專利名稱：一種表面梯度保護(hù)涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面梯度保護(hù)涂層及其制備方法，具體是一種MoB/CoCr表面梯度保護(hù)熱噴涂涂層及其制造方法，可用于(但不限于)連續(xù)熱鍍高鋁鋅生產(chǎn)線用沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥的表面保護(hù)涂層。
背景技術(shù)：
熱鍍高鋁鋅(含55％Al)涂層鋼板作為高附加值的鋼鐵產(chǎn)品，比熱鍍純鋅和熱鍍低鋁鋅涂層鋼板具有更好的機(jī)械性能、更強(qiáng)的抗氧化性，并具有良好的涂裝性、加工性和經(jīng)濟(jì)性，特別是具有絕佳的耐腐蝕性能；已廣泛的應(yīng)用于建筑業(yè)、家用電器業(yè)、工業(yè)儀表業(yè)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景非常廣闊。
然而，沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥?zhàn)鳛檎麠l熱鍍鋅生產(chǎn)線上核心工作組件中的最關(guān)鍵零部件，使用工作條件相當(dāng)惡劣，非常容易產(chǎn)生表面失效和表面缺陷。而沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥面表面質(zhì)量的變化，不僅會(huì)嚴(yán)重影響高鋁鋅涂層鋼板的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的等級(jí)，更會(huì)嚴(yán)重影響熱鍍高鋁鋅生產(chǎn)線穩(wěn)定工作的高連續(xù)性節(jié)奏，顯著降低生產(chǎn)效率。同時(shí)，常用熱鍍純鋅和低鋁鋅用沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥WC/CoCr涂層已無(wú)法滿足當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)的長(zhǎng)壽命化使用要求。因此，沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥使用壽命短，就成為制約熱鍍高鋁鋅板高效生產(chǎn)的瓶頸因素。
目前，在多種采用表面保護(hù)涂層方法來(lái)延長(zhǎng)熱鍍高鋁鋅沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥使用壽命的途徑當(dāng)中，還沒(méi)有一個(gè)是非常行之有效的。如使用經(jīng)封孔處理，含W、Co等不易與鋁鋅熔體反應(yīng)的貴金屬元素鐵基耐蝕耐熱合金，能夠部分延長(zhǎng)沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥的使用壽命。但是，由于鐵基組分會(huì)與金屬液中的熔融鋁發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，而過(guò)早損壞涂層；并使得涂層無(wú)法重復(fù)利用，從而提高經(jīng)濟(jì)成本。而使用鋁鎂尖晶石陶瓷表面涂層，能夠顯著提高沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥的表面抗腐蝕性。但是，由于鋁鎂尖晶石陶瓷(Al2O3-MgO系)與沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥金屬母材之間匹配性較差、特別是熱膨脹系數(shù)(20-650℃鋁鎂尖晶石熱膨脹系數(shù)為7.8×10-6/K，沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥金屬母材熱膨脹系數(shù)為18.9×10-6/K)，兼之陶瓷相材料脆性大，涂層非常容易發(fā)生應(yīng)力龜裂或剝落，而難以滿足輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)壽命使用要求。同樣地，對(duì)于新型MoB/CoCr金屬-陶瓷復(fù)合涂層，其熱膨脹系數(shù)通常在(9.0-11.6)×10-6/K(溫度100-700℃)范圍，盡管其與輥?zhàn)幽覆慕Y(jié)合強(qiáng)度高，抗腐蝕性好；但是兩者間在熱噴涂系數(shù)上的巨大差異，仍使得表面保護(hù)涂層容易發(fā)生應(yīng)力龜裂或剝落。
通常，解決因熱膨脹性能差異而導(dǎo)致涂層應(yīng)力龜裂與剝落的問(wèn)題，主要采用加噴熱膨脹系數(shù)介于與保護(hù)涂層和母材之間的過(guò)渡緩沖層的方法。但是在實(shí)際使用情況下，選擇與保護(hù)涂層和母材兩者均具有結(jié)合強(qiáng)度好、熱膨脹系數(shù)差異小等良好匹配性的噴涂材料是極為困難的，這種情況對(duì)于純陶瓷相材料(如鋁鎂尖晶石)尤甚。而如果采用加噴三層以上的中間過(guò)渡緩沖涂層時(shí)，其工藝又極為繁復(fù)、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量難以掌控、經(jīng)濟(jì)成本高，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，對(duì)于熱鍍高鋁鋅用沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥表面保護(hù)涂層而言，迄今為止還沒(méi)有一個(gè)非常行之有效的解決途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足和缺陷，不僅提供一種熱鍍高鋁鋅用沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥MoB/CoCr梯度表面保護(hù)涂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，而且還提供一種MoB/CoCr梯度表面保護(hù)涂層的制造方法。目的是使MoB/CoCr表面保護(hù)涂層與輥?zhàn)幽覆闹g具有良好的匹配性，進(jìn)而能夠滿足表面保護(hù)涂層長(zhǎng)壽穩(wěn)定的實(shí)際生產(chǎn)使用要求。
本發(fā)明的思想主要源自于對(duì)原位和梯度這兩個(gè)概念的靈活運(yùn)用基礎(chǔ)之上不同于純陶瓷相鋁鎂尖晶石涂層材料，MoB/CoCr涂層材料主要含有MoB基和CoCr基兩種組分，且MoB基組分與CoCr基組分之間存在較大的熱膨脹性能差異(100-700℃ MoB熱膨脹系數(shù)約8.0×10-6/K、CoCr熱膨脹系數(shù)約15.0×10-6/K)，同時(shí)CoCr基組分的熱膨脹系數(shù)較接近沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥母材，以及CoCr基組分與輥材能夠?qū)崿F(xiàn)良好的結(jié)合，更為重要的是兩種基本組分之間的含量與比例是可以調(diào)整的。因此，原位地調(diào)整涂層材料中MoB基與CoCr基兩組分的比例，使之在靠近輥材處CoCr基組分含量高、MoB基組分含量低；而在靠近表面保護(hù)涂層處則MoB基組分含量高、CoCr基組分含量低。即在不改變?cè)型繉硬牧匣窘M分的情況下，梯度漸變式的調(diào)整兩種組分比例含量；進(jìn)而獲得與輥?zhàn)幽覆钠ヅ浣Y(jié)合優(yōu)良、抗應(yīng)力龜裂與剝落能力強(qiáng)、抗高鋁鋅熔體腐蝕性優(yōu)異的表面梯度保護(hù)涂層。這是本發(fā)明顯著區(qū)別于其他表面涂層的關(guān)鍵所在。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明進(jìn)行如下的梯度涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)與梯度涂層制備1，輥材與表面保護(hù)涂層之間的緩沖過(guò)渡層為1層或2層。如多于3層，則會(huì)使實(shí)際生產(chǎn)的工藝繁復(fù)，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)成本。2，沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥表面梯度涂層的總厚度在0.07-0.26mm之間；緩沖過(guò)渡層的厚度則不宜小于整體涂層總厚度的1/6，如果緩沖過(guò)渡層的厚度小于整體涂層總厚度的1/6，則其緩沖過(guò)渡的程度不夠理想。3，緩沖過(guò)渡層材料的熱膨脹系數(shù)與輥材和表面保護(hù)涂層熱膨脹系數(shù)之間應(yīng)盡量成均勻梯度的分布。當(dāng)采用1層緩沖過(guò)渡層時(shí)，緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值優(yōu)選(N0±1.3)×10-6/K，No=12(NBASE+NMOB/CoCr);]]>其中，NBASE為輥材熱膨脹系數(shù)，NMoB/CoCr為表面保護(hù)工作涂層熱膨脹系數(shù)。當(dāng)采用2層緩沖過(guò)渡層時(shí)，靠近輥材緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值優(yōu)選(N1±0.6)×10-6/K范圍，N1=23NMoB/CoCr+13NBASE;]]>而靠近表面保護(hù)工作涂層的緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值，優(yōu)選(N2±0.6)×10-6/K范圍，N2=13NMoB/CoCr+23NBASE.]]>4，本發(fā)明中，緩沖過(guò)渡涂層材料中的MoB基和CoCr基本組分比例，可按照如下的復(fù)合設(shè)計(jì)原則來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算。M＝[8.0V+15.0(1-V)]×10-6/K，其中M為緩沖過(guò)渡層材料設(shè)定的熱膨脹系數(shù)值，V即為MoB基組分在緩沖過(guò)渡層材料中的體積含量。則(1-V)為CoCr基組分在緩沖過(guò)渡層材料中的體積含量。5，具有合適組分比例的熱噴涂緩沖過(guò)渡層材料粒度宜在10-70μm范圍。熱噴涂緩沖過(guò)渡層粉體的制取可采用如下兩種方式1)通過(guò)粒化燒結(jié)法用原料粉制備。原料粉由已設(shè)定百分含量比例的、平均顆粒直徑為4.5μm的MoB粉和平均顆粒直徑為7μm的CoCr合金粉組成；經(jīng)充分混粉和燒結(jié)后，采用氣霧法制粉，并分選至10-70μm粒度范圍。這種方式制得的緩沖過(guò)渡層粉體性能優(yōu)良、兩種相組分分布穩(wěn)定而均勻，但成本略高。2)通過(guò)機(jī)械混合法制備。原料粉由已設(shè)定百分含量比例的、平均顆粒直徑為10-70μm的MoB粉和平均顆粒直徑為10-70μm的CoCr合金粉組成，經(jīng)充分混合即可。其中，MoB粉與CoCr合金粉粒度分布范圍應(yīng)盡量保持一致。這種制取方式簡(jiǎn)單方便，成本較低；但所制得的緩沖過(guò)渡層粉體中兩種相組分的分布均勻性略差。6，本發(fā)明中，緩沖過(guò)渡層與表面保護(hù)涂層的制備均采用超音速火焰噴涂方法。在涂層形成過(guò)程中，使用Praxair/TAFA公司JP-5000熱噴涂設(shè)備，工藝參數(shù)如下氧氣流速為890-895升/分鐘，煤油流速為0.3-0.35升/分鐘，噴涂距離為350-390mm，熱噴涂供粉速度為45-53克/分鐘。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥表面保護(hù)涂層與輥材之間具有良好的匹配性，從而顯著提高了表面保護(hù)涂層的抗應(yīng)力龜裂和剝落能力，進(jìn)而具有優(yōu)良的耐高鋁鋅熔體腐蝕性能。
具體實(shí)施例方式試樣尺寸Φ70mm×300mm，材質(zhì)為熱鍍高鋁鋅沉沒(méi)輥/穩(wěn)定輥用鋼316L。由于MoB/CoCr表面保護(hù)工作涂層熱膨脹系數(shù)越小，則涂層與輥材匹配性越差，涂層也就越容易產(chǎn)生龜裂和剝落；為此，本案例選擇熱膨脹系數(shù)NMoB/CoCr＝9.0×10-6/K的MoB/CoCr金屬陶瓷作為表面保護(hù)工作涂層材料。當(dāng)采用1層緩沖過(guò)渡層時(shí)，N0=12(N316L+NMoB/CoCr)≈14.0×10-6/K;]]>當(dāng)采用2層緩沖過(guò)渡層時(shí)，N1=23NMoB/CoCr+13N316L≈12.3×10-6/K,]]>N2=13NMoB/CoCr+23N316L≈15.6×10-6/K.]]>進(jìn)一步，緩沖過(guò)渡涂層材料中的MoB基和CoCr基本組分比例，可按照復(fù)合設(shè)計(jì)原則來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算。沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥的表面梯度保護(hù)涂層設(shè)計(jì)系統(tǒng)詳見(jiàn)表1。熱噴涂粉體中MoB基和CoCr基組分比例按上述復(fù)合設(shè)計(jì)原則計(jì)算而得，并通過(guò)機(jī)械混合法制取，粉體粒度在15-65μm范圍。
緩沖過(guò)渡層與表面保護(hù)涂層的制備均采用超音速火焰噴涂方法。在涂層形成過(guò)程中，使用Praxair/TAFA公司JP-5000熱噴涂設(shè)備，工藝參數(shù)如下氧氣流速為890-895升/分鐘，煤油流速為0.3-0.35升/分鐘，噴涂距離為350-390mm，熱噴涂供粉速度為45-53克/分鐘。
熱噴涂后的試樣用于熱震試驗(yàn)。在熱震試驗(yàn)中，將試樣加熱至670℃溫度并使之整體均熱，而后取出淬水冷卻至室溫；重復(fù)此程序，直至表面熱噴涂涂層出現(xiàn)裂紋、起皮或剝落。如果表面涂層熱震損壞的次數(shù)小于5次，評(píng)價(jià)用符號(hào)×來(lái)表示；如果次數(shù)在5-10次之間，評(píng)價(jià)用符號(hào)○來(lái)表示；如果次數(shù)在10-15次，評(píng)價(jià)用符號(hào)⊙來(lái)表示。實(shí)施案例與比較案例的評(píng)價(jià)結(jié)果均列于表1中。其中，高熱震次數(shù)說(shuō)明表面保護(hù)涂層抵抗因不匹配而導(dǎo)致應(yīng)力龜裂或剝落的能力強(qiáng)，較低熱震次數(shù)則反映表面保護(hù)涂層容易產(chǎn)生不匹配應(yīng)力龜裂或剝落。從表中可以看出，與比較例對(duì)比，各個(gè)實(shí)施例的保護(hù)涂層均與輥材具有著好的熱匹配性。
表1表面梯度保護(hù)涂層實(shí)施例與比較例

權(quán)利要求
1.一種表面梯度保護(hù)涂層，保護(hù)涂層覆蓋在基體上，保護(hù)涂層由緩沖過(guò)渡層和MoB/CoCr金屬-陶瓷工作涂層組成，其特征是，緩沖過(guò)渡層的MoB基和CoCr基兩種組分含量比例由以下公式確定M＝[8.0V+15.0(1-V)]×10-6/K，其中M為緩沖過(guò)渡層材料設(shè)定的熱膨脹系數(shù)值，V為MoB基組分在緩沖過(guò)渡層材料中的體積含量，則(1-V)為CoCr基組分在緩沖過(guò)渡層材料中的體積含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層，其特征是，基體與表面保護(hù)涂層之間的緩沖過(guò)渡層為1層或2層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層，其特征是，表面梯度保護(hù)涂層的總厚度在0.07-0.26mm之間，緩沖過(guò)渡層的厚度則不小于整體涂層總厚度的1/6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層，其特征是緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)與輥材和表面保護(hù)涂層熱膨脹系數(shù)之間是均勻梯度分布當(dāng)采用1層緩沖過(guò)渡層時(shí)，緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值為(N0±1.3)×10-6/K，N0=12(NBASE+NMoB/CoCr);]]>其中，NBASE為輥材熱膨脹系數(shù)，NMoB/CoCr為表面保護(hù)工作涂層熱膨脹系數(shù)；當(dāng)采用2層緩沖過(guò)渡層時(shí)，靠近輥材緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值為(N1±0.6)×10-6/K范圍，N1=23NMoB/CoCr+13NBASE;]]>而靠近表面保護(hù)工作涂層的緩沖過(guò)渡層材料熱膨脹系數(shù)的數(shù)值優(yōu)選(N2±0.6)×10-6/K，N2=13NMoB/CoCr+23NBASE.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層，其特征是，熱噴涂緩沖過(guò)渡層材料粒度在10-70μm。
6.權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層的制備方法，其特征是，緩沖過(guò)渡層原料采用粒化燒結(jié)法制備，原料粉由平均顆粒直徑為4.5μm的MoB粉和平均顆粒直徑為7μm的CoCr合金粉組成，按配比充分混粉后燒結(jié)，采用氣霧法制粉并分選，緩沖過(guò)渡層與表面保護(hù)涂層的制備均采用超音速火焰噴涂方法，在涂層形成過(guò)程中，氧氣流速為890-895升/分鐘，煤油流速為0.3-0.35升/分鐘，噴涂距離為350-390mm，熱噴涂供粉速度為45-53克/分鐘。
7.權(quán)利要求1所述表面梯度保護(hù)涂層的制備方法，其特征是，緩沖過(guò)渡層原料采用機(jī)械混合法制備，原料粉由平均顆粒直徑為10-70μm的MoB粉和平均顆粒直徑為10-70μm的CoCr合金粉組成，按配比經(jīng)充分混合即可，緩沖過(guò)渡層與表面保護(hù)涂層的制備均采用超音速火焰噴涂方法，在涂層形成過(guò)程中，氧氣流速為890-895升/分鐘，煤油流速為0.3-0.35升/分鐘，噴涂距離為350-390mm，熱噴涂供粉速度為45-53克/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面梯度保護(hù)涂層及其制備方法，主要解決基體和保護(hù)涂層匹配的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)保護(hù)涂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不改變MoB/CoCr涂層材料中的基本組分，合理調(diào)整MoB基和CoCr基組分的含量比例，制取緩沖過(guò)渡熱噴涂層材料，并獲得輥材與表面保護(hù)涂層之間熱膨脹匹配優(yōu)良的漸變梯度熱噴涂涂層。本發(fā)明的梯度保護(hù)涂層，使輥?zhàn)颖砻姹Ｗo(hù)涂層具有良好的抗不匹配應(yīng)力龜裂和剝落性能，顯著提高了涂層的抗熱震能力，進(jìn)而具有優(yōu)良的耐鋅熔體以及高鋁鋅熔體腐蝕性能?？捎糜?但不限于)連續(xù)熱鍍高鋁鋅生產(chǎn)線用沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥的表面保護(hù)涂層。
文檔編號(hào)C23C4/04GK1978705SQ20051011089
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者畢剛, 譚興海, 蔣振華 申請(qǐng)人:上海寶鋼設(shè)備檢修有限公司