一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材及其制备方法与流程

本发明涉及金属表面腐蚀与防护技术领域，尤其涉及一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材及其制备方法。

背景技术：

钢铁材料的腐蚀是金属设备和构件失效的主要形式之一，带来了巨大的经济损失，造成了一些灾难性的事故，消耗了宝贵的资源。电弧喷涂技术在桥梁、铁塔、地下管网、低温化工反应设备方面的钢结构件中应用较成功。目前电弧喷涂所用丝材有金属型实心丝材和填充粉体的粉芯丝材，其中电弧喷涂陶瓷涂层多采用粉芯丝材，根据不同需要，只要调配不同的粉芯或带材就可以获得不同性能的喷涂层，有较好的综合性能，在电弧喷涂领域具有广泛的应用前景。近几年随着高速电弧喷涂枪的出现，进一步改善了涂层的组织和性能，使电弧喷涂技术得到更广泛的应用，具有广阔的工程应用前景。

一篇中国专利ZL02124102.3，公开了一种陶含部分瓷粉末电弧喷涂丝材及其应用，该丝材含有TiB₂/Al₂O₃陶瓷粉末，还含有Al、Cr和稀土元素中的任意一种，可用于火力发电厂和热电厂锅炉的腐蚀防护与耐磨表面喷涂。一篇中国专利，申请号为：201510009704.X，名称为：一种电弧喷涂丝材及其制备方法，利用该丝材喷涂，可满足海上舰船平台、跑道，火箭发射平台的耐高温、耐腐蚀且防滑要求。一篇中国专利，申请号为：201510725586.2，名称为：一种电弧喷涂丝材及其制备、喷涂方法，该丝材具有防热、防腐、防滑功能。上述的丝材对特殊工况下要求高温(>180℃)环境下耐酸腐蚀和耐磨涂层的研究和应用依然是一个难题。比如钛白粉酸解双轴器搅拌反应器的搅拌叶片和轴承其基材为45#钢，在180-220℃高温和83-86％浓硫酸中进行生产，其使用寿命仅为3-5个月。还有管道化工反应器，在该钢制管道内用耐火浇注料、陶瓷贴片、硬质塑料贴片做内衬，来提高管道使用寿命，但耐磨浇注料耐磨性差，陶瓷贴片、硬质塑料片整体性不好，反应物在强烈对流的环境中易脱落，严重影响企业生产效率，综合使用寿命较低，因此，为解决在化工生产过程中反应器长期受高速含粉气流的强力冲刷，以及粉尘中的酸碱氧化物的腐蚀磨损问题，提高反应器的寿命，需要在耐腐蚀表面喷涂附力强，致密度高，强度高的耐腐蚀耐磨涂层。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材及其制备方法，本发明高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材可以在钢基体上形成连续、致密的电弧喷涂涂层，有很好的耐高温、耐冲刷、耐磨和耐蚀性能，涂层结合强度>40MPa，涂层硬度>HV400，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为25-45％，所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉25％-40％、TiC粉8％-15％、TiB₂粉6％-12％、Cr₃C₂粉5％-10％、Ni粉10％-25％、Cr粉8％-15％、Co粉4％-10％、余量为Fe粉。

优选的，所述粉芯占总丝材质量百分比为30-45％，所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉30％-35％、TiC粉8％-12％、TiB₂粉8％-10％、Cr₃C₂粉6％-9％、Ni粉15％-22％、Cr粉6％-12％、Co粉5％-8％、余量为Fe粉

优选的，所述WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径小于50μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径小于30μm。

优选的，所述奥氏体不锈钢窄带采用304不锈钢、304L不锈钢、316不锈钢或316L不锈钢制成。

优选的，所述奥氏体不锈钢窄带的厚度为0.2mm-0.5mm，宽为15mm-22mm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉、TiC粉、TiB₂粉、Cr₃C₂粉、Ni粉、Cr粉、Co粉和Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合20分钟-30分钟，然后将混合后的粉体原料在150℃-250℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成指定宽度，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在100℃-200℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为1.8mm-2.2mm的丝材；本发明中通过所述焊丝拉拔设备按照2.5mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.8mm的逐级拉拔或扎丝方法减径。

优选的，所述丝材截面呈O型或T型特征。

本发明由于采用了上述技术方案，本发明具有如下显著效果：

(1)、本发明的粉芯丝材采用是超音速电弧喷涂工艺在被喷涂表面形成连续致密的防护涂层，粉芯丝材表面形成粘附力强，致密度高，强度高的耐腐蚀耐磨涂层，该涂层具有结合强度>40MPa，涂层硬度>HV400的优点。本发明电弧喷涂丝材可用于对有高温作业要求酸解设备的钢结构件的表面保护，也可用于其他类似应用场合。

(2)、在本发明中，由于原料配比的特殊性，特别适用于酸碱反应器叶片的耐磨耐腐蚀防护，由于本发明形成的涂层具有耐高温酸碱腐蚀的特性，也适用于其他类似的工况条件和环境，因此，可以很好地解决化工生产过程中反应器长期受高速含粉气流的强力冲刷以及粉尘中的酸碱氧化物的腐蚀磨损问题，提高反应器的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1的电弧喷涂涂层SEM形貌图，附图中硬质陶瓷相因在高温下不发生熔化，呈圆形颗粒状分布；金属粉芯材料与不锈钢熔化后在高速气流喷射下呈水泊状分布；

图2是本发明实施例1的电弧喷涂截面金相图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

实施例1：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为45％，所述奥氏体不锈钢窄带采用304不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉25％、TiC粉15％、TiB₂粉12％、Cr₃C₂粉10％、Ni粉10％、Cr粉12％、Co粉10％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为40μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径为20μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉25％、TiC粉15％、TiB₂粉12％、Cr₃C₂粉10％、Ni粉10％、Cr粉12％、Co粉10％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合20分钟，然后将混合后的粉体原料在250℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.4mm，宽为22mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在100℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为2.2mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈T型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于45#钢基体上，形成的涂层结合强度>46MPa，涂层硬度>HV435，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例2：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为42％，所述奥氏体不锈钢窄带不锈钢窄带采用304L不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉30％、TiC粉12％、TiB₂粉8％、Cr₃C₂粉9％、Ni粉15％、Cr粉12％、Co粉8％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为50μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径为30μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉30％、TiC粉12％、TiB₂粉8％、Cr₃C₂粉9％、Ni粉15％、Cr粉12％、Co粉8％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合25分钟，然后将混合后的粉体原料在220℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.5mm，宽为20mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在200℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为2.2mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈T型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于Q235钢基体上，形成的涂层结合强度>45MPa，涂层硬度>HV430，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例3：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为38％，所述奥氏体不锈钢窄带采用316L不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉30％、TiC粉10％、TiB₂粉6％、Cr₃C₂粉9％、Ni粉15％、Cr粉15％、Co粉8％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为30μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径为18μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉30％、TiC粉10％、TiB₂粉6％、Cr₃C₂粉9％、Ni粉15％、Cr粉15％、Co粉8％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合30分钟，然后将混合后的粉体原料在200℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.3mm，宽为20mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在140℃进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为2.1mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈O型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于Q345钢基体上，形成的涂层结合强度>42MPa，涂层硬度>HV420，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例4：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为35％，所述奥氏体不锈钢窄带采用316不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉35％、TiC粉9％、TiB₂粉9％、Cr₃C₂粉8％、Ni粉20％、Cr粉6％、Co粉6％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为35μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径小于23μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉35％、TiC粉9％、TiB₂粉9％、Cr₃C₂粉8％、Ni粉20％、Cr粉6％、Co粉6％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合30分钟，然后将混合后的粉体原料在180℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.3mm，宽为18mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在155℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为2mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈T型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于45#钢基体上，形成的涂层结合强度>42MPa，涂层硬度>HV410，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例5：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为30％，所述奥氏体不锈钢窄带采用316L不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉37％、TiC粉8％、TiB₂粉10％、Cr₃C₂粉6％、Ni粉22％、Cr粉9％、Co粉5％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为40μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径为25μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉37％、TiC粉8％、TiB₂粉10％、Cr₃C₂粉6％、Ni粉22％、Cr粉9％、Co粉5％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合24分钟，然后将混合后的粉体原料在200℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.25mm，宽为18mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在170℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为1.8mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈O型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于Q235钢基体上，形成的涂层结合强度>40MPa，涂层硬度>HV415，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例6：

根据本发明的一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为奥氏体不锈钢窄带，所述粉芯占总丝材质量百分比为25％，所述奥氏体不锈钢窄带采用316L不锈钢；

所述粉芯由以下质量百分比的粉体原料混合而成：WC粉40％、TiC粉8％、TiB₂粉6％、Cr₃C₂粉5％、Ni粉25％、Cr粉6％、Co粉4％、余量为Fe粉，本发明中所采用的WC粉、TiC粉、TiB₂粉和Cr₃C₂粉的粉体粒径为45μm，所述Ni粉、Cr粉、Co粉、Fe粉的粉体粒径为15μm。

根据本发明的另一个方面，该实施例提供了一种高结合强度电弧喷涂用粉芯丝材制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照质量百分比称取粉体：WC粉40％、TiC粉8％、TiB₂粉6％、Cr₃C₂粉5％、Ni粉25％、Cr粉6％、Co粉4％、余量为Fe粉，将称取的粉体原料加入混粉机中，混合20分钟，然后将混合后的粉体原料在150℃条件下充分烘干，得到烘干粉体原料；

步骤2：调和烘干：将不锈钢带裁制成厚度为0.2mm，宽为15mm，沿两侧方向弯曲折成U形槽，然后在185℃条件下进行调和烘干；

步骤3：填充和拉丝：向U型槽中添入烘干粉体原料，将U形槽合口，使粉芯原料包裹在槽内形成粗丝材，再通过焊丝拉拔设备逐级拉拔或扎丝方法减径成直径为1.8mm的丝材；

按照上述规范制成的粉芯丝材截面呈O型特征，经电弧喷涂，特别是超音速电弧喷涂于Q345钢基体上，形成的涂层结合强度>43MPa，涂层硬度>HV410，涂层耐磨性好，耐冲刷性好。

实施例7：

(1)、扫描电镜分析：将本发明实施例1所得的粉芯丝材进行扫描镜电分析，图1为本发明的电弧喷涂涂层SEM形貌，从图1中可看出，硬质陶瓷相因在高温下不发生熔化，呈圆形颗粒状分布；金属粉芯材料与不锈钢熔化后在高速气流喷射下呈水泊状分布，陶瓷相耐磨性较好，而金属相韧性较好，从图1中显示陶瓷相能很好地与金属相熔合。图2为本发明的电弧喷涂涂层的截面金相，从图2中可以看出涂层与基体机械咬合紧密，结合较好。同时还可将实施例2～6所得到的粉芯丝材进行扫描电镜分析，可得到相似的电弧喷涂涂层SEM形貌，本发明的粉芯丝材在钢基体上可以形成连续、致密的电弧喷涂涂层，有很好的耐高温、耐冲刷、耐磨和耐蚀性能，结合强度高。

(2)、性能测试：性能测试包括硬度、结合强度、磨损失重率和自腐蚀电流密度测试，将实施例1至实施例6所制备得到的丝材在HWDM-3硬度测试仪上进行维氏硬度测量，载荷为9806mN，加载时间为15s；其中，涂层与基体间的结合强度测定依据ASTM C633拉伸试验标准，在深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM5105电子万能试验机上进行结合强度测量；在Gamry750电化学工作站进行极化曲线测定，用Echem Analyst软件对极化曲线测试结果进行数值拟合，得出自腐蚀电流密度；采用销盘式磨粒磨损试验方法，在ML-100型磨粒磨损试验机，进行磨损失重测试，试样进给量4mm/r，转盘转速120r/min，磨粒采用600目SiC砂纸，性能测试数据如表1所示。

表1：性能测试数据

从本上述实验中可知，按照本发明的规范制成的粉芯丝材形成的涂层结合强度>40MPa，涂层硬度>HV400，涂层耐磨性好，耐冲刷性好，而且在钢基体上形成连续、致密的电弧喷涂涂层，有很好的耐高温、耐冲刷、耐磨和耐蚀性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。