一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法与流程

本发明属于金属粉末制备技术领域，具体涉及一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法。

背景技术：

随着人们物质文化水平的提高，汽车在人们的出行中起到日益重要的作用，但同时也带来了能源消耗和环境污染问题。作为车辆的核心部件及动力输出装置，发动机在汽车的使用性能和节能减排方面起着决定性的作用。目前大多数汽车发动机都采用铝合金制造，与灰铸铁发动机相比，铝合金发动机具有更高的热导率和更低的密度，并且轻质铝合金发动机的使用在很大程度上降低了燃油消耗，但是，由于铝合金硬度较低，导致其耐磨损性能较差，从而造成发动机工作过程中气缸壁面容易磨损，限制了其使用，所以，铝合金的表面改性，对其在高载荷条件下作为滑动部件的使用具有重要意义。

目前已经出现许多方法解决铝合金气缸壁易磨损的问题，然而在众多工艺中，热喷涂技术由于其涂层制备成本低、效率高等优势，日益受到业界的关注和重视。研究发现，使用热喷涂气缸体保护涂层的发动机比使用铸铁缸套的发动机要节省燃油大约2％～4％，且在涂层服役过程中，涂层中扁平颗粒的剥落和涂层材料的磨损是热喷涂涂层在发动机工作过程中的主要失效形式。而涂层材料的磨损破坏主要是由较高摩擦系数而导致的大的摩擦力所致。因此，提高气缸表面的减磨性能自然成为解决这一问题的关键。

在众多铝合金发动机气缸壁减磨保护涂层材料中，灰铸铁具有较低的成本和其中石墨的自润滑作用，使得其成为铝合金发动机气缸表面保护涂层材料的首选，且热喷涂铸铁涂层优良的减磨性能主要取决于其中石墨的含量、尺度以及分布。然而热喷涂过程中熔滴的快速冷却特性使得等离子喷涂灰铸铁涂层中难以析出大量的石墨组织，而是在涂层中形成白口组织，即碳主要以碳化物(Fe₃C)的形式存在于涂层中。由于，在通常情况下，铸铁凝固时要获得石墨组织需要很小的冷却速度，一般在10²℃/s以下(Nastac L,Stefanescu D.M.Prediction of gray-to-white transition in cast iron by solidification modeling[J].Transactions of the American Foundrymen's Society,1995,103:329-337)，然而根据早期Vardelle等人(Vardelle M,Vardelle A,Leger A.C.Influence of Particle Parameters at Impact on Splat Formation and Solidification in Plasma Spraying Process[J].Journal of Thermal Spray Technology,1994,4:50-58)对热喷涂过程中粒子冷却速度的报道结果(陶瓷粒子为10⁴～10⁶℃/s，金属粒子为10⁶～10⁸℃/s)，因此，等离子喷涂铸铁涂层中难以获得足够数量石墨的主要原因是喷涂粒子的快速冷却特性不利于碳以石墨相析出。但是由于原始灰铸铁粉末的主要组成成分为石墨和珠光体基体，且石墨与基体熔点存在较大差异(石墨的熔点约3652℃，基体的熔点约1250℃)，则完全有可能通过控制喷涂工艺将原始含有石墨组织的铸铁粉末快速加热到刚好超过基体熔点的某一温度，使其基体熔化而石墨仍然保持固态或粉末颗粒心部仍然保持未熔状态，然后将其快速冷却，从而使其中石墨组织保留到涂层中。因此，如何获取含有石墨组织的灰铸铁粉末将成为能否解决等离子灰铸铁涂层问题的关键。

目前，气体或水雾化技术是生产金属及合金粉末的主要方法，其基本原理是通过雾化喷嘴产生高压高速的气流或水流，快速冲击熔融金属液流，将熔体液流粉碎成很小的液滴并迅速凝固成粉末的过程。这两种方法同样也使熔滴快速凝固，因此采用气或水雾化法制备的灰铸铁粉末通常只得到白口组织，即粉末中碳主要以渗碳体(Fe₃C)形式存在，几乎难以形成石墨。且Yang等人(Min Yang,Yong xiang Dai,Chang jiang Song et al.Microstructure evolution of grey cast iron powder by high pressure gas atomization[J].Journal of Materials Processing Technology,210(2010)351 355)研究了气雾化灰铸铁粉末冷却速率与颗粒尺寸之间的关系，发现气雾化法制备灰铸铁粉末时的冷却速率可以达到10⁴℃/s～10⁶℃/s，远远大于铸铁凝固时石墨组织析出所需的冷却速度。所以亟待开发一种新的粉末制备方法来制备价格低廉、流动性能良好的含石墨的灰铸铁喷涂粉末，为热喷涂制备低成本、良好减磨性能的灰铸铁涂层提供保障。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法。利用该方法制备的灰铸铁粉末中含有石墨组织，该灰铸铁粉末能够满足等离子喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备灰铸铁块体坯料：首先设计灰铸铁的化学成分为Fe-(3.8～4.2)wt％C-(1.5～3.8)wt％Si-(0.6～0.9)wt％Mn-(1～4)wt％Al-(0.01～0.03)wt％RE，然后按设计成分称取Fe、C、Si、Mn、Al和RE后放入中频感应炉内，再加入孕育剂，接着在氩气气氛、温度为1500℃的条件下进行熔炼，之后以2℃/s～30℃/s的冷却速率进行冷却，得到含石墨组织的灰铸铁块体坯料；

步骤二、对步骤一中所述灰铸铁块体坯料进行机械切削，得到切削碎末，然后对切削碎末进行筛分，得到粒度为0.6mm～1.2mm的前驱体粉末；

步骤三、对步骤二中所述前驱体粉末进行球磨，得到磨粉；所述球磨的方式为湿磨，所述球磨的溶剂介质为无水乙醇，所述溶剂介质的加入量为球料总质量的1.5wt％；

步骤四、对步骤三中所述磨粉进行筛分，得到粒度为0.04mm～0.12mm、含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体。

上述的一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法，其特征在于，步骤一中所述孕育剂为稀土硅钙，所述孕育剂的加入量为Fe、C、Si、Mn、Al和RE总质量的0.3％。

上述的一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法，其特征在于，步骤三中所述球磨的具体过程为：先在球料质量比为(5～10)﹕1、球磨速率为400r/min的条件下球磨5h，然后在球料质量比为(15～20)﹕1、球磨速率为400r/min的条件下球磨10h。

上述的一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法，其特征在于，步骤三中球磨所采用的磨球由直径为10mm的大规格磨球、直径为8mm的中规格磨球和直径为6mm的小规格磨球按数量比1﹕2﹕3组成。

上述的一种含石墨组织的热喷涂用灰铸铁粉体的制备方法，其特征在于，所述大规格磨球、中规格磨球和小规格磨球的材质均为不锈钢。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

由于目前热喷涂用铸铁粉末主要通过气体或水雾化法制备。这两种方法使熔滴发生快速凝固通常只能得到白口组织，难以在粉体中析出石墨。本发明基于“结构移植”思路的粉末制备工艺，即将铸造灰铸铁坯料的原始组织通过机械分离“移植”到粉体前驱体中，再通过分级球磨改善该前驱体颗粒形貌及流动性，最终获得所需的热喷涂灰铸铁粉末。制备得到的含石墨组织的灰铸铁粉末可以满足热喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命；该方法可以实现铸铁废料的循环利用，大大降低粉末的制备成本，具有重要的经济和社会效益。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1灰铸铁块体坯料的截面光镜图。

图2为本发明实施例1灰铸铁块体坯料的X射线衍射谱图。

图3为本发明实施例1前驱体粉末的表面SEM图。

图4为本发明实施例1前驱体粉末的截面SEM图。

图5为本发明实施例1前驱体粉末的截面EDS分析部位的SEM照片。

图6为本发明实施例1前驱体粉末的截面EDS线扫描谱线图。

图7为本发明实施例1磨粉的表面SEM图。

图8为本发明实施例1磨粉的截面EDS分析部位的SEM照片。

图9为本发明实施例1磨粉的截面EDS线扫描谱线图。

图10为本发明实施例1磨粉的X射线衍射谱图。

图11为本发明实施例2磨粉的表面SEM图。

图12为本发明实施例2磨粉的截面EDS分析部位的SEM照片。

图13为本发明实施例2磨粉的截面EDS线扫描谱线图。

图14为本发明实施例2磨粉的X射线衍射谱图。

具体实施方式

实施例1

本实施例制备一种热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体，具体制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备灰铸铁块体坯料：首先设计灰铸铁的化学成分为Fe-4.2wt％C-3.0wt％Si-0.7wt％Mn-3wt％Al-0.02wt％RE，然后按设计成分称取Fe、C、Si、Mn、Al和RE后放入中频感应炉内，再加入孕育剂稀土硅钙，孕育剂的加入量为Fe、C、Si、Mn、Al和RE总质量的0.3％，接着在氩气气氛、温度为1500℃的条件下进行熔炼，之后以30℃/s的冷却速率进行冷却，得到含石墨组织的灰铸铁块体坯料；

步骤二、对步骤一中所述灰铸铁块体坯料进行机械切削，得到切削碎末，然后对切削碎末进行筛分，得到粒度为0.6mm～1.2mm的前驱体粉末；

步骤三、对步骤二中所述前驱体粉末进行球磨，得到磨粉；所述球磨的方式为湿磨，所述球磨的溶剂介质为无水乙醇，所述溶剂介质的加入量为球料总质量的1.5wt％；球磨的具体过程为：先在球料质量比为8：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨5h，然后在球料质量比为18：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨10h；球磨所采用的磨球由直径为10mm的大规格磨球、直径为8mm的中规格磨球和直径为6mm的小规格磨球按数量比1:2:3组成，大规格磨球、中规格磨球和小规格磨球的材质均为不锈钢；

步骤四、对步骤三中所述磨粉进行筛分，得到粒度为0.04mm～0.12mm的灰铸铁粉末，即为产品粉末(热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体)。

图1为实施例1灰铸铁块体坯料的截面光镜图。图2为实施例1灰铸铁块体坯料X射线衍射谱图。从图1和图2中可以看出，铸造后的灰铸铁块中存在石墨组织，石墨呈片状随机分布在基体中。

图3为实施例1前驱体粉末的表面SEM图。图4为实施例1前驱体粉末的截面SEM图。由图3和图4中可以看出，对铸造得到的灰铸铁块体坯料采用机械切削法进行分离得到厚片状的原始粉体前驱体，且其形状不规则，粒度为0.6～1.2mm，石墨存在于原始坯料中。

图5和图6分别为实施例1前驱体粉末的截面EDS分析部位和线扫描图。从图中可以清楚的得到，采用机械分离得到的原始粉体前驱体中存在石墨组织。

图7为实施例1磨粉的表面SEM图。从图6可以看出，经过球磨处理后，粉末形貌有了明显的改善，球磨后的粉末边缘出现了钝化，没有尖锐的棱角。

图8和图9分别为实施例1磨粉的截面EDS分析部位和线扫描图。从线扫描的结果可以得到经过球磨处理后，原始坯料中的石墨被部分移植到最终的灰铸铁粉体中了，即球磨得到的铸铁粉体中存在石墨组织。

图10为实施例1磨粉的X射线衍射谱图。通过物相分析可以得到最终的灰铸铁粉体中存在石墨组织，与能谱结果相一致。

经检测，本发明制备的灰铸铁粉末中含有石墨组织，该灰铸铁粉末能够满足热喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命。

实施例2

本实施例制备一种热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体，具体制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备灰铸铁块体坯料：首先设计灰铸铁的化学成分为Fe-4.1wt％C-1.5wt％Si-0.6wt％Mn-4wt％Al-0.03wt％RE，然后按设计成分称取Fe、C、Si、Mn、Al和RE后放入中频感应炉内，再加入孕育剂稀土硅钙，孕育剂的加入量为Fe、C、Si、Mn、Al和RE总质量的0.3％，接着在氩气气氛、温度为1500℃的条件下进行熔炼，之后以20℃/s的冷却速率进行冷却，得到含石墨组织的灰铸铁块体坯料；

步骤二、对步骤一中所述灰铸铁块体坯料进行机械切削，得到切削碎末，然后对切削碎末进行筛分，得到粒度为0.6mm～1.2mm的前驱体粉末；

步骤三、对步骤二中所述前驱体粉末进行球磨，得到磨粉；所述球磨的方式为湿磨，所述球磨的溶剂介质为无水乙醇，所述溶剂介质的加入量为球料总质量的1.5wt％；球磨的具体过程为：先在球料质量比为10：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨5h，然后在球料质量比为20：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨10h；球磨所采用的磨球由直径为10mm的大规格磨球、直径为8mm的中规格磨球和直径为6mm的小规格磨球按数量比1:2:3组成，大规格磨球、中规格磨球和小规格磨球的材质均为不锈钢；

步骤四、对步骤三中所述磨粉进行筛分，得到粒度为0.04mm～0.12mm的灰铸铁粉末，即为产品粉末(热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体)。

图11为实施例2中磨粉的表面SEM图，从图中可以看出，虽然经过不同球磨参数的处理后，最终灰铸铁粉体的形貌有些变化，但与原始坯料相比，都有很大的改善。

图12和图13分别为实施例2中磨粉的截面EDS分析部位和线扫描图，从图可以看出，不同球料比后得到的灰铸铁粉体中都含有石墨组织。

图14为实施例2中磨粉的X射线衍射谱图，通过物相分析可以得到最终的灰铸铁粉体中存在石墨组织，与能谱结果相一致。

经检测，本发明制备的灰铸铁粉末中含有石墨组织，该灰铸铁粉末能够满足热喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命。

实施例3

本实施例制备一种热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体，具体制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备灰铸铁块体坯料：首先设计灰铸铁的化学成分为Fe-4.0wt％C-3.8wt％Si-0.6wt％Mn-1wt％Al-0.01wt％RE，然后按设计成分称取Fe、C、Si、Mn、Al和RE后放入中频感应炉内，再加入孕育剂稀土硅钙，孕育剂的加入量为Fe、C、Si、Mn、Al和RE总质量的0.3％，接着在氩气气氛、温度为1500℃的条件下进行熔炼，之后以10℃/s的冷却速率进行冷却，得到含石墨组织的灰铸铁块体坯料；

步骤二、对步骤一中所述灰铸铁块体坯料进行机械切削，得到切削碎末，然后对切削碎末进行筛分，得到粒度为0.6mm～1.2mm的前驱体粉末；

步骤三、对步骤二中所述前驱体粉末进行球磨，得到磨粉；所述球磨的方式为湿磨，所述球磨的溶剂介质为无水乙醇，所述溶剂介质的加入量为球料总质量的1.5wt％；球磨的具体过程为：先在球料质量比为5：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨5h，然后在球料质量比为15：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨10h；球磨所采用的磨球由直径为10mm的大规格磨球、直径为8mm的中规格磨球和直径为6mm的小规格磨球按数量比1:2:3组成，大规格磨球、中规格磨球和小规格磨球的材质均为不锈钢；

步骤四、对步骤三中所述磨粉进行筛分，得到粒度为0.04mm～0.12mm的灰铸铁粉末，即为产品粉末(热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体)。

经检测，本发明制备的灰铸铁粉末中含有石墨组织，该灰铸铁粉末能够满足热喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命。

实施例4

本实施例制备一种热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体，具体制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备灰铸铁块体坯料：首先设计灰铸铁的化学成分为Fe-3.8wt％C-1.5wt％Si-0.9wt％Mn-4wt％Al-0.03wt％RE，然后按设计成分称取Fe、C、Si、Mn、Al和RE后放入中频感应炉内，再加入孕育剂稀土硅钙，孕育剂的加入量为Fe、C、Si、Mn、Al和RE总质量的0.3％，接着在氩气气氛、温度为1500℃的条件下进行熔炼，之后以5℃/s的冷却速率进行冷却，得到含石墨组织的灰铸铁块体坯料；

步骤二、对步骤一中所述灰铸铁块体坯料进行机械切削，得到切削碎末，然后对切削碎末进行筛分，得到粒度为0.6mm～1.2mm的前驱体粉末；

步骤三、对步骤二中所述前驱体粉末进行球磨，得到磨粉；所述球磨的方式为湿磨，所述球磨的溶剂介质为无水乙醇，所述溶剂介质的加入量为球料总质量的1.5wt％；球磨的具体过程为：先在球料质量比为6：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨5h，然后在球料质量比为18：1，球磨速率为400r/min的条件下球磨10h；球磨所采用的磨球由直径为10mm的大规格磨球、直径为8mm的中规格磨球和直径为6mm的小规格磨球按数量比1:2:3组成，大规格磨球、中规格磨球和小规格磨球的材质均为不锈钢；

步骤四、对步骤三中所述磨粉进行筛分，得到粒度为0.04mm～0.12mm的灰铸铁粉末，即为产品粉末(热喷涂用的、含石墨组织的灰铸铁粉体)。

经检测，本发明制备的灰铸铁粉末中含有石墨组织，该灰铸铁粉末能够满足热喷涂灰铸铁涂层使用，以提高铝合金气缸发动机的减磨性能，使其在更苛刻的条件下使用，并延长其使用寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。