專利名稱：一種用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材及涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工程中的熱噴涂領(lǐng)域，是一種利用電弧噴涂工藝制備含非晶相涂層的鐵基含磷粉芯絲材，該發(fā)明主要應(yīng)用于防腐蝕、耐磨損等各個工業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械零件大多數(shù)是用金屬材料制造的，在使用中由于相配合零件表面的相互作用會引起磨損；零件的金屬表面由于大氣的影響發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)的作用而導(dǎo)致腐蝕。有時兩種現(xiàn)象同時發(fā)生，稱為磨蝕。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械零件經(jīng)常處于異常復(fù)雜和苛刻的條件下工作，大量機(jī)械設(shè)備往往因磨損、腐蝕或磨蝕而破壞。非晶態(tài)合金由于與各種傳統(tǒng)材料相比具有更為優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)性能及精密成型性，在航空航天器件、精密機(jī)械、信息等高科技領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。但是，單相塊體非晶合金的斷裂表現(xiàn)為無宏觀塑性變形的脆性斷裂，極大的影響了非晶合金的工程應(yīng)用。 鑒于晶體材料中位錯受第二相的阻力而增殖的原理，在非晶合金中引入具有不同強(qiáng)度和彈性模量的第二相，阻礙單一剪切帶的滑移，促使多剪切帶的產(chǎn)生和滑移，是目前提高非晶合金塑性的一種有效的方法。非晶合金基復(fù)合材料的制備原理就是在非晶合金中引入第二相，改變非晶合金的結(jié)構(gòu)來控制剪切帶的產(chǎn)生和擴(kuò)展，以提高非晶基體的韌性、強(qiáng)度和硬度。目前，以力學(xué)性能為主的非晶合金基復(fù)合材料的制備方法一般有內(nèi)生復(fù)合和外加復(fù)合兩種。其中內(nèi)生復(fù)合法有非晶晶化法、急冷鑄造法和原位反應(yīng)法，外加復(fù)合法有壓鑄法和液態(tài)浸滲鑄造法，這些方法的一個顯著特點(diǎn)就是工藝繁復(fù)，設(shè)備復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)成本高。相對而言，采用熱噴涂方法制備非晶合金基納米復(fù)合材料是近年來材料科學(xué)中廣泛研究的一個新領(lǐng)域。等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂等熱噴涂工藝設(shè)備復(fù)雜，成本高，不適宜原位大面積現(xiàn)場施工，且噴涂原材料粉體制備復(fù)雜。而電弧噴涂具有設(shè)備簡單，操作方便，噴涂材料制備方便、經(jīng)濟(jì)， 可以實現(xiàn)原位大面積噴涂等優(yōu)點(diǎn)，作為最有希望的大面積非晶合金基復(fù)合涂層制備方法之一，已開始引起廣泛關(guān)注。本發(fā)明利用電弧噴涂快速冷卻的特點(diǎn)進(jìn)行非晶涂層的制備，賦予材料表面新的性能，以達(dá)到大幅度提高金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝置部件在嚴(yán)酷的腐蝕磨損環(huán)境中的使用性能、延長服役壽命的目的。為節(jié)約材料、降低使用成本、提高經(jīng)濟(jì)效益做出應(yīng)有的貝獻(xiàn)。經(jīng)檢索，目前未見用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材的專利報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是克服傳統(tǒng)非晶涂層脆性大，不適合工程應(yīng)用的缺點(diǎn)，提供一種用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材，用本發(fā)明的粉芯絲材制備的電弧噴涂含非晶相涂層，涂層硬度高、耐磨性能好，具有良好的力學(xué)性能，能提高金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝置部件在嚴(yán)酷的腐蝕磨損環(huán)境中的使用性能、延長服役壽命。本發(fā)明的一種用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材，其特征在于絲材外皮所用鋼帶材為304L不銹鋼帶；粉芯絲材填充率33%。粉芯絲材各元素原子百分比為:Cr :10-20at. % ；P :l-10at. % ；B :15_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。優(yōu)選所述粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13-20at. % ；P :2-10at. % ；B 16-25at. % ；C :3-4at. % ；Fe 余量。進(jìn)一步優(yōu)選所述粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13-15at. % ；P :2_6at. % ；B 16-22at. % ；C :3-4at. % ；Fe 余量。采用本發(fā)明上述的粉芯絲材制備一種含非晶相含磷鐵基涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 對基體表面進(jìn)行預(yù)處理基體表面經(jīng)粒度180目砂紙預(yù)磨后，利用粒度為 60目棕剛玉進(jìn)行噴砂處理，氣壓0. 5-0. 6MPa，時間20s。步驟2 將粉芯絲材軋制，最終獲得直徑為2. Omm的粉芯絲材，允許正負(fù)公差在 0. 03mm 以內(nèi)。步驟3采用電弧噴涂工藝制備涂層。噴涂工藝參數(shù)為電壓25-34V;電流 180-220A ；噴涂距離190-210mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 6MPa，制備涂層。步驟3所述噴涂工藝進(jìn)行優(yōu)化，將噴涂工藝參數(shù)設(shè)定為電壓30-32V ；電流 190-200A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。非晶合金基復(fù)合材料是高強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性與耐腐蝕性的結(jié)合體，但在實際應(yīng)用中，直至目前仍沒有大范圍推廣應(yīng)用，其主要因素是其制備過程難以控制，現(xiàn)有制備技術(shù)工藝繁復(fù)，設(shè)備復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)成本高，不適宜工程廣泛應(yīng)用。在眾多制備方法中，熱噴涂技術(shù)是一種極具競爭力的技術(shù)，同時也是非常有發(fā)展前景的技術(shù)。在熱噴涂技術(shù)中，主要采用等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)來制備非晶結(jié)構(gòu)涂層，相對于等離子噴涂和超音速火焰噴涂，電弧噴涂由于其經(jīng)濟(jì)性好，可以現(xiàn)場原位大面積施工，涂層性能良好的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于防腐、耐磨等各個工業(yè)領(lǐng)域中，采用電弧噴涂方法制備含非晶合金相涂層，工藝簡單，經(jīng)濟(jì)性好，利于非晶合金材料的工程推廣應(yīng)用。Fe.P元素在涂層發(fā)生電化學(xué)腐蝕過程中，P元素與腐蝕介質(zhì)中的H2O和0反應(yīng)生成H3PO4,而H3PO4與!^e元素發(fā)生反應(yīng)，將!^e氧化最終形成穩(wěn)定的α -FeOOH,對涂層起到保護(hù)作用。Cr元素涂層中的Cr可以形成具有良好耐蝕性的連續(xù)致密的Cr2O3氧化膜，對涂層起到保護(hù)作用。B元素降低晶界化學(xué)能，增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力、細(xì)化晶粒。雖然涂層中的各個元素都是常規(guī)的元素，但是涂層的耐磨耐蝕性是通過各個元素的協(xié)同作用決定的，并不是單一元素決定的，也不是僅僅通過有限次試驗就可以得到的。使用本發(fā)明在經(jīng)過噴砂粗化后的金屬基體上按照現(xiàn)有技術(shù)中的電弧噴涂時的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，制備得到的含非晶相涂層，涂層硬度高，耐磨性好，耐腐蝕性能優(yōu)良。用本發(fā)明研制的粉芯絲材制備的涂層含非晶相含量大于20%，其相對耐磨性可達(dá)基體Q235鋼的7. 7倍。相比于Q235基體具有較好的耐電化學(xué)腐蝕性能。通過含非晶相涂層的制備，賦予材料表面新的性能，以達(dá)到大幅度提高金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝置部件在嚴(yán)酷的腐蝕磨損環(huán)境中的使用性能、延長服役壽命的目的。為節(jié)約材料、 降低使用成本、提高經(jīng)濟(jì)效益做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。


圖1實施例9涂層XRD圖樣及非晶含量測定的擬合曲線；圖2實施例1-11涂層顯微硬度變化規(guī)律；圖3實施例1-11涂層相對耐磨性變化規(guī)律；圖4實施例9涂層橫截面的各元素能譜分析；(a)橫截面形貌，(b)Fe, (c)Cr, (d)P，(e)B, (f)C。
具體實施例方式下面通過實施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明決非僅局限于所陳述的實施例。各實施例中相同部分如下所述1.實施例中粉芯絲材外皮選用規(guī)格為12X0. 3mm(寬度為12mm，厚度為0. 3mm)的 304L不銹鋼帶，粉芯絲材的成分在實施例中具體說明。各種粉末放入混粉機(jī)內(nèi)混合10分鐘，然后將混合粉末加入U形的304L不銹鋼鋼帶槽中，填充率為33%。將U形槽合口，使藥粉包裹其中，再經(jīng)過拉絲模逐漸減徑使其直徑達(dá)到2. Omm ；2.基體選用Q235(尺寸為57X 25X 5mm)及采用45號鋼依照國標(biāo)GB9796-88中所規(guī)定的試件尺寸所制備的拉伸試樣棒經(jīng)粒度為180目砂紙預(yù)磨后，采用粒度為60目棕剛玉，氣體壓力0. 5-0. 6MPa，持續(xù)時間20s，對試件進(jìn)行噴砂粗化處理；3.噴涂工藝參數(shù)在實施例中具體說明，磨粒磨損、耐蝕性實驗用涂層每次噴涂厚度不超過50 μ m，分多次噴涂到 500 μ m ；結(jié)合強(qiáng)度試驗用涂層在同一實施例中，與磨粒磨損、耐蝕性實驗涂層制備工藝參數(shù)相同，每次噴涂厚度不超過50 μ m,分多次噴涂到250 μ m。實施例1按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :10at. 3at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 5MPa。實施例2按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :10at. 3at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例3按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13at. 3at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 5MPa。實施例4按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13at. 3at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)
% ；P :lat. % ；B :15at. % ；C 電壓 25-30V ；電流 180-200A ；
% ；P :lat. % ；B :15at. % ；C 電壓 30-34V ；電流 200-220A ；
% ；P :2at. % ；B :16at. % ；C 電壓 25-30V ；電流 180-200A ；
% ；P :2at. % ；B :16at. % ；C 電壓 30-34V ；電流 200-220A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例5按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :15at. % ；P :6at. % ；B :22at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓25-30V ；電流180-200A ； 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 5MPa。實施例6按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :15at. % ；P :6at. % ；B :22at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓30-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例7按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :20at. % ；P =IOat. % ；B :25at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓25-30V ；電流180-200A ； 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 5MPa。。實施例8按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :20at. % ；P =IOat. % ；B :25at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓30-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例9按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :14at. % ；P :2at. % ；B :22at. % ；C 3at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓30-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6Mpa，涂層XRD圖樣及非晶含量測定的擬合曲線見圖 1，涂層橫截面的各元素能譜分析見圖4。實施例10按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13at. % ；P :4at. % ；B :20at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓30-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例11按照粉芯絲材各元素原子百分比為Cr :13at. % ；P :6at. % ；B 16at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。軋制粉芯絲材。制備涂層所用工藝參數(shù)電壓30-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。各實施例所制備涂層性能檢測如下所述1.對實施例所制備涂層進(jìn)行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6. 0圖像分析軟件，利用圖像法分析涂層孔隙率，以評價涂層致密度。分別對每個實施例所制涂層的橫截面取五張金相照片進(jìn)行計算，并取其平均值，見表1。2.對實施例所制備涂層進(jìn)行X射線衍射實驗，采用D8ADVANCE型X射線衍射儀進(jìn)行。測試條件為Cu靶K α輻射，電壓40kV，電流50mA，衍射角O θ )，測量范圍為20 80°，掃描步長0.02°，溫度為四81(。3.對實施例所制備涂層進(jìn)行非晶含量的測定，通過Verdon[27]方法，對各實施例 XRD衍射實驗的結(jié)果行I^seudo-VoigtDSjg]函數(shù)擬合，計算得出涂層中的非晶含量。非晶含量見表1。4.對實施例所制備涂層進(jìn)行顯微硬度測試，采用HXD-1000TM數(shù)字式顯微硬度計， 載荷100g，加載時間15s，每個實施例涂層測量10個點(diǎn)的顯微硬度值取平均值，涂層顯微硬度變化規(guī)律見圖2。5.對實施例所制備涂層進(jìn)行耐磨損實驗，采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨粒磨損試驗機(jī)進(jìn)行。試驗參數(shù)如下橡膠輪直徑178mm、橡膠輪轉(zhuǎn)速240r/min、橡膠輪硬度 60 (紹爾硬度)、載荷100N、測量轉(zhuǎn)數(shù)預(yù)磨1000轉(zhuǎn)、精磨2000轉(zhuǎn)、磨料粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨損的失重量來衡量。在試驗開始前和結(jié)束后，將試樣放入成有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3-5分鐘，實驗中以Q235鋼作為對比試樣，對比試樣失重量與被測試樣失重量之比，作為涂層的相對耐磨性。即相對耐磨性，涂層相對耐磨性變化規(guī)律見圖3。表1實施例1-11孔隙率及顯微硬度
權(quán)利要求
1.一種用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材，其特征在于，絲材外皮所用鋼帶材為304L不銹鋼帶；粉芯絲材填充率33% ；粉芯絲材各元素原子百分比為Cr 10-20at. % ；P I-IOat. % ；B :15_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
2.按照權(quán)利要求1的粉芯絲材，其特征在于，粉芯絲材各元素原子百分比為Cr 13-20at. % ；P :2-10at. % ；B :16_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
3.按照權(quán)利要求2的粉芯絲材，其特征在于，粉芯絲材各元素原子百分比為Cr 13-15at. % ；P :2-6at. % ；B :16_22at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
4.利用權(quán)利要求1的粉芯絲材制備一種含非晶相含磷鐵基涂層的方法，其特征在于， 包括如下步驟步驟1，對基體表面進(jìn)行預(yù)處理基體表面經(jīng)粒度180目砂紙預(yù)磨后，利用粒度為60目棕剛玉進(jìn)行噴砂處理，氣壓0. 5-0. 6MPa，時間20s ；步驟2，將粉芯絲材軋制，最終獲得直徑為2. Omm的粉芯絲材，正負(fù)公差在0. 03mm以內(nèi)；步驟3，采用電弧噴涂工藝制備涂層，噴涂工藝參數(shù)為電壓25-34V ；電流180-220A ； 噴涂距離190-210mm ；壓縮空氣壓力0. 4-0. 6MPa，制備涂層。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，步驟3噴涂工藝參數(shù)為電壓30-32V；電流 190-200A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。
6.按照權(quán)利要求4的制備方法得到的一種含非晶相含磷鐵基涂層。
全文摘要
一種用于電弧噴涂制備含非晶相涂層的含磷鐵基粉芯絲材及涂層制備方法，屬于材料加工工程中的熱噴涂領(lǐng)域。絲材外皮所用鋼帶材為304L不銹鋼帶；粉芯絲材填充率33％；粉芯絲材各元素原子百分比為Cr10-20at.％；P1-10at.％；B15-25at.％；C3-4at.％；Fe余量。涂層制備方法用180目砂紙和60目棕剛玉進(jìn)行處理；獲得直徑為2.0mm的粉芯絲材，采用電弧噴涂工藝制備涂層，噴涂工藝參數(shù)電壓25-34V；電流180-220A；噴涂距離190-210mm；壓縮空氣壓力0.4-0.6Mpa。本發(fā)明所得非晶相涂層硬度高、耐磨性能好，具有良好的力學(xué)性能。
文檔編號C23C4/06GK102251204SQ20111021032
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者周正, 崔麗, 李冉, 李曉延, 王智慧, 蔣建敏, 賀定勇, 趙秋穎 申請人:北京工業(yè)大學(xué)