專利名稱：高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱噴涂領(lǐng)域，涉及一種高耐蝕耐磨鐵基合金涂層材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
非晶、納米晶合金具有獨(dú)特而優(yōu)異的性能。非晶合金的長程無序?qū)е滤憩F(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高硬度和耐腐蝕性能，納米晶合金由于晶粒尺寸達(dá)到納米尺度，具有更高的強(qiáng)度、硬度，同時具有良好的韌性。但是由于制備過程難以控制，很長時間非晶、納米晶合金的產(chǎn)品形態(tài)主要為薄帶、細(xì)絲、粉末等，厚度或直徑只有數(shù)十個微米，難以獲得很大的尺寸和厚度，限制了它們在工程上的應(yīng)用。相對而言，制備大面積的非晶、納米晶涂層就比較容易實現(xiàn)，目前已經(jīng)采用電化學(xué)沉積、激光或電子束熔覆、熱噴涂等技術(shù)獲得表面非晶、納米晶涂層，其性能要比傳統(tǒng)材料的表面涂層更加優(yōu)越，其中熱噴涂技術(shù)是一種很有潛力的制備技術(shù)。
美國專利US4725512報道了一種“在摩擦負(fù)載下可從晶體向非晶轉(zhuǎn)變的材料”，是將重量百分比含量為40～75％Co、Fe中的一種或兩種，超過20％的Cr、Mo、W、Ni、V中的一種或Cr、Mo、W、Ni、V、Ti中的幾種，2～6％B、C中的一種或幾種成分的材料，采用激光熔覆、等離子噴涂或火焰噴涂等技術(shù)在零件表面形成一層高硬度的晶體涂層，該涂層在預(yù)處理或服役過程中受摩擦力作用不斷發(fā)生由晶體向非晶轉(zhuǎn)變，始終保持大約2～3μm厚的非晶結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層具有高硬度和高耐磨耐蝕性能。該方法的缺點(diǎn)是非晶結(jié)構(gòu)層很薄，當(dāng)摩擦力不均勻或很小時非晶結(jié)構(gòu)層難以覆蓋整個表面或難以形成，耐磨性和耐蝕性下降。
Daniel J.Branagand等人的美國專利US6258185中報道了一種非晶納米晶涂層的制備方法。首先將含有多元素的Fe基成分的材料熔化，采用氣霧化或離心霧化等技術(shù)將熔體霧化制備成非晶粉末，將該非晶粉末采用等離子噴涂、高速火焰噴涂等技術(shù)在基體表面形成非晶涂層，最后在600℃到熔點(diǎn)之間熱處理涂層晶化形成納米晶結(jié)構(gòu)涂層。
中國專利CN200510011484.0和CN200510086363.2報道了采用等離子噴涂技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)直接制備鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的辦法，制備出的涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕耐磨損綜合性能。
此外，Daniel J.Branagand等人的美國專利公開No.2004/0142197中報道了一種“硬化金屬絲”，是采用金屬粉末和金屬帶材合成的金屬絲，其成分為少于55重量％的Fe和包括C、Si和B等元素，該成分合金在較大的冷卻速度下可以形成非晶。工藝過程為配料-熔煉合金化和/或冷卻成塊體材料-制成粉末-和藥皮制成絲材-制備非晶表面-處理成納米晶表面，其組織為單一的納米結(jié)構(gòu)，包括多種晶化相，也就是說其藥芯是經(jīng)過合金化并制備成含有＞50％以上體積分?jǐn)?shù)非晶相的合金粉末，最終制備成的涂層是納米晶涂層，中間需要經(jīng)過晶化處理。
總之，目前在熱噴涂技術(shù)中主要是采用等離子噴涂和高速火焰噴涂技術(shù)制備非晶納米晶復(fù)合涂層，采用的材料多為預(yù)先制備好的非晶態(tài)粉末，工藝相對復(fù)雜，或者制備出的涂層為單一的非晶涂層或納米晶涂層，無法充分發(fā)揮非晶和納米晶各自的性能優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層材料及其制備方法，其成本低廉、工藝簡單，可以使用該涂層材料直接制備出所需的非晶納米晶復(fù)合涂層。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案一種高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層材料，其中1)所述熱噴涂材料是由金屬帶包覆金屬粉末加工形成的金屬絲材；2)所述熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料，所述金屬絲材的總成分按重量百分比表示為Cr13～20％，Mn0.2～5％，B0.2～5％，C0.05～1％，Si0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，其總含量為0～12％，其中Al＜2％；或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種，其總含量為0～15％，其中V＜4.5％；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％；其余是Fe；3)熱噴涂后直接得到的涂層為非晶納米晶復(fù)合涂層。
金屬絲材的總成分中還包含Mo、W中的至少一種，其總含量為0～15％。
制備該涂層材料的原料為選自下列原料中的至少一種的低純度普通工業(yè)原材料工業(yè)硼鐵、工業(yè)鉬鐵、工業(yè)釩鐵工業(yè)純鐵和WC粉末。
金屬粉末是由按照所需成分直接混合原料純物質(zhì)粉或合金粉組成的機(jī)械混合粉。
金屬粉末的粒度為60-100目。
金屬粉末是預(yù)合金化的合金粉。
為了進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層的制備方法，其中1)采用的熱噴涂材料由金屬帶和金屬粉末加工形成金屬絲材；2)所述熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料，該金屬絲材的總成分按重量百分比表示為Cr13～20％，Mn0.2～5％，B0.2～5％，C0.05～1％，Si0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，其總含量為0～12％，其中Al＜2％；或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種，其總含量為0～15％，其中V＜4.5％；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％；其余是Fe；3)經(jīng)熱噴涂處理后直接形成的涂層為非晶納米晶復(fù)合涂層。
熱噴涂涂層的制備方法選自電弧噴涂、離子噴涂和高速火焰噴涂中的一種。
電弧噴涂的噴涂工藝參數(shù)為電弧電壓30～34V，工作電流190～230A，霧化氣體壓力0.6～0.8MPa，噴涂距離150～200mm。
噴涂之前對基體表面進(jìn)行預(yù)處理，采用的方法選自酸洗、噴砂或拉絲。
綜上所述，本發(fā)明得到的技術(shù)方案主要包括(1)對合金成分進(jìn)行改進(jìn)，提高合金的非晶形成能力；(2)金屬粉末(藥芯)是由所需元素的純金屬粉或合金粉的機(jī)械混合物，可減少冶煉工藝。下面對它們分別介紹合金成分的改進(jìn)本發(fā)明的熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料，其總成分按重量百分比表示為Cr13～20％，Mn0.2～5％，B0.2～5％，C0.05～1％，Si0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，其總含量為0～12％，其中Al＜2％；或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種，其總含量為0～15％，其中V＜4.5％；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％，最好＞1.0％；其余是Fe。
合金元素的作用在于合金中含有大量C、Si、B、P、S小尺寸半徑原子，提高了復(fù)雜多元鐵基合金體系的混亂度，有利于提高非晶形成能力；為了保證涂層的耐腐蝕性能并防止Cr的碳化物的析出，選擇13％＜Cr＜20％；加入原子百分比總和不超過6％，即重量百分比總和為0～12％的Al、Ga、Sn，可以進(jìn)一步提高合金非晶形成能力；
加入Mo、W、V的一種或幾種，可以和小尺寸半徑原子共同作用提高體系混亂度，提高非晶形成能力，還可以提高涂層的硬度，為防止碳化物的析出，其總含量為0～15％。
藥芯是按照所需成分配制的原料的機(jī)械混合物本發(fā)明的熱噴涂材料是由金屬帶包覆金屬粉末加工形成的金屬絲材；其中金屬帶包覆金屬粉末得到的總成分在上述成分范圍內(nèi)。
本發(fā)明的金屬粉末(藥芯)可以是由純物質(zhì)粉或合金粉組成的機(jī)械混合物；為了降低成本，制備該涂層材料的原料還可以為選自下列原料中的至少一種的低純度普通工業(yè)原材料硼鐵粉、鉬鐵粉、釩鐵粉、純鐵粉和鎢粉。
不言而喻，金屬粉末也可以是由將具有所需成分的上述混合物熔煉以后再制備成的粉末作為藥芯，制成的粉末可以是非晶粉末、普通的晶態(tài)粉末或者混合粉末。
本發(fā)明采用電弧噴涂、等離子噴涂和高速火焰噴涂中的一種來制備涂層。特別地，在電弧噴涂工藝中，制備方法是采用雙絲電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，將藥芯絲材熔化以后利用壓縮空氣霧化成液滴加速沉積在基體上，利用基體的快速冷卻作用直接形成非晶納米晶結(jié)構(gòu)涂層，制備工藝參數(shù)為電弧電壓30～34V，工作電流190～230A，霧化氣體壓力0.6～0.8MPa，噴涂距離150～200mm。
本發(fā)明的藥芯不是必需含有非晶相，制備涂層的過程是采用電弧噴涂或絲材火焰噴涂，使絲材熔化并霧化成熔滴后沉積在基體上，直接制備成非晶納米晶混合涂層，因此不需要經(jīng)過晶化處理。
本發(fā)明得到的涂層是納米晶相成懸浮粒分布在非晶相中，組成一種類似懸浮液的固態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然其涂層結(jié)構(gòu)可以是其他形式的非晶納米晶混合結(jié)構(gòu)，不過由于本發(fā)明使用的絲材總成分是非晶成分，結(jié)合了熱噴涂工藝單個粒子具有較高冷速這一特點(diǎn)，使得形成的結(jié)構(gòu)一般都具有這種特殊的結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用電弧噴涂技術(shù)制備非晶納米晶涂層，具有能源利用率高、便于現(xiàn)場操作的優(yōu)點(diǎn)；2.噴涂的材料為藥芯絲材，具有成分調(diào)節(jié)方便，制造工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)；3.噴涂所得的涂層為即有非晶又有納米晶結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，同時具有納米結(jié)構(gòu)涂層耐磨損和非晶涂層耐腐蝕的特點(diǎn)，具有優(yōu)異的耐腐蝕耐磨損綜合性能；4.從噴涂材料制備到涂層制備流程簡單、成本低廉，易于現(xiàn)場施工。
附圖簡要說明

圖1為電弧噴涂層的X射線衍射圖譜。
圖2為電弧噴涂的涂層TEM形貌。
圖3為電弧噴涂的涂層硬度分布曲線。
圖4為電弧噴涂的涂層陽極極化曲線。
具體實施例方式
選擇的成分重量百分比如表1所示，將上述成分制備成金屬絲材，其中藥皮為FeC16鋼帶，藥芯為BFe粉、MoFe粉、W粉、Cr粉、VFe粉、Al粉、Sn粉、Ga粉的均勻混合物，粉末粒度為60目-100目，得到的金屬絲材的總成分滿足上述表1所示成分。
采用藥芯絲材成形線和拉絲線將U型的金屬帶包覆金屬粉末形成所需直徑的金屬絲材。
為了提高基體和涂層的結(jié)合能力，并充分利用基體的快速冷卻作用，噴涂之前需要對基體進(jìn)行預(yù)處理去除基體表面的油污、氧化物，增大粗糙度，采用的方法包括通常的預(yù)處理方法如清洗、噴砂、拉絲等。
本實施例是采用電弧噴涂在Q235鋼板上制備涂層，噴涂前對鋼板進(jìn)行噴砂處理，噴涂工藝參數(shù)為電弧電壓34V，工作電流約200A，霧化氣體壓力0.7MPa，噴涂距離200mm。得到涂層的厚度為0.4mm-3mm。
圖1為涂層表面的XRD衍射圖譜，存在明顯的晶化峰，經(jīng)分析晶化產(chǎn)物主要為α-Fe(Cr)和CrFeB，晶化峰存在明顯的寬化現(xiàn)象。
圖2為涂層的TEM形貌，涂層是晶態(tài)和非晶態(tài)的的混合組織，納米晶的顆粒分布在非晶的基體上，晶粒尺寸小于100nm，這說明了XRD結(jié)果中晶化峰寬化的原因。
圖3是在加載100g、加載時間10s條件下測得的涂層顯微硬度分布曲線，可見涂層的硬度很高且分布比較均勻，其顯微硬度HV0.1在1000～1200范圍，比基體高出很多。
采用立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行涂層的無潤滑柱銷式摩擦磨損實驗，柱銷材料為45#鋼，頭部為半圓形，磨損時間為10分鐘。試驗發(fā)現(xiàn)柱銷頭部完全磨平，噴涂試驗在精度為0.1mg的數(shù)字天平上測量試驗前后沒有重量變化，說明涂層的耐磨性能很好。試驗中測得涂層和45#鋼柱銷之間的摩擦系數(shù)為0.18，說明涂層的具有低的摩擦系數(shù)。
圖4是涂層在3.5％NaCl溶液中的動電位陽極極化曲線，自腐蝕電位為-0.41V，存在明顯的鈍化區(qū)，鈍化電流密度為24mA/cm2，可見該涂層具有良好的耐腐蝕能力。
表1

權(quán)利要求
1.一種高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層材料，其特征在于1)所述熱噴涂材料是由金屬帶包覆金屬粉末加工形成的金屬絲材；2)所述熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料，所述金屬絲材的總成分按重量百分比表示為Cr 13～20％，Mn 0.2～5％，B 0.2～5％，C 0.05～1％，Si 0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，其總含量為0～12％，其中Al＜2％；或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種，其總含量為0～15％，其中V＜4.5％；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％；其余是Fe；3)熱噴涂后直接得到的涂層為非晶納米晶復(fù)合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴涂涂層材料，其特征在于所述的金屬絲材的總成分中還包含Mo、W中的至少一種，其總含量為0～15％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱噴涂涂層材料，其特征在于制備該涂層材料的原料為選自下列原料中的至少一種的低純度普通工業(yè)原材料工業(yè)硼鐵、工業(yè)鉬鐵、工業(yè)釩鐵工業(yè)純鐵和WC粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2的熱噴涂涂層材料，其特征在于所述的金屬粉末是由按照所需成分直接混合原料純物質(zhì)粉或合金粉組成的機(jī)械混合粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2的涂層，其特征在于所述的金屬粉末的粒度為60-100目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2的涂層，其特征在于所述的金屬粉末是預(yù)合金化的合金粉。
7.一種高耐蝕耐磨鐵基熱噴涂涂層的制備方法，其特征在于1)采用的熱噴涂材料由金屬帶和金屬粉末加工形成金屬絲材；2)所述熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料，該金屬絲材的總成分按重量百分比表示為Cr 13～20％，Mn 0.2～5％，B 0.2～5％，C 0.05～1％，Si 0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，其總含量為0～12％，其中Al＜2％；或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種，其總含量為0～15％，其中V＜4.5％；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％；其余是Fe；3)經(jīng)熱噴涂處理后直接形成的涂層為非晶納米晶復(fù)合涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述熱噴涂涂層的制備方法，其特征在于選自電弧噴涂、離子噴涂和高速火焰噴涂中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述熱噴涂涂層的制備方法，其特征在于所述電弧噴涂的噴涂工藝參數(shù)為電弧電壓30～34V，工作電流190～230A，霧化氣體壓力0.6～0.8MPa，噴涂距離150～200mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述熱噴涂涂層的制備方法，其特征在于噴涂之前對基體表面進(jìn)行預(yù)處理，采用的方法選自酸洗、噴砂或拉絲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高耐蝕耐磨鐵基合金涂層材料及其制備方法，其中1)所述熱噴涂材料是由金屬帶包覆金屬粉末加工形成的金屬絲材；2)所述熱噴涂材料為如下成分的較高非晶形成能力材料Cr 13～20％，Mn0.2～5％，B 0.2～5％，C 0.05～1％，Si 0.1～0.5％，S、P之和為0.02～0.5％；選自下列兩組合金元素中的至少一種(1)包含Al、Ga、Sn中的一種或幾種，或者(2)包含Mo、W、V中的至少一種；上述兩組合金元素的總含量＞0.5％；其余是Fe；3)熱噴涂后直接得到的涂層為非晶納米晶復(fù)合涂層。該涂層為既有非晶又有納米晶結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，同時具有納米結(jié)構(gòu)涂層耐磨損和非晶涂層耐腐蝕的特點(diǎn)；涂層制備流程簡單、成本低廉，易于現(xiàn)場施工。
文檔編號C22C45/02GK1948544SQ20061011451
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月13日
發(fā)明者盧志超, 倪曉俊, 郭金花, 吳嘉偉, 陸曹衛(wèi), 薄希輝, 李德仁, 孫克, 周少雄 申請人:安泰科技股份有限公司, 鋼鐵研究總院