专利名称：一种用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材及涂层制备方法
技术领域：
本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，是一种利用电弧喷涂工艺制备含非晶相涂层的铁基含磷粉芯丝材，该发明主要应用于防腐蚀、耐磨损等各个工业领域。
背景技术：
机械零件大多数是用金属材料制造的，在使用中由于相配合零件表面的相互作用会引起磨损；零件的金属表面由于大气的影响发生化学或电化学的作用而导致腐蚀。有时两种现象同时发生，称为磨蚀。随着现代工业和科学技术的发展，机械零件经常处于异常复杂和苛刻的条件下工作，大量机械设备往往因磨损、腐蚀或磨蚀而破坏。非晶态合金由于与各种传统材料相比具有更为优异的物理、化学、力学性能及精密成型性，在航空航天器件、精密机械、信息等高科技领域发挥重要的作用。但是，单相块体非晶合金的断裂表现为无宏观塑性变形的脆性断裂，极大的影响了非晶合金的工程应用。 鉴于晶体材料中位错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强度和弹性模量的第二相，阻碍单一剪切带的滑移，促使多剪切带的产生和滑移，是目前提高非晶合金塑性的一种有效的方法。非晶合金基复合材料的制备原理就是在非晶合金中引入第二相，改变非晶合金的结构来控制剪切带的产生和扩展，以提高非晶基体的韧性、强度和硬度。目前，以力学性能为主的非晶合金基复合材料的制备方法一般有内生复合和外加复合两种。其中内生复合法有非晶晶化法、急冷铸造法和原位反应法，外加复合法有压铸法和液态浸渗铸造法，这些方法的一个显著特点就是工艺繁复，设备复杂，经济成本高。相对而言，采用热喷涂方法制备非晶合金基纳米复合材料是近年来材料科学中广泛研究的一个新领域。等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等热喷涂工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。而电弧喷涂具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济， 可以实现原位大面积喷涂等优点，作为最有希望的大面积非晶合金基复合涂层制备方法之一，已开始引起广泛关注。本发明利用电弧喷涂快速冷却的特点进行非晶涂层的制备，赋予材料表面新的性能，以达到大幅度提高金属结构构件和装置部件在严酷的腐蚀磨损环境中的使用性能、延长服役寿命的目的。为节约材料、降低使用成本、提高经济效益做出应有的贝献。经检索，目前未见用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材的专利报道。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服传统非晶涂层脆性大，不适合工程应用的缺点，提供一种用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材，用本发明的粉芯丝材制备的电弧喷涂含非晶相涂层，涂层硬度高、耐磨性能好，具有良好的力学性能，能提高金属结构构件和装置部件在严酷的腐蚀磨损环境中的使用性能、延长服役寿命。本发明的一种用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材，其特征在于丝材外皮所用钢带材为304L不锈钢带；粉芯丝材填充率33%。粉芯丝材各元素原子百分比为:Cr :10-20at. % ；P :l-10at. % ；B :15_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。优选所述粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13-20at. % ；P :2-10at. % ；B 16-25at. % ；C :3-4at. % ；Fe 余量。进一步优选所述粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13-15at. % ；P :2_6at. % ；B 16-22at. % ；C :3-4at. % ；Fe 余量。采用本发明上述的粉芯丝材制备一种含非晶相含磷铁基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 对基体表面进行预处理基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为 60目棕刚玉进行喷砂处理，气压0. 5-0. 6MPa，时间20s。步骤2 将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2. Omm的粉芯丝材，允许正负公差在 0. 03mm 以内。步骤3采用电弧喷涂工艺制备涂层。喷涂工艺参数为电压25-34V;电流 180-220A ；喷涂距离190-210mm ；压缩空气压力0. 4-0. 6MPa，制备涂层。步骤3所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为电压30-32V ；电流 190-200A ；喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。非晶合金基复合材料是高强度、硬度、韧性、耐磨性与耐腐蚀性的结合体，但在实际应用中，直至目前仍没有大范围推广应用，其主要因素是其制备过程难以控制，现有制备技术工艺繁复，设备复杂，经济成本高，不适宜工程广泛应用。在众多制备方法中，热喷涂技术是一种极具竞争力的技术，同时也是非常有发展前景的技术。在热喷涂技术中，主要采用等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术来制备非晶结构涂层，相对于等离子喷涂和超音速火焰喷涂，电弧喷涂由于其经济性好，可以现场原位大面积施工，涂层性能良好的特点而广泛应用于防腐、耐磨等各个工业领域中，采用电弧喷涂方法制备含非晶合金相涂层，工艺简单，经济性好，利于非晶合金材料的工程推广应用。Fe.P元素在涂层发生电化学腐蚀过程中，P元素与腐蚀介质中的H2O和0反应生成H3PO4,而H3PO4与!^e元素发生反应，将!^e氧化最终形成稳定的α -FeOOH,对涂层起到保护作用。Cr元素涂层中的Cr可以形成具有良好耐蚀性的连续致密的Cr2O3氧化膜，对涂层起到保护作用。B元素降低晶界化学能，增强晶粒间结合力、细化晶粒。虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐磨耐蚀性是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。使用本发明在经过喷砂粗化后的金属基体上按照现有技术中的电弧喷涂时的工艺参数进行喷涂，制备得到的含非晶相涂层，涂层硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性能优良。用本发明研制的粉芯丝材制备的涂层含非晶相含量大于20%，其相对耐磨性可达基体Q235钢的7. 7倍。相比于Q235基体具有较好的耐电化学腐蚀性能。通过含非晶相涂层的制备，赋予材料表面新的性能，以达到大幅度提高金属结构构件和装置部件在严酷的腐蚀磨损环境中的使用性能、延长服役寿命的目的。为节约材料、 降低使用成本、提高经济效益做出应有的贡献。
图1实施例9涂层XRD图样及非晶含量测定的拟合曲线；图2实施例1-11涂层显微硬度变化规律；图3实施例1-11涂层相对耐磨性变化规律；图4实施例9涂层横截面的各元素能谱分析；(a)横截面形貌，(b)Fe, (c)Cr, (d)P，(e)B, (f)C。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。各实施例中相同部分如下所述1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12X0. 3mm(宽度为12mm，厚度为0. 3mm)的 304L不锈钢带，粉芯丝材的成分在实施例中具体说明。各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢钢带槽中，填充率为33%。将U形槽合口，使药粉包裹其中，再经过拉丝模逐渐减径使其直径达到2. Omm ；2.基体选用Q235(尺寸为57X 25X 5mm)及采用45号钢依照国标GB9796-88中所规定的试件尺寸所制备的拉伸试样棒经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目棕刚玉，气体压力0. 5-0. 6MPa，持续时间20s，对试件进行喷砂粗化处理；3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，磨粒磨损、耐蚀性实验用涂层每次喷涂厚度不超过50 μ m，分多次喷涂到 500 μ m ；结合强度试验用涂层在同一实施例中，与磨粒磨损、耐蚀性实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50 μ m,分多次喷涂到250 μ m。实施例1按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :10at. 3at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数喷涂距离190mm ；压缩空气压力0. 4-0. 5MPa。实施例2按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :10at. 3at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。实施例3按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13at. 3at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数喷涂距离190mm ；压缩空气压力0. 4-0. 5MPa。实施例4按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13at. 3at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数
% ；P :lat. % ；B :15at. % ；C 电压 25-30V ；电流 180-200A ；
% ；P :lat. % ；B :15at. % ；C 电压 30-34V ；电流 200-220A ；
% ；P :2at. % ；B :16at. % ；C 电压 25-30V ；电流 180-200A ；
% ；P :2at. % ；B :16at. % ；C 电压 30-34V ；电流 200-220A ；喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。实施例5按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :15at. % ；P :6at. % ；B :22at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压25-30V ；电流180-200A ； 喷涂距离190mm ；压缩空气压力0. 4-0. 5MPa。实施例6按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :15at. % ；P :6at. % ；B :22at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ； 喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。实施例7按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :20at. % ；P =IOat. % ；B :25at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压25-30V ；电流180-200A ； 喷涂距离190mm ；压缩空气压力0. 4-0. 5MPa。。实施例8按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :20at. % ；P =IOat. % ；B :25at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ； 喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。实施例9按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :14at. % ；P :2at. % ；B :22at. % ；C 3at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ； 喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6Mpa，涂层XRD图样及非晶含量测定的拟合曲线见图 1，涂层横截面的各元素能谱分析见图4。实施例10按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13at. % ；P :4at. % ；B :20at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ； 喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。实施例11按照粉芯丝材各元素原子百分比为Cr :13at. % ；P :6at. % ；B 16at. % ；C 4at. % ；Fe 余量。轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ； 喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。各实施例所制备涂层性能检测如下所述1.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6. 0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的横截面取五张金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。2.对实施例所制备涂层进行X射线衍射实验，采用D8ADVANCE型X射线衍射仪进行。测试条件为Cu靶K α辐射，电压40kV，电流50mA，衍射角O θ )，测量范围为20 80°，扫描步长0.02°，温度为四81(。3.对实施例所制备涂层进行非晶含量的测定，通过Verdon[27]方法，对各实施例 XRD衍射实验的结果行I^seudo-VoigtDSjg]函数拟合，计算得出涂层中的非晶含量。非晶含量见表1。4.对实施例所制备涂层进行显微硬度测试，采用HXD-1000TM数字式显微硬度计， 载荷100g，加载时间15s，每个实施例涂层测量10个点的显微硬度值取平均值，涂层显微硬度变化规律见图2。5.对实施例所制备涂层进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。试验参数如下橡胶轮直径178mm、橡胶轮转速240r/min、橡胶轮硬度 60 (绍尔硬度)、载荷100N、测量转数预磨1000转、精磨2000转、磨料粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在试验开始前和结束后，将试样放入成有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟，实验中以Q235钢作为对比试样，对比试样失重量与被测试样失重量之比，作为涂层的相对耐磨性。即相对耐磨性，涂层相对耐磨性变化规律见图3。表1实施例1-11孔隙率及显微硬度
权利要求
1.一种用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材，其特征在于，丝材外皮所用钢带材为304L不锈钢带；粉芯丝材填充率33% ；粉芯丝材各元素原子百分比为Cr 10-20at. % ；P I-IOat. % ；B :15_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
2.按照权利要求1的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材各元素原子百分比为Cr 13-20at. % ；P :2-10at. % ；B :16_25at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
3.按照权利要求2的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材各元素原子百分比为Cr 13-15at. % ；P :2-6at. % ；B :16_22at. % ；C :3_4at. % ；Fe 余量。
4.利用权利要求1的粉芯丝材制备一种含非晶相含磷铁基涂层的方法，其特征在于， 包括如下步骤步骤1，对基体表面进行预处理基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉进行喷砂处理，气压0. 5-0. 6MPa，时间20s ；步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2. Omm的粉芯丝材，正负公差在0. 03mm以内；步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为电压25-34V ；电流180-220A ； 喷涂距离190-210mm ；压缩空气压力0. 4-0. 6MPa，制备涂层。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤3喷涂工艺参数为电压30-32V；电流 190-200A ；喷涂距离200mm ；压缩空气压力0. 5-0. 6MPa。
6.按照权利要求4的制备方法得到的一种含非晶相含磷铁基涂层。
全文摘要
一种用于电弧喷涂制备含非晶相涂层的含磷铁基粉芯丝材及涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。丝材外皮所用钢带材为304L不锈钢带；粉芯丝材填充率33％；粉芯丝材各元素原子百分比为Cr10-20at.％；P1-10at.％；B15-25at.％；C3-4at.％；Fe余量。涂层制备方法用180目砂纸和60目棕刚玉进行处理；获得直径为2.0mm的粉芯丝材，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数电压25-34V；电流180-220A；喷涂距离190-210mm；压缩空气压力0.4-0.6Mpa。本发明所得非晶相涂层硬度高、耐磨性能好，具有良好的力学性能。
文档编号C23C4/06GK102251204SQ20111021032
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者周正, 崔丽, 李冉, 李晓延, 王智慧, 蒋建敏, 贺定勇, 赵秋颖 申请人:北京工业大学