热喷涂用不锈钢材料
HVOF热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的微观结构和摩擦磨损性能研究
HVOF热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的微观结构和摩擦磨损性能研究H.H. Yao;Z. Zhou;K.Z. Tang;Z. Tan;G.H. Wang;D.Y. He;王玉【摘要】通过高速氧燃料火焰喷涂制备一种Fe59Cr12Nb5B20Si4非晶金属涂层,与商用316L不锈钢相比,以实现更低的热导率和更好的耐磨防护效果.所制备的涂层具有致密层状结构(孔隙率小于1%),有轻微的氧化发生.Fe基涂层的微观结构中具有非晶骨架并有纳米晶析出,其热导率(2.66 W/mK)显著低于不锈钢涂层(5.87 W/mK).得益于这种微观结构,涂层硬度可达到1258±92 HV.因为涂层磨损机理的改变,涂层的摩擦系数和磨损量在200℃时上升,并在400 ℃时下降.涂层在室温时的磨损机理主要为疲劳磨损并伴有氧化磨损.在200℃时,由于第三粒的磨损,磨损过程加速.400℃下涂层耐磨性能的下降可能导致大面积的氧化膜的生成.【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2017(009)004【总页数】8页(P50-57)【作者】H.H. Yao;Z. Zhou;K.Z. Tang;Z. Tan;G.H. Wang;D.Y. He;王玉【作者单位】材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国;材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国;材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国;材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国;材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国;材料科学与工程学院,北京理工大学,北京,中国【正文语种】中文【中图分类】TG174.4421 引言近年来，交通运输行业不断为车辆减重以降低能源消耗和尾气排放[1]。
例如，通过铝合金替代传统钢铁零部件是减重的有效途径，但铝合金硬度和熔点低于钢铁，限制了其进一步的应用。
在铝合金零部件表面喷涂防护性涂层是一种可能的解决途径[2-3]。
金属玻璃具有特殊的机械性能和理化性能[4]；这类材料在侵蚀性环境中可用作防护涂层因而引起关注[7]。
316l不锈钢孔蚀的阴极极化控制
316l不锈钢孔蚀的阴极极化控制316L不锈钢是一种热喷涂钢，它具有优良的耐腐蚀性和耐磨损性，常用于精密仪器、医疗设备以及石油开采设备等领域，但它也存在一定的孔蚀问题。
本文以316L不锈钢孔蚀的阴极极化控制为标题，讨论其孔蚀机理及相关技术。
一、316L不锈钢孔蚀机理1、电化学孔蚀机理电化学孔蚀是指当316L不锈钢处于电位差的刺激作用下，在其表面发生的电脱落现象，从而导致孔蚀现象的发生。
具体来说，316L 不锈钢表面的氧化物会被还原成水分子，水分子又会通过电解质被还原成氢气，氢气表现为小孔蚀现象。
由于氧化物和氢气的分解特性，316L不锈钢会不断损耗，从而造成孔蚀现象。
2、力学孔蚀机理力学孔蚀是指在316L不锈钢处于流体压力作用下，表面的氧化物会不断剥落，最终产生微小孔蚀现象。
力学孔蚀是一种微小的流体剪切现象，它的发生会破坏物质的层，从而使其受到磨损。
二、316L不锈钢孔蚀的阴极极化控制1、力学孔蚀的阴极极化控制由于力学孔蚀源于流体剪切，因此，要有效地控制力学孔蚀，需要改变流体的剪切环境。
这可以通过阴极极化技术来实现，原理是当流体中存在阴极，有利于激活和抑制表面氧化物的消除，从而减少流体中剪切现象的发生，而当流体中存在阳极，则会增加表面氧化物的消除，从而增加流体中剪切现象的发生。
因此，调节阴极阳极协同作用，即可有效地调节力学孔蚀的发生。
2、电化学孔蚀的阴极极化控制电化学孔蚀的原理是由于电位差的存在，使得表面氧化物发生电脱落，从而导致孔蚀现象的发生。
因此，要有效控制电化学孔蚀，就需要控制电位差，这可以通过阴极极化技术来实现。
阴极极化可以有效调节表面的电位差，这有利于降低表面氧化物的电脱落速率，从而使其孔蚀现象受到抑制。
总之，316L不锈钢孔蚀的阴极极化控制是一种有效的技术，它可以有效抑制电化学和力学孔蚀的发生，从而保护316L不锈钢的可靠性和耐久性。
这就要求人们在设计316L不锈钢使用环境时，要合理使用阴极极化技术，以免造成不必要的损耗。
热喷涂概述
（ 2 ）喷涂过程中基体表面受热的程度较小
而且可以控制 , 因此可以在各种材料上进行喷
涂 ( 如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料 等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工 件变形也小。 （3）设备简单、操作灵活, 既可对大型构件
进行大面积喷涂 , 也可在指定的局部进行喷涂；
既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行 施工。
由于喷涂颗粒以超音速飞行而撞击到基体 表面，所以HVOF喷涂涂层的结合强度、密度
和硬度都非常高。
高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧 化暴露时间）和相对较低的温度是HVOF热喷 涂工艺方法最重要的两个特征。
（4）电弧喷涂 电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生 电弧, 电弧产生的热使金属丝熔化, 熔化部分由压
五、热喷涂技术的分类 依据GB/T1872－2002颁布的分类方 法有三种： 热喷涂材料类型 操作方法 热源
（1）按热喷涂材料类型分类
• • • • • 线材喷涂 棒材喷涂 芯材喷涂 粉末喷涂 熔液喷涂 wire spraying rod spraying cord spraying powder spraying molten bath spraying
预热温度取决于工件的大小、形状和材质,
以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般 情况下预热温度控制在60 - 120 ℃之间。
（3）喷涂
• 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂 材料、工件的工况及对涂层质量的要求。 • 陶瓷涂层：最好选用等离子喷涂； • 碳化物金属陶瓷涂层：最好采用高速火焰喷涂；
二、热喷涂技术的定义
GB/T18719—2002《热喷涂 术语、分类》中
定义：
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料 加热至溶化或半溶化状态并以一定的速 度喷射沉积到经过预处理的基体表面形 成涂层的方法。
热喷涂材料
热喷涂材料目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等, 主要以粉末、丝材、棒材状态使用, 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70 %以上. 用作涂层的材料有：1. 热喷涂用粉末纯金属粉末：W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb 等合金粉末：Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co基、Ni基、Fe基自熔合金等氧化物陶瓷粉末：Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2等碳化物粉末：WC，TiC，Cr3C2等金属陶瓷粉末：WC-Co，Cr3C2-NiCr等塑料粉末：尼龙，聚乙烯，聚苯硫醚等2. 热喷涂用丝材Al、Cu，Zn，Al-Zn合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al丝等3. 热喷涂用棒材Al2O3，Cr2O3，ZrO2等层功能和应用1. 抗磨损涂层磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一, 可能产生磨损的工作条件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等.抗磨损涂层应该是坚硬的,而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能.Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC - Co和Cr3C2-NiCr等金属陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能. 采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛, 如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo涂层, 纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3 -TiO2陶瓷涂层, 泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co等耐磨涂层, 大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用Fe基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。
2. 防腐蚀涂层长期暴露在户外大气(海洋、工业及城乡大气)和不同介质(海水、河水、溶剂及油类等)环境中的大型钢铁构件,如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等,受到不同程度的环境氧化和侵蚀. 采用Al、Zn、Al - Zn合金及不锈钢等涂层进行防护,可以获得长达20年以上的长期防护效果.一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件,可以根据具体工况(如介质、浓度、温度、压力等)选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护.3. 抗高温氧化和耐热腐蚀涂层对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件,受到高温、气体腐蚀及气流冲刷的作用,严重影响了设备的寿命和运行的安全.抗高温氧化及高温腐蚀的材料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外,还必须具有与基体材料相似的热膨胀系数,方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降.用作抗高温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY(M = Co、Ni、Fe)及Hastiloy和Stellite合金等. 这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管(水冷壁管、再热器管、过热器管及省煤器管)及水冷壁等的高温氧化腐蚀一直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题,经多年研究、实践证明, 采用电弧喷涂Ni - Cr、Fe -Cr -Al、Ni-Cr -Al、45CT等涂层能获得良好的防护作用,使用寿命最长达9年.MCrAlY 涂层用于航空涡轮发动机叶片涂层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。
熔射(热喷涂工艺)
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含有硼和(或)硅元素的助熔剂，当加
重热到熔熔点时，处合金本理身就具有脱氧、造渣、
除气和良好的润滑性等性能的合金粉末。
重熔处理是自熔性合金涂层的一种后处理方法。自熔性合 金喷涂所形成的涂层仍有许多孔隙，重熔处理过程就是涂 层重新熔化并致密涂层的过程，从而消除了大多数孔隙。 这个过程的完成是通过沉积颗粒的湿润和凝聚，以及基体 表面的氧化物的形成来完成的。
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2.热喷涂的形成过程
2.3 涂层成分与结构
一般情况下，涂层成分中的合金元素含量与原喷 涂材料是有所差异的，其原因在于：
① 粒子在高温下蒸发
② 粒子在高温下烧损 ③ 粒子在高温下表面发生反应
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2.4 热喷涂层的结合机理
热喷涂的结合方式可分为：机械结合和冶金化学结合 1.机械结合 熔化或接近熔化的粒子在喷涂时撞击到基体表面 产生变形、镶嵌、咬合和填塞，最后冷凝收缩，形成机械的结 合，这是涂层结合的主要形态。 2.冶金-化学结合 涂层结合的次要形态，当涂层与基体表面出 现扩散和合金化时的一种结合类型，但其结合力比机械结合大的 多，由三部分组成：
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热喷涂材料按用途分类
目的 耐蚀
耐热 耐磨损
喷涂材料 非金属材料 陶瓷，塑料
金属材料 锌，铝，Zn-Al，不锈钢，Ni及合金，Cu 及Cu合金， 钛，镁，Sn , Pb, Cd
非金属材料 陶瓷，金属基陶瓷
金属材料 耐热钢（含不锈钢系列），耐热合金（含Ni-Cr）， 自熔性合金，MCrAlY系列合金
非金属材料 陶瓷
金属材料
碳钢、低合金钢、不锈钢（主要是马氏体钢）， 硬金属
(完整版)不锈钢喷涂施工工艺
镍包铝不锈钢阶梯涂层热喷涂防腐工艺1．镍包铝不锈钢阶梯涂层热喷涂原理金属热喷涂是利用某种形式的热源将金属喷涂材料加热，使之形成熔融状态的微粒,这些微粒在动力的作用下，以较高的速度冲击并沉附在基体表面上，形成具有一定特性的金属涂层的方法。
钢结构件等基体材料的表面,经过热喷涂技术处理,被“点铁成金”、“戴盔穿甲"，得到了具有一定厚度的耐腐蚀、耐磨蚀的金属保护涂层，从而使钢结构件达到耐蚀、耐磨的作用。
随着科技的不断发展,热喷涂技术日臻完善，可供选用的金属喷涂材料已研制开发出上百种,不锈钢、镍包铝也是其中常用的材料。
不锈钢涂层具有较强的耐腐蚀、耐磨损、保护周期长的特点;而镍包铝为放热型材料,与基体结合强度高，主要用于打底喷涂，涂层具有抗氧化性，有耐磨、防水冲蚀、抗热震性能，其硬度和耐磨性相当于420不锈钢，与普通碳钢、不锈钢、合金钢、氮化钢、铸铁等均能实现良好的微冶金结合。
根据上述两种金属涂层的各自优势,将二者在同一工件基体上叠加使用,先用镍包铝作为底层，再用不锈钢涂层作为面层，最终形成阶梯涂层,运用到钢结构件中，就能获得长效的防腐蚀体系。
2．选材要求热喷镍包铝不锈钢丝应光洁、无锈、无油、无折痕,选用丝的直径镍包铝应为3mm，不锈钢丝直径应为2 mm，应符合相关材料检验规定。
其中,不锈钢材料采用1Cr18Ni9Ti，喷涂作业应采用电弧喷涂的方法进行施工。
3．镍包铝不锈钢阶梯涂层热喷涂工艺流程简介3.1钢结构表面处理（喷砂除锈打糙)热喷涂金属阶梯涂层防腐蚀工艺的除锈打糙和喷镍包铝、喷不锈钢一样，首先由空压机提供喷砂动力、压力一般为4～5ｋｇ/ｃｍ2.在压缩空气的作用下,将经过筛选的带有棱角的石英砂(颗粒为0.5~1 5ｍｍ)高速冲击工件表面。
喷砂除锈处理后的质量标准要求及检测质量标准：喷砂除锈后的钢材内外壁除锈标准应达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中的Sa3级以上。
粗糙度达到Ra60—80μm。
热喷涂涂层的钎焊工艺
艺参数 ，获 得 的各焊 接接 头正 面 、背面成 形 良好 ，内 部 没 有 明显 缺 陷 ，经Ｒ 检 验 和Ｐ 检验 ，接 头 合 格 率 Ｔ Ｔ
为 １０ ｏ ０％
电力 出版 社 ，２ ０ ． ４ — ７ ． ０６ １３１４
［］杨 ２
富 ，李 为 民 ， 任 永 宁 ， 等 ． 临 界 、超 超 临 界 锅 炉 用 钢 ［］ 超 Ｊ．
（． 阳工 业 大 学 材 料 科学 与工 程 学 院 ，辽 宁 沈 阳 １０ ２ ；２沈 阳金 杯 汽 车模 具 制 造 有 限公 司 ，辽 宁 沈 阳 １０ ４ ） １ 沈 １０ ３ ． １ １１
摘 要 ：使 用 钎 焊 方 法 对 热 喷 涂 Ｈ ８ 碳 钢 涂 层 、 ４ ｒ３５氏 体 不 锈 钢 涂 层 与 ２ 钢 进 行 连 接 ，研 究 了这 些 热喷 涂 涂层 的 钎 焊 工 艺 性 、 接 头 ０低 Ｃ１－ ０
厚 度 为 １ｍｍ， 复 合 涂 层 的 结 构 是 １ｍ ４ ｒ３ ０ ２ ｍ Ｃ １ ＋ ．
层 的连接 ，本 文探 索 了采用 钎焊方 法 进行试 验 ，为工 作 的继续 开展 提供 了参考 。
ｍ ｍ低 碳 钢 涂 层 。最 后 １ 试 件 表 面 经 磨 床 磨 光 后 作 组 为 与 涂 层 表 面 的对 焊 件 。表 １ 示 的 分 别 是 Ｈ ８ 所 ０ 低
电力 设 备 ，２ ０ ，５ １ ） １ ４ ． ０ ４ （０ ：４ — ６
ｆ ］张 贵 锋 ，张 建 勋 ．日本 Ｔ １ 管 液 相 扩 散 焊 技 术 的研 究 发 展 ［］ 电 ３ ９钢 Ｊ．
焊 机 ，２０ ，３ （ ） ７ ４ ． ０ ６ ６ １ ：３ — ０
同 时 ，笔 者 在 工 艺 试 验 过 程 中掌 握 了 电 站锅 炉
不锈钢表面金属陶瓷涂层技术
不锈钢表面金属陶瓷涂层技术近年来，随着现代化工业的不断进步与进展，人们关于材料的性能要求越来越高，其中较为重要的一点便是材料的耐磨性。
众所周知，磨损现象不论在科研实践依旧日常生活中差不多上专门常见的，同时若不及时更换调整便极有可能造成严峻的安全事故。
因此，如何提高易磨损材料的耐磨性能便显得尤为重要。
锌锅沉没辊是热浸镀锌设备中一种重要零件，我国锌锅沉没辊的辊轴与辊套需要从国外进口，不仅价格昂贵而且磨损严峻，平均一周就需要更换一次设备，导致轧制的成本专门高。
因此锌锅沉没辊辊轴与辊套的耐磨性是一个越来越受到重视的问题。
本设计旨在制备316L不锈钢表面的耐磨陶瓷涂层来缓解锌锅沉没辊的辊轴与辊套过于严峻的磨损，以此延长锌锅沉没辊的辊轴与辊套的寿命，提高生产效率。
我们通常用表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等方法来提高材料耐磨性。
本设计借助钎涂原理，分别以氧化铝和碳化钨作为陶瓷增强相材料，Ni82CrSiB合金为钎料，利用真空钎涂的方法制作出较为耐磨的陶瓷涂层，从而达到提高不锈钢表面耐磨性的要求。
试验结果说明：氧化铝与钎料的润湿成效不够理想，在涂层中没能发觉氧化铝相，即以氧化铝作为陶瓷增强相材料无法达到预期目标；而碳化钨颗粒在涂层中分布较平均，涂层表面光滑，有金属光泽，同时与不锈钢表面冶金结合良好，硬度达到了不锈钢基体的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。
关键词：金属陶瓷涂层；钎涂技术；硬度Brazing Process of Metal-ceramic Coating on Stainless SteelAbstractIn recent years, with the continuous progress and modernization of industrial development, people are increasingly demanding high-performance materials, one of the important points is the wear resistance. As we all know, the wear phenomena both in research and practice is still very common in daily life, and if not timely replacement of adjustments it is very likely result in serious accidents. Therefore, how to improve the wear resistance of the material is particularly important.The zinc pot sink roll is one of the important parts of hot dip galvanizing equipments. The bush of zinc pot sink rolls needs to be imported from abroad, and it is not only expensive but also badly worn., it needs to be replaced once per week, and that would lead to the high cost of rolling. Therefore, the wear resistance of the zinc pot sink roller bearing is a question with more and more attention. This design is in order to prepare the surface of 316L stainless steel wear-resistant ceramic coating to solve the zinc pot sink roll shaft and insert wear too serious problem to extend the life of the equipment andThe main methods of improving the wear resistance for material are surface strain hardening, surface alloying, surface coating strengthened and so on. In this design, we use the braze coating principle, and make the Al2O3 and WC as ceramic reinforcement materials,Ni82CrSiB as the brazing. The method of using the vacuum braze coating to produce more wear-resistant ceramic coating, so as to improve wear resistance of the stainless steel surface requirements. The results showed that: The wetting effect of Al2O3 and brazing filler is not satisfactory, and we could not find alumina phase in the coating, that is to say, Al2O3 as the ceramic reinforcement materials can not achieve the desired goal. However, WC particles in the coating are distributed more evenly. The coating surface is smooth, with a metallic luster, and it is a good metallurgical bond with the stainless steel surface. Its hardness is more than 6 times the stainless steel substrate, and it can be required to improve the wear resistance.Key Words：metal-ceramic coating; braze coating process; hardness目录摘要 .................................................................................................. 错误!未定义书签。
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热喷涂用不锈钢材料
不锈钢含铬量高，含碳量从小于0.03%的超低碳到大于1%的高碳大范围内变化。
不锈钢用途很广，不仅耐腐蚀性优越，而且抗高温氧化与耐热性能也优越，因此，在实际中常用作耐热钢涂层。
还可以作为
低温、无磁、耐磨材料来应用。
目前焊接用的不锈钢丝均可用于喷涂。
1）马氏体不锈钢
含铬12%~18%，常用牌号线材有：0Cr13~4Cr13、7Cr13等。
在喷涂过程中，马氏体不锈钢颗粒有淬硬性，颗粒间结合强度高，涂层硬度高，耐磨性好，并且有相当好的耐蚀性能，常用作磨损较严重及
中等腐蚀条件下工作机件的表面强化，尤其适用于轴类零部件的喷涂，涂层不龟裂。
马氏体不锈钢涂层具有良好的中温耐磨性，可以在T<450温度下稳定工作。
但由于急冷（淬火）时产生马氏体相变而硬化，并伴有4%的体积膨胀率，因此在喷涂后要注意缓冷。
含碳量高的马氏体不锈钢，因形成铬的碳化物而降低了基体组织的含铬量，若铬低于12%时就要降低耐蚀性。
马氏体不锈钢一般用于制备要求高硬度的表面，可以采用喷涂或喷熔的方法。
2）奥氏体不锈钢
热喷涂使用的奥氏体不锈钢主要是18-8型镍铬不锈钢（又称SUS304）工具钢，它的含碳量较低，一般在0.05%~0.12%之间，有时，为了提高抗蚀性还加入少量的Mo，防止晶间腐蚀加入少量Ti元素或Nb元素（
如SUS321或347）。
奥氏体不锈钢涂层在常温下是奥氏体组织，它具有优异的耐蚀性、耐热性和较好的耐磨性及良好的加工性能，不具磁性。
主要用于工作在多数酸和碱环境下的易磨损件及良好的加工性能，不具磁性。
主要用于工作在多数酸和碱环境下的易磨损件的防护与修复，如喷涂水泵轴、造纸烘缸等。
但涂层收缩率大，适于喷较薄的涂层，否则容易出现开裂和剥落现象。
应该注意的是，应用奥氏体不锈钢涂
层时，必须对涂层妥善的封闭处理，因为奥氏体不锈钢涂层对于钢铁基体是阴极，一但涂层破损，钢铁基体会加速腐蚀。
目前国内没有专门为电弧喷涂生产的线材，只能从现有焊接材料中选用合适牌号线材用于电
弧喷涂。
常用牌号的线材有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Mo2等，这些材料具有良好的耐磨
性和强度，以及耐蚀性，涂层的收缩系数较大和硬度偏低。
不过这类不锈钢线膨胀系数较大喷涂时需要注意。
3）铁素体不锈钢
铁素体不锈钢含铬15%~30%，Cr8为典型钢种。
在常温下为铁素体组织，它具有良好的耐蚀性能。
为了提高耐蚀，耐点蚀和应力腐蚀破裂的性能，发展了奥氏体一铁素体复相金钢。
文章来源：华夏不锈钢网。