本发明涉及一种高温炉辊表面的纳米热障涂层及制备方法。
背景技术：
在钢铁行业中，连续加热炉是钢材热处理的重要设备，炉底辊是辊底式连续加热炉的关键部件，该炉底辊为高温炉辊，其长期承受高温氧化、燃气及各种介质的侵蚀以及钢材重载、撞击、摩擦等，工作环境十分恶劣。目前高温炉辊一般使用高铬镍耐热不锈钢材质，采用离心铸造工艺制备，造价昂贵。但在恶劣环境中，炉辊寿命低，每年用于炉辊更换和维护的费用巨大，因此在如何降低炉辊制造成本、延长使用寿命等方面，普遍受到高度重视。造成高温炉辊损坏的原因主要有：高温氧化和高温燃气中的硫化物等侵蚀造成的剥落或坑蚀、表面结瘤、热处理钢材对辊面的磨损等。因此，提高炉辊使用寿命关键在于提高炉辊高温状态下的抗氧化、耐热、耐蚀、耐磨、耐结瘤性能。通过材质改进提高炉辊使用性能的潜力不大，而通过表面强化可以有效的提高炉辊性能，延长使用寿命，其中热喷涂技术是最常用、最有效的表面强化手段。现用热喷涂技术对高温炉辊进行表面强化主要有两种：一种是火焰喷涂高合金耐热涂层，另一种是等离子喷涂普通陶瓷保护层。两种方法在一定程度上都能提高高温炉辊性能，延长使用寿命，但都存在一些不足。火焰喷涂高合金耐热涂层，涂层与炉辊基材结合强度高，抗冲击性能好，但耐热、耐磨、耐蚀等高温综合性能有一定局限性；等离子喷涂陶瓷保护层，涂层耐热、耐磨、耐蚀性能好，但与炉辊基材结合强度较差，热膨胀系数较小，使用中易发生开裂、剥落等。申请公布号为CN102094164A的发明专利申请给出了《一种纳米氧化锆热障涂层及制备方法》，即采用超音速火焰喷涂与等离子喷涂相结合，在金属表面制备NiCrAlY粘结层和纳米ZrO2陶瓷工作层，涂层与金属基体结合强度更高，抗热震性能和隔热性能均优于普通ZrO2热障涂层。但由于制备的纳米热障涂层存在一定的孔隙和微裂纹，若不进行任何后处理，如封孔处理，在高温环境中易引起腐蚀、氧化等，导致涂层结瘤、剥落失效；且采用超音速火焰喷涂与等离子喷涂相结合的方法，要求在同一喷涂房内同时具备两种设备，工序繁琐，不利于工业化生产。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种高温炉辊表面的纳米热障涂层及制备方法，本热障涂层及制备方法有效增强了高温炉辊的抗氧化、耐磨、耐蚀、耐结瘤性能，延长高温炉辊的使用寿命，降低了高温炉辊更换及维护的成本。为解决上述技术问题，本发明高温炉辊表面的纳米热障涂层包括中间粘结层和纳米陶瓷工作层，所述中间粘结层是由成分为CoNiCrAlY的粉末制备的涂层，其中Ni30-35%、Cr20-25%、Al5-10%、Y0.4-0.7%、Co余量，粉末粒径为20-45μm，所述纳米陶瓷工作层是原始粒径为50-100nm的纳米ZrO2涂层，其中加入6-8%的Y2O3并经二次造粒，造粒后颗粒粒度大小为45-106μm，上述百分含量为重量百分比。上述高温炉辊表面的纳米热障涂层的制备方法包括如下步骤：步骤一、高温炉辊基体预处理，将高铬镍耐热不锈钢炉辊表面清洗干净，预热至90-110℃进行干燥，采用自动喷砂机进行喷砂处理，喷砂材料为46#白刚玉，喷枪角度90±5º，空气压力6kg/cm2，喷枪到炉辊表面距离450-550mm，炉辊表面喷砂后表面粗糙度Ra5-7μm；步骤二、中间粘结层的CoNiCrAlY粉末于120-150℃预热90-120min，采用等离子喷涂设备制备中间粘结层，喷涂工艺参数为送粉率25-35g/min、电流600-700A、主气压力45-50NLPM、辅气压力12-15NLPM、送粉气压力2-2.5NLPM、喷涂距离100-130mm、涂层厚度0.06-0.10mm；步骤三、将制备工作层的纳米ZrO2粉末于120-150℃预热90-120min，采用等离子喷涂设备制备纳米陶瓷工作层，喷涂工艺参数为送粉率40-50g/min、电流600-700A、主气压力35-45NLPM、辅气压力10-12NLPM、送粉气压力2.5-3NLPM、喷涂距离100-130mm、涂层厚度0.15-0.20mm；步骤四、采用封孔剂对纳米陶瓷工作层表面进行涂覆封孔,封孔剂可以采用铬酸盐水溶液，将喷涂有纳米陶瓷工作层的高温炉辊预热到85℃—95℃，采用刷涂方式进行涂覆处理，随后常温固化30min。由于本发明高温炉辊表面的纳米热障涂层及制备方法采用了上述技术方案，即涂层为CoNiCrAlY粘结层和其中加入6-8%Y2O3的纳米ZrO2纳米陶瓷工作层，粘结层的粉末粒径为20-45μm，纳米ZrO2的原始粒径为50-100nm，加入Y2O3后经二次造粒，粒度大小为45-106μm；其制备方法为首先清洗炉棍并预热干燥，采用自动喷砂机进行喷砂处理；然后采用等离子喷涂设备按一定工艺要求制备中间粘结层和纳米陶瓷工作层，最后采用封孔剂对纳米陶瓷工作层表面进行涂覆封孔。本热障涂层及制备方法有效增强了高温炉辊的抗氧化、耐磨、耐蚀、耐结瘤性能，延长高温炉辊的使用寿命，降低了高温炉辊更换及维护的成本。具体实施方式本发明高温炉辊表面的纳米热障涂层包括中间粘结层和纳米陶瓷工作层，所述中间粘结层是成分为CoNiCrAlY的粉末涂层，其中Ni32%、Cr21%、Al8%、Y0.5%、Co余量，粉末粒径为20-45μm，所述纳米陶瓷工作层是原始粒径为50-100nm的纳米ZrO2涂层，其中加入8%的Y2O3并经二次造粒，造粒后颗粒粒度大小为45-106μm，上述百分含量为重量百分比。上述高温炉辊表面的纳米热障涂层的制备方法包括如下步骤：步骤一、高温炉辊基体预处理，将高铬镍耐热不锈钢炉辊表面清洗干净，预热至100℃进行干燥，采用自动喷砂机进行喷砂处理，喷砂材料为46#白刚玉，喷枪角度90º，空气压力6kg/cm2，喷枪到炉辊表面距离500mm，炉辊表面喷砂后表面粗糙度Ra5-7μm；步骤二、中间粘结层的CoNiCrAlY粉末于120℃预热120min，采用等离子喷涂设备制备中间粘结层，喷涂工艺参数为送粉率25g/min、电流600A、主气压力50NLPM、辅气压力13NLPM、送粉气压力2NLPM、喷涂距离110mm、涂层厚度0.08mm；步骤三、将制备工作层的纳米ZrO2粉末于120℃预热120min，采用等离子喷涂设备制备纳米陶瓷工作层，喷涂工艺参数为送粉率45g/min、电流650A、主气压力45NLPM、辅气压力12NLPM、送粉气压力2.5NLPM、喷涂距离110mm、涂层厚度0.15mm；步骤四、由于高温炉辊工况与航空、舰船燃气轮机的工况截然不同，高温炉辊不仅长期承受高温氧化，而且还长期承受各种介质的腐蚀及钢材重载、撞击、摩擦等，工况更加恶劣；因此采用封孔剂对高温炉棍的纳米陶瓷工作层表面进行涂覆封孔。由于纳米陶瓷工作层中存在一定数量的孔隙和微裂纹，腐蚀介质会通过孔隙和微裂纹传递到中间粘结层与纳米陶瓷工作层界面，甚至到达炉棍基体表面，而引起腐蚀、氧化等，导致涂层剥落，因此对纳米陶瓷工作层进行封孔处理，提高纳米陶瓷工作层的抗氧化、抗热震等性能，进一步延长高温炉辊使用寿命。上述封孔剂可以采用铬酸盐水溶液，将喷涂有纳米陶瓷涂层的高温炉辊预热到90℃，采用刷涂方式进行涂覆处理，随后常温固化30min。本发明涉及的新型高温炉辊，采用等离子喷涂CoNiCrAlY中间粘结层和纳米陶瓷工作层进行炉棍表面强化，本制备方法中等离子喷涂可采用UnicoatF4等离子喷涂设备实施涂层喷涂作业，无需多种喷涂设备，简化了喷涂作业工序，提高了喷涂作业的效率；CoNiCrAlY中间粘结层提高涂层与炉棍基材的结合强度，缩小炉棍基材与纳米陶瓷工作层的膨胀系数差异；纳米陶瓷工作层采用纳米结构Y2O3粉末做喂料剂，缩短颗粒熔化时间，在有限的离子喷涂粉末飞行时间内，纳米颗粒熔化效果更好，制备的纳米涂层孔隙率更小，致密性提高，具有更好的抗腐蚀、抗磨损、抗结瘤性能，使得高温炉辊的使用寿命延长一倍以上，减少停炉概率，降低了高温炉辊更换及维护的成本。纳米陶瓷工作层中纳米ZrO2具有更好的稳定性，尤其是在大于1000℃的高温下，具有更明显的抗氧化性、抗热震性、抗结瘤性能，可以提高带钢表面质量。同时纳米ZrO2热导率比普通ZrO2低，具有更好的隔热性能，可以大大减少冷却水带走的热量，节约能源；炉辊辊芯可保持更低的温度，提高了辊芯强度，不易变形损坏。