一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層及其製備方法
2023-06-05 09:01:16
一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層，所述塗層是由以下重量百分比的元素組成：碳0.10-0.80%、矽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%、鐵餘量。本發明的塗層成形良好，塗層組織均勻，結構緻密，孔隙率不大於3.0％；本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層顯微硬度平均值為568HV0.1，最高達593HV0.1；本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層結合強度達到48.2MPa；本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的耐磨性是4Cr13鋼的1.60倍。
【專利說明】一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬塗層材料【技術領域】，尤其涉及一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層及其製備方法。
【背景技術】
[0002]材料及其構件由於磨損引起早期失效與報廢，造成了能源與材料的極大浪費。據各國多年來對此進行的調查和統計表明，僅磨損造成的損失就佔國民經濟總產值的1%左右。各類磨損所引起的失效往往發生於材料及其構件的表面，為了提高零件的可靠性，延長使用壽命，許多國家都在努力研究和應用各種提高零件表面性能的新技術和新工藝，開發了大批實用、先進、高效的表面工程技術。應用表面技術，修復或強化零件表面，製備出優於本體材料性能的表面功能薄層，已成為了現代工業發展的關鍵技術之一。
[0003]相對於其它熱噴塗方法，電弧噴塗由於具有設備簡單、操作方便、效率較高、成本較低的特點而開始得到應用。近年來，用電弧噴塗進行耐磨塗層的研究取得一些成果，但還存在許多不足，如大多塗層與基體的結合強度不高，由於保護不好而氧化物多，塗層結構不緻密，塗層不具備良好的綜合性能等。目前製備電弧噴塗耐磨塗層主要採用碳強化的合金絲材，不過這種絲材存在碳化物易長大、脫落而致使結合強度不高的問題。
【發明內容】
[0004]為了解決目前的抗磨損塗層存在的缺點，本發明提供了一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層及其製備方法。
[0005]本發明採用如下技術方案:
[0006]本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.10-0.80%、矽 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%、鐵餘量。
[0007]優選:本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.25-0.60%、矽 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%、鐵餘量。
[0008]更優選:本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.40%、矽 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%、鐵餘量。
[0009]製備本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的方法的具體步驟如下:
[0010](I)確定製備電弧噴塗藥芯絲材的材料
[0011] 選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優質碳鋼鋼帶作為電弧噴塗藥芯絲材的金屬外皮；[0012](2)製備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材
[0013]首先根據設計的碳氮合金化粉芯絲材配方配製合金粉末，然後在多功能藥芯絲材軋制機上製備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材；
[0014](3)製備過渡塗層
[0015]使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在噴塗試樣表面製備過渡塗層,其厚度約為0.1Omm,噴塗試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質為Q235低碳鋼，噴塗前需對試件清除油汙、鐵鏽，用金剛砂對試件表面進行噴砂粗化處理，噴塗時電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離210mm ；
[0016](4)製備工作塗層
[0017]使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在所製備的過渡塗層表面製備工作塗層，工作塗層厚度約為0.60mm,噴塗時採用電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離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%、矽
0.035%、鎳 0.25%、鉻 0.10%、硫≤ 0.03%、磷≤ 0.03%、鐵餘量。
[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%、矽鐵< 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型電弧噴塗機中配有QDII1-250型高速電弧噴塗槍。
[0021]本發明通過在噴塗絲材中添加N元素來替代部分C，以及適量的強碳氮化合物形成元素V、Nb等，生成碳氮化合物硬質相顆粒從而提高塗層耐磨性能。
[0022]本發明利用稀土 Ce誘導合金中碳氮化物硬質相質點的生長，促進合金氧化膜的形成，並淨化合金基體和細化合金基體晶粒，以達到提高合金耐磨損和抗高溫氧化性能
[0023]本發明的積極效果如下:
[0024]1、本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層成形良好，塗層組織均勻，結構緻密，孔隙率不大於3.0% ；
[0025]2、本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層顯微硬度平均值為568HVa 1;最高達 593HVai ；
[0026]3、本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層結合強度達到48.2MPa ；
[0027]4、本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的耐磨性是4Crl3鋼的1.60倍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明實施例3製備的塗層的截面的掃描電鏡照片。
[0029]圖2是本發明實施例3製備的塗層的表面的掃描電鏡照片。
[0030]圖3是本發明實施例3製備的塗層的析出物的掃描電鏡照片。
[0031]圖4是本發明實施例3製備的塗層的能譜圖。
【具體實施方式】
[0032]下面的實施例是對本發明的進一步詳細描述。[0033]實施例1
[0034]1.1本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的重量百分比的元素組成
[0035]碳0.10%、矽 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%、鐵餘量。
[0036]1.2本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的製備方法
[0037]製備本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的方法的具體步驟如下:
[0038]( I)確定製備電弧噴塗藥芯絲材的材料
[0039]選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優質碳鋼鋼帶作為電弧噴塗藥芯絲材的金屬外皮；
[0040](2)製備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材
[0041]首先根據設計的碳氮合金化粉芯絲材配方配製合金粉末，然後在多功能藥芯絲材軋制機上製備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材；
[0042](3)製備過渡塗層
[0043]使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在噴塗試樣表面製備過渡塗層,其厚度約為0.1Omm,噴塗試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質為Q235低碳鋼，噴塗前需對試件清除油汙、鐵鏽，用金剛砂對試件表面進行噴砂粗化處理，噴塗時電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離210mm ；
[0044](4)製備工作塗層
[0045]使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在所製備的過渡塗層表面製備工作塗層，工作塗層厚度約為0.60mm,噴塗時採用電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離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%、矽
0.035%、鎳 0.25%、鉻 0.10%、硫≤ 0.03%、磷≤ 0.03%、鐵餘量。
[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%、矽鐵< 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型電弧噴塗機中配有QDII1-250型高速電弧噴塗槍。
[0049]實施例2
[0050]2.1本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的重量百分比的元素組成
[0051]碳0.80%、矽 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%、鐵餘量。
[0052]2.2本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的製備方法
[0053]製備方法同實施例1的1.2。
[0054]實施例3
[0055]3.1本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的重量百分比的元素組成
[0056]碳0.40%、矽 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%、鐵餘量。
[0057]3.2本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的製備方法[0058]製備方法同實施例1的1.2。
[0059]圖1為實施例3製備的碳氮合金化塗層截面的微觀形貌，其過渡層以及工作塗層結構非常緻密，利用圖像分析軟體測量塗層孔隙率為2.86%。圖2為碳氮合金化塗層的表面形貌。塗層的氧化物含量較少，表面成形良好。圖3為實施例3製備的碳氮合金化塗層的析出物的掃描電鏡形貌，圖4為實施例3製備的碳氮合金化塗層的能譜分析結果，表明大量細小的白色析出物(Nb的碳氮化合物硬質相顆粒)彌散分布在金屬基體中，噴塗絲材中的合金元素V和Nb過渡到塗層後促進了碳氮化物的形成，高硬度的碳氮化物硬質相有利於提高合金的硬度及耐磨性能。
[0060]實施例4本發明的電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層的性能
[0061]對本發明實施例3製備的塗層和4Crl3塗層(一種具有較高綜合性能的耐高溫磨損合金塗層)分別選取8個試樣進行顯微硬度測試，結果如表1所示:碳氮合金化塗層顯微硬度的平均值為568HVai，顯著高於4Crl3塗層的445HVai。
[0062]表1塗層的顯微硬度(HV0.J
[0063]
【權利要求】
1.一種電弧噴塗碳氮合金化耐高溫磨損塗層，其特徵在於:所述塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.10-0.80%、矽 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%、鐵餘量。
2.如權利要求1所述的塗層，其特徵在於:所述塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.25-0.60%、矽 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%、鐵餘量。
3.如權利要求1所述的塗層，其特徵在於:所述塗層是由以下重量百分比的元素組成:碳 0.40%、矽 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%、鐵餘量。
4.一種製備如權利要求1-3任一項所述的塗層的方法，其特徵在於:所述方法的具體步驟如下: (1)確定製備電弧噴塗藥芯絲材的材料 選用尺寸15mmX0.5mm的H08A優質碳鋼鋼帶作為電弧噴塗藥芯絲材的金屬外皮； (2)製備碳氮合金化耐磨合金藥芯絲材 首先根據設計的碳氮合金化粉芯絲材配方配製合金粉末，然後在多功能藥芯絲材軋制機上製備直徑為Φ3.0mm的碳氮合金化藥芯絲材； (3)製備過渡塗層 使用Ni95A15合金絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在噴塗試樣表面製備過渡塗層，其厚度約為0.1Omm,噴塗試樣尺寸為80mmX40mmX5mm,材質為Q235低碳鋼，噴塗前需對試件清除油汙、鐵鏽，用金剛砂對試件表面進行噴砂粗化處理，噴塗時電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離210mm ； (4)製備工作塗層 使用碳氮合金化藥芯絲材，通過高速電弧噴塗設備ZPG-400B型電弧噴塗機在所製備的過渡塗層表面製備工作塗層，工作塗層厚度約為0.60mm,噴塗時採用電弧噴塗工藝參數:噴塗電壓3IV，噴塗電流250A，霧化空氣壓力0.5MPa，噴塗距離210mm。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於: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%、矽0.035%、鎳0.25%、鉻0.10%、硫≤0.03%、磷≤0.03%、鐵餘量。
6.如權利要求4所述的方法，其特徵在於: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%、矽鐵≤ 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.如權利要求4所述的方法，其特徵在於:步驟(3)和步驟(4)中，ZPG-400B型電弧噴塗機中配有QDII1-250型高速電弧噴塗槍。
【文檔編號】C22C38/58GK103911560SQ201410149198
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2014年4月14日
【發明者】鄧宇, 餘聖甫, 雷鴻源 申請人:廣東石油化工學院