微米)、5～15％納米Al2O3(粒徑為20-40納米團(tuán)聚粉末)。
該粉芯中還含有以下一種或幾種成分1～3％硅灰石，2～5％ZrO2，5～15％TiO2。
本發(fā)明的制備方法采用現(xiàn)有技術(shù)，包括以下步驟1.對(duì)納微米陶瓷粉末進(jìn)行噴霧造粒，使納微米陶瓷粉末外包覆金屬粉，并使造粒后的粉末達(dá)到40-200目粒度；2.將鋼帶軋成U形，向U形槽中加入占本發(fā)明焊絲總重的25-35％的本發(fā)明藥粉；3.將U形槽合口，使藥粉包裹其中，通過(guò)拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm或3.0mm，得到最終產(chǎn)品。絲材外表有明顯的金屬光澤，以利于高速熱噴涂送絲。
采用納微米改性的鐵基和鎳基管狀噴涂絲具有以下性能納微米改性的金屬陶瓷復(fù)合絲材在噴涂過(guò)程中粒子飛行速度快，動(dòng)能大，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度比常規(guī)涂層高1～2倍。
與常規(guī)絲材相比，制備的涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率很低。涂層具有優(yōu)良的韌性，在相同的硬度或比常規(guī)涂層稍低的硬度時(shí)具有比常規(guī)涂層高2～3倍的耐磨粒磨損和耐沖蝕性能。


圖1管狀絲材軋制過(guò)程示意圖，圖中1為裁帶，2為軋帶，3為加粉，4為拔絲。
圖2熱噴涂過(guò)程粒子飛行速度隨噴涂距離的變化規(guī)律，橫坐標(biāo)表示噴涂距離，單位mm，縱坐標(biāo)表示粒子飛行速度，單位m/s，圖中1#為實(shí)施例1，5#為實(shí)施例5。
具體實(shí)施例方式所有實(shí)施例管狀絲材都是由昆明重機(jī)廠制造的“FCWM50藥芯拉絲機(jī)”制出選用寬度為8-14mm，厚度為0.25-0.5mm的優(yōu)質(zhì)碳鋼帶或鎳鉻帶。先將其軋成U形，再向U形槽中加入粒度為過(guò)40-200目篩子的混合藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占焊絲總重的百分率)為30-35％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。
基材選用20號(hào)鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
具體實(shí)施方案如下1.選用14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的優(yōu)質(zhì)低碳冷軋鋼帶，先將其軋成U形。取高碳鉻鐵340克，鎳粉210克，硅鐵20克，硼鐵140克，Cr3C2320克，造粒后的微米TiB240克(所取粉末的粒度為能通過(guò)40-200目的篩子)。將所取各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合40分鐘，然后將混合粉末加入U(xiǎn)形的鋼帶槽中，填充率為33％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm?；w為20#鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
2.選用14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的優(yōu)質(zhì)低碳冷軋鋼帶，先將其軋成U形。取高碳鉻鐵340克，鎳粉210克，硅鐵20克，硼鐵140克，Cr3C2320克，造粒后的微米TiB2150克(所取粉末的粒度為能通過(guò)40-200目的篩子)。將所取各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合40分鐘，然后將混合粉末加入U(xiǎn)形的鋼帶槽中，填充率為33％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm。基體為20#鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
3.選用14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的優(yōu)質(zhì)低碳冷軋鋼帶，先將其軋成U形。取高碳鉻鐵340克，鎳粉210克，硅鐵20克，硼鐵140克，Cr3C2320克，造粒后的微米TiB2300克(所取粉末的粒度為能通過(guò)40-200目的篩子)。將所取各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合40分鐘，然后將混合粉末加入U(xiǎn)形的鋼帶槽中，填充率為33％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm。基體為20#鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
4.選用14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的優(yōu)質(zhì)低碳冷軋鋼帶，先將其軋成U形。取高碳鉻鐵340克，鎳粉210克，硅鐵20克，硼鐵140克，TiB2320克，造粒后的微米TiB2300克(所取粉末的粒度為能通過(guò)40-200目的篩子)。將所取各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合40分鐘，然后將混合粉末加入U(xiǎn)形的鋼帶槽中，填充率為33％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm。基體為20#鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
5.選用14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的優(yōu)質(zhì)低碳冷軋鋼帶，先將其軋成U形。取高碳鉻鐵340克，鎳粉210克，硅鐵20克，硼鐵140克，TIB2320克，造粒后的納米Al2O3140克(所取粉末的粒度為能通過(guò)40-200目的篩子)。將所取各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合40分鐘，然后將混合粉末加入U(xiǎn)形的鋼帶槽中，填充率為33％。將U形槽合口，使藥粉包裹其中。然后使其逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.0mm。基體為20#鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.65MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
噴涂之后進(jìn)行表面洛氏硬度、顯微硬度、耐磨粒磨損性能、結(jié)合強(qiáng)度等性能進(jìn)行了測(cè)試。表2是涂層的表面洛氏硬度，試樣選用55×25×5mm，涂層厚度為0.5mm.。表3是涂層的顯微硬度。表4是涂層結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)標(biāo)GB9796-88中所規(guī)定的拉力實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試，涂層厚度為0.3mm.。表5是涂層耐磨粒磨損性能測(cè)試結(jié)果。
實(shí)施例中得到的粉芯線材送絲容易，電弧穩(wěn)定，工藝穩(wěn)定，粉末燃燒較充分，得到鐵基陶瓷復(fù)合涂層，涂層表面質(zhì)量較好。通過(guò)表2、3、4、5可以看出涂層有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，良好的耐磨性能，并且成本低，主要用于工業(yè)中耐磨及高溫抗氧化耐沖蝕領(lǐng)域。
表1 電弧噴涂工藝參數(shù)

表2 涂層的表面硬度測(cè)試

表3 涂層的顯微硬度測(cè)試HV0.1(任間隔50μm測(cè)量3個(gè)點(diǎn))

表2

權(quán)利要求
1.一種由納微米改性的耐磨耐沖蝕熱噴涂管狀絲材，其特征在于，外皮選用鐵基或鎳基，包裹的粉芯成分質(zhì)量百分比含量如下45～60％高碳鉻鐵10～20％鎳4～10％硅鐵5～10％硼鐵10～15％Cr3C2或TiB2，或TiC粒徑小于5μm微米TiB25～15％粒徑尺寸為20-40nm團(tuán)聚粉末納米Al2O35～15％其它粉末粒徑均為常規(guī)尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種由納微米改性的耐磨耐沖蝕熱噴涂管狀絲材，其特征在于，所述的粉芯中還含有以下一種或幾種成分1～3％硅灰石2～5％ZrO25～15％TiO2。
全文摘要
一種由納微米改性的耐磨耐沖蝕電弧噴涂管狀絲材屬于材料加工工程中的表面工程領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種熱噴涂管狀絲材，是以鐵或鎳為管狀絲材的外皮，所述的粉芯成分質(zhì)量百分比含量如下45～60％高碳鉻鐵，10～20％鎳，4～10％硅鐵，5～10％硼鐵，10～15％Cr
文檔編號(hào)C23C4/04GK1858293SQ20061001217
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者栗卓新, 方建筠, 秦顥, 魏琪, 蔣建敏, 賀定勇, 史耀武 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)