一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層，所述涂層是由以下重量百分比的元素組成：碳0.10-0.80%、硅0.10-0.70%、錳0.85-2.00%、鎳2.50-4.50%、硼1.00-2.50%、鉻12.00-20.00%、鈮0.05-0.35%、鈦0.15-1.00%、釩0.05-0.45%、氮0.02-0.30%、稀土鈰0.03-0.18%、鐵余量。本發(fā)明的涂層成形良好，涂層組織均勻，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率不大于3.0％；本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層顯微硬度平均值為568HV0.1，最高達(dá)593HV0.1；本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到48.2MPa；本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的耐磨性是4Cr13鋼的1.60倍。
【專利說明】一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬涂層材料【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料及其構(gòu)件由于磨損引起早期失效與報(bào)廢，造成了能源與材料的極大浪費(fèi)。據(jù)各國(guó)多年來對(duì)此進(jìn)行的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)表明，僅磨損造成的損失就占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的1%左右。各類磨損所引起的失效往往發(fā)生于材料及其構(gòu)件的表面，為了提高零件的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，許多國(guó)家都在努力研究和應(yīng)用各種提高零件表面性能的新技術(shù)和新工藝，開發(fā)了大批實(shí)用、先進(jìn)、高效的表面工程技術(shù)。應(yīng)用表面技術(shù)，修復(fù)或強(qiáng)化零件表面，制備出優(yōu)于本體材料性能的表面功能薄層，已成為了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]相對(duì)于其它熱噴涂方法，電弧噴涂由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、效率較高、成本較低的特點(diǎn)而開始得到應(yīng)用。近年來，用電弧噴涂進(jìn)行耐磨涂層的研究取得一些成果，但還存在許多不足，如大多涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高，由于保護(hù)不好而氧化物多，涂層結(jié)構(gòu)不致密，涂層不具備良好的綜合性能等。目前制備電弧噴涂耐磨涂層主要采用碳強(qiáng)化的合金絲材，不過這種絲材存在碳化物易長(zhǎng)大、脫落而致使結(jié)合強(qiáng)度不高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決目前的抗磨損涂層存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層及其制備方法。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.10-0.80%、硅 0.10-0.70%、錳 0.85-2.00%、鎳 2.50-4.50%、硼 1.00-2.50%、鉻12.00-20.00%、鈮 0.05-0.35%、鈦 0.15-1.00%、釩 0.05-0.45%、氮 0.02-0.30%、稀土鈰0.03-0.18%、鐵余量。
[0007]優(yōu)選:本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.25-0.60%、硅 0.15-0.50%、錳 1.00-1.50%、鎳 2.90-3.30%、硼 1.50-2.00%、鉻 15.00-18.00%、鈮 0.10-0.25%、鈦 0.45-0.70%、釩 0.10-0.30%、氮 0.05-0.20%、稀土鋪0.07-0.17%、鐵余量。
[0008]更優(yōu)選:本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.40%、硅 0.36%、錳 1.37%、鎳 3.13%、硼 1.80%、鉻 16.10%、鈮 0.16%、鈦 0.52%、釩0.20%、氮 0.10%、稀土鈰 0.16%、鐵余量。
[0009]制備本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的方法的具體步驟如下:
[0010](I)確定制備電弧噴涂藥芯絲材的材料
[0011] 選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優(yōu)質(zhì)碳鋼鋼帶作為電弧噴涂藥芯絲材的金屬外皮；[0012](2)制備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材
[0013]首先根據(jù)設(shè)計(jì)的碳氮合金化粉芯絲材配方配制合金粉末，然后在多功能藥芯絲材軋制機(jī)上制備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材；
[0014](3)制備過渡涂層
[0015]使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在噴涂試樣表面制備過渡涂層,其厚度約為0.1Omm,噴涂試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質(zhì)為Q235低碳鋼，噴涂前需對(duì)試件清除油污、鐵銹，用金剛砂對(duì)試件表面進(jìn)行噴砂粗化處理，噴涂時(shí)電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm ；
[0016](4)制備工作涂層
[0017]使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在所制備的過渡涂層表面制備工作涂層，工作涂層厚度約為0.60mm,噴涂時(shí)采用電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm。
[0018]步驟(1)中，H08A碳鋼帶是由以下重量百分比的元素組成:碳0.08%、錳0.47%、硅
0.035%、鎳 0.25%、鉻 0.10%、硫≤ 0.03%、磷≤ 0.03%、鐵余量。
[0019]步驟(2)中，碳氮合金化藥芯絲材是由以下重量百分比的原料組成:低碳鉻鐵≤30%、高碳鉻鐵≤28%、硅鐵< 4%、電解金屬錳≤5%、氮化鉻5%、釩鐵≤ 6%、鈦鐵2%、鈮鐵≥4%、還原鐵粉11%、氧化鈰≤5%。
[0020]步驟(3)和步驟(4)中，ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)中配有QDII1-250型高速電弧噴涂槍。
[0021]本發(fā)明通過在噴涂絲材中添加N元素來替代部分C，以及適量的強(qiáng)碳氮化合物形成元素V、Nb等，生成碳氮化合物硬質(zhì)相顆粒從而提高涂層耐磨性能。
[0022]本發(fā)明利用稀土 Ce誘導(dǎo)合金中碳氮化物硬質(zhì)相質(zhì)點(diǎn)的生長(zhǎng)，促進(jìn)合金氧化膜的形成，并凈化合金基體和細(xì)化合金基體晶粒，以達(dá)到提高合金耐磨損和抗高溫氧化性能
[0023]本發(fā)明的積極效果如下:
[0024]1、本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層成形良好，涂層組織均勻，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率不大于3.0% ；
[0025]2、本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層顯微硬度平均值為568HVa 1;最高達(dá) 593HVai ；
[0026]3、本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到48.2MPa ；
[0027]4、本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的耐磨性是4Crl3鋼的1.60倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例3制備的涂層的截面的掃描電鏡照片。
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例3制備的涂層的表面的掃描電鏡照片。
[0030]圖3是本發(fā)明實(shí)施例3制備的涂層的析出物的掃描電鏡照片。
[0031]圖4是本發(fā)明實(shí)施例3制備的涂層的能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。[0033]實(shí)施例1
[0034]1.1本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的重量百分比的元素組成
[0035]碳0.10%、硅 0.70%、錳 0.85%、鎳 4.50%、硼 1.00%、鉻 20.00%、鈮 0.05%、鈦 1.00%、釩0.05%、氮0.30%、稀土鋪0.03%、鐵余量。
[0036]1.2本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的制備方法
[0037]制備本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的方法的具體步驟如下:
[0038]( I)確定制備電弧噴涂藥芯絲材的材料
[0039]選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優(yōu)質(zhì)碳鋼鋼帶作為電弧噴涂藥芯絲材的金屬外皮；
[0040](2)制備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材
[0041]首先根據(jù)設(shè)計(jì)的碳氮合金化粉芯絲材配方配制合金粉末，然后在多功能藥芯絲材軋制機(jī)上制備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材；
[0042](3)制備過渡涂層
[0043]使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在噴涂試樣表面制備過渡涂層,其厚度約為0.1Omm,噴涂試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質(zhì)為Q235低碳鋼，噴涂前需對(duì)試件清除油污、鐵銹，用金剛砂對(duì)試件表面進(jìn)行噴砂粗化處理，噴涂時(shí)電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm ；
[0044](4)制備工作涂層
[0045]使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在所制備的過渡涂層表面制備工作涂層，工作涂層厚度約為0.60mm,噴涂時(shí)采用電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm。
[0046]步驟(1)中，H08A碳鋼帶是由以下重量百分比的元素組成:碳0.08%、錳0.47%、硅
0.035%、鎳 0.25%、鉻 0.10%、硫≤ 0.03%、磷≤ 0.03%、鐵余量。
[0047]步驟(2)中，碳氮合金化藥芯絲材是由以下重量百分比的原料組成:低碳鉻鐵(30%、高碳鉻鐵< 28%、硅鐵< 4%、電解金屬錳< 5%、氮化鉻5%、釩鐵< 6%、鈦鐵2%、鈮鐵≥4%、還原鐵粉11%、氧化鈰≤5%。
[0048]步驟(3)和步驟(4)中，ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)中配有QDII1-250型高速電弧噴涂槍。
[0049]實(shí)施例2
[0050]2.1本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的重量百分比的元素組成
[0051]碳0.80%、硅 0.10%、錳 2.00%、鎳 2.50%、硼 2.50%、鉻 12.00%、鈮 0.35%、鈦 0.15%、釩0.45%、氮0.02%、稀土鋪0.18%、鐵余量。
[0052]2.2本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的制備方法
[0053]制備方法同實(shí)施例1的1.2。
[0054]實(shí)施例3
[0055]3.1本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的重量百分比的元素組成
[0056]碳0.40%、硅 0.36%、錳 1.37%、鎳 3.13%、硼 1.80%、鉻 16.10%、鈮 0.16%、鈦 0.52%、釩0.20%、氮0.10%、稀土鈰0.16%、鐵余量。
[0057]3.2本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的制備方法[0058]制備方法同實(shí)施例1的1.2。
[0059]圖1為實(shí)施例3制備的碳氮合金化涂層截面的微觀形貌，其過渡層以及工作涂層結(jié)構(gòu)非常致密，利用圖像分析軟件測(cè)量涂層孔隙率為2.86%。圖2為碳氮合金化涂層的表面形貌。涂層的氧化物含量較少，表面成形良好。圖3為實(shí)施例3制備的碳氮合金化涂層的析出物的掃描電鏡形貌，圖4為實(shí)施例3制備的碳氮合金化涂層的能譜分析結(jié)果，表明大量細(xì)小的白色析出物(Nb的碳氮化合物硬質(zhì)相顆粒)彌散分布在金屬基體中，噴涂絲材中的合金元素V和Nb過渡到涂層后促進(jìn)了碳氮化物的形成，高硬度的碳氮化物硬質(zhì)相有利于提高合金的硬度及耐磨性能。
[0060]實(shí)施例4本發(fā)明的電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層的性能
[0061]對(duì)本發(fā)明實(shí)施例3制備的涂層和4Crl3涂層(一種具有較高綜合性能的耐高溫磨損合金涂層)分別選取8個(gè)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如表1所示:碳氮合金化涂層顯微硬度的平均值為568HVai，顯著高于4Crl3涂層的445HVai。
[0062]表1涂層的顯微硬度(HV0.J
[0063]
【權(quán)利要求】
1.一種電弧噴涂碳氮合金化耐高溫磨損涂層，其特征在于:所述涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.10-0.80%、硅 0.10-0.70%、錳 0.85-2.00%、鎳 2.50-4.50%、硼 1.00-2.50%、鉻 12.00-20.00%、鈮 0.05-0.35%、鈦 0.15-1.00%、釩 0.05-0.45%、氮`0.02-0.30%、稀土鈰 0.03-0.18%、鐵余量。
2.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.25-0.60%、硅 0.15-0.50%、錳 1.00-1.50%、鎳 2.90-3.30%、硼 1.50-2.00%、鉻 15.00-18.00%、鈮 0.10-0.25%、鈦 0.45-0.70%、釩 0.10-0.30%、氮 0.05-0.20%、稀土鋪`0.07-0.17%、鐵余量。
3.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.40%、硅 0.36%、錳 1.37%、鎳 3.13%、硼 1.80%、鉻 16.10%、鈮 0.16%、鈦 0.52%、釩 `0.20%、氮0.10%、稀土鈰0.16%、鐵余量。
4.一種制備如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的涂層的方法，其特征在于:所述方法的具體步驟如下: (1)確定制備電弧噴涂藥芯絲材的材料 選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優(yōu)質(zhì)碳鋼鋼帶作為電弧噴涂藥芯絲材的金屬外皮； (2)制備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材 首先根據(jù)設(shè)計(jì)的碳氮合金化粉芯絲材配方配制合金粉末，然后在多功能藥芯絲材軋制機(jī)上制備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材； (3)制備過渡涂層 使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在噴涂試樣表面制備過渡涂層，其厚度約為0.1Omm,噴涂試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質(zhì)為Q235低碳鋼，噴涂前需對(duì)試件清除油污、鐵銹，用金剛砂對(duì)試件表面進(jìn)行噴砂粗化處理，噴涂時(shí)電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm ； (4)制備工作涂層 使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴涂設(shè)備ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)在所制備的過渡涂層表面制備工作涂層，工作涂層厚度約為0.60mm,噴涂時(shí)采用電弧噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓3IV，噴涂電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴涂距離210mm。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:步驟(1)中，H08A碳鋼帶是由以下重量百分比的元素組成:碳0.08%、錳0.47%、硅0.035%、鎳0.25%、鉻0.10%、硫≤0.03%、磷≤0.03%、鐵余量。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，碳氮合金化藥芯絲材是由以下重量百分比的原料組成:低碳鉻鐵≤30%、高碳鉻鐵≤ 28%、硅鐵≤ 4%、電解金屬錳≤5%、氮化鉻5%、釩鐵< 6%、鈦鐵2%、鈮鐵≥ 4%、還原鐵粉11%、氧化鈰≤ 5%。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:步驟(3)和步驟(4)中，ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)中配有QDII1-250型高速電弧噴涂槍。
【文檔編號(hào)】C22C38/58GK103911560SQ201410149198
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】鄧宇, 余圣甫, 雷鴻源 申請(qǐng)人:廣東石油化工學(xué)院