專利名稱：一種熱鍍鋅沉沒輥及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱鍍鋅沉沒輥及其制備方法。
背景技術(shù)：
熱鍍鋅也稱熱浸鍍鋅，是鋼鐵構(gòu)件浸入熔融的鋅液中獲得金屬覆蓋層的一種防止鋼鐵材料在自然環(huán)境中腐蝕的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。經(jīng)熱鍍鋅處理的鋼鐵構(gòu)件在大氣、海水、 土壤等腐蝕環(huán)境中都有著優(yōu)良的耐蝕性。近年來隨高壓輸電、交通、通訊事業(yè)迅速發(fā)展，對鋼鐵件防護(hù)要求越來越高，熱鍍鋅需求量也不斷增加。沉沒輥是熱鍍鋅設(shè)備的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)的沉沒輥主要以鋼鐵材料為主，但由于鐵在鋅液中會形成多孔疏松的低熔點Fe5Zn21和FeZn13金屬間化合物(俗稱鋅渣)并漂移到鋅液中，其抗熔融鋅液腐蝕性很差，因此使用壽命較短，需經(jīng)常更換，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。而且，由于鋼的腐蝕造成鋅液增鐵，嚴(yán)重影響熱鍍鋅制品的純度。采用表面處理技術(shù)提高鋼鐵材料沉沒輥抗熔融鋅液腐蝕性能是一種切實有效的方法。較為常用的沉沒輥表面處理方法主要有滲鍍法和熱噴涂。雖然滲鍍法具有成本低廉， 簡便易行等優(yōu)點，但是采用滲鍍法獲得的硼化物涂層，滲層厚度受到限制，生成FeB/ Fe2 B 兩種金屬間化合物的膨脹系數(shù)差別很大，而且比較脆，在鋅液腐蝕的惡劣環(huán)境很容易開裂， 因此其性能有待于進(jìn)一步提高。熱噴涂是研究更多、應(yīng)用更加廣泛的沉沒輥表面處理技術(shù)。 目前用于耐熔鋅腐蝕涂層的材料主要有WC/Co、CrWMo和FeCrAl等。由于這些材料構(gòu)成的涂層具有較好的耐融鋅腐蝕性能，因此用在無溫差變化的靜態(tài)工況條件下收到了較好的效果。盡管如此，熱噴涂方法也有其不足之處，其最大的缺點在于熱噴涂層均不可避免存在一定的孔隙率，這些孔隙的存在為鋅的擴(kuò)散提供了擴(kuò)散通道，且涂層與基體間結(jié)合力差、易脫落。因此有必要發(fā)展新的低成本高性能的涂層材料及其制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的沉沒輥表面采用滲鍍法獲得的硼化物涂層，滲層厚度受到限制，生成FeB/Fe2B兩種金屬間化合物的膨脹系數(shù)差別很大，而且比較脆，在鋅液腐蝕的惡劣環(huán)境很容易開裂，以及采用熱噴涂方法，其熱噴涂層存在一定的孔隙率，這些孔隙的存在為鋅的擴(kuò)散提供了擴(kuò)散通道，且涂層與基體間結(jié)合力差、易脫落的不足；本發(fā)明提供一種熱鍍鋅沉沒輥及其制備方法，本發(fā)明基體表面涉及的防護(hù)涂層具體高熔點、高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性和高抗腐蝕性，且防護(hù)涂層與基體呈冶金結(jié)合。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，所述的防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，所述的防護(hù)涂層的材料為 ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料。由于電火花沉積是直接利用具有高能量密度的電能對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過火花放電作用將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件表層，形成合金化表面強(qiáng)化層，從而使工件的物理、化學(xué)、機(jī)械性能得到改善。電火花沉積涂層是材料表面在電火花放電作用
3下，經(jīng)微區(qū)高溫冶金過程所形成，所以它與基體材料結(jié)合極為牢固。ZrB2中包含Zr-Zr金屬鍵、B-B共價鍵、B-Zr離子鍵，ZrB2的這些特點決定了它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性和高抗腐蝕性。ZrB2中摻雜的石墨可以起到提高復(fù)合材料的常溫導(dǎo)電性能，以及提高復(fù)合材料的熱震性能，單純的ZrB2陶瓷熱震性能較差，在經(jīng)歷冷熱循環(huán)時易發(fā)生裂紋甚至是粉化，只有摻入石墨，才能使復(fù)合材料的能夠滿足電火花沉積電極的導(dǎo)電性能要求，同時可以經(jīng)受電火花沉積時的冷熱循環(huán)。進(jìn)一步地所述的ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料由5 20wt%的石墨和80 95 wt%的ZrB2組成。石墨粉末加入量較少不能實現(xiàn)其在復(fù)合材料中的作用，加入量過多則會是最終沉積所得涂層中的ZrB2含量會太低，導(dǎo)致其在硬度及耐磨性方面不能滿足應(yīng)用要求，而且過高的石墨含量在沉積過程中還可能會對基體起到滲碳的作用形成碳化物陶瓷從而影響到涂層與基體之間的結(jié)合。為使防護(hù)涂層具有更好的耐磨損性能、耐熔融鋅液腐蝕性能、耐熱氧化性，防護(hù)涂層厚度為10^50 Um0前述的熱鍍鋅沉沒輥的制備方法，其工藝步驟為
1)以不銹鋼輥作為基體，并進(jìn)行表面預(yù)處理將切割好的不銹鋼輥用砂紙打磨，然后對打磨后的不銹鋼輥表面進(jìn)行除油清洗，吹干備用；
2)電火花沉積JfZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料作為沉積電極，將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，將基體不銹鋼輥固定于電火花沉積設(shè)備陰極，啟動電火花沉積設(shè)備，將電火花工作槍移動至不銹鋼輥表面沉積防護(hù)涂層。為進(jìn)一步提高防護(hù)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高涂層致密性、優(yōu)化涂層組織，從而提同涂層的耐磨耐蝕性能，對其工藝步驟進(jìn)行具體闡述
步驟I):不銹鋼輥表面預(yù)處理具體為將切割好的不銹鋼輥分別用400#、600#、1000# 的砂紙逐級打磨，將不銹鋼輥放入丙酮溶液中除油清洗，然后用去離子水沖洗，吹干備用； 步驟2):電火花沉積具體為將ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料作為沉積電極；將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，將基體固定于電火花沉積設(shè)備陰極，啟動電火花沉積設(shè)備，開啟氬氣溫度控制保護(hù)裝置，側(cè)吹氬氣控制保護(hù)基體表面的溫度，啟動電火花工作槍并將其移動至不銹鋼輥表面沉積防護(hù)涂層。作為優(yōu)選，所述的除油采用超聲除油，其時間為3 5min。作為優(yōu)選，所述的ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜5 20被％石墨粉末的ZrB2粉末為原料在210(T2300°C熱壓燒結(jié)而成。作為優(yōu)選，所述的電火花沉積設(shè)備電源功率為0. 8 3KW、電壓為4(Tl00V、頻率為 10(T2000HZ。作為優(yōu)選，電火花沉積過程中采用側(cè)吹12 18L/min氬氣進(jìn)行保護(hù)，電火花沉積時間為2 5min/cm2，整個電火花沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不高于80°C。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的熱鍍鋅沉沒輥，其表面的防護(hù)涂層具有較高的表面硬度、良好的耐磨損性能、耐熔融鋅液腐蝕性能、耐熱氧化性，且與不銹鋼基體界面呈冶金結(jié)合。防護(hù)涂層顯微硬度可達(dá)Hv2200左右，提高耐磨性能8-10倍，提高使用壽命5倍左右。本發(fā)明的熱鍍鋅沉沒輥防護(hù)涂層的制備方法，采用電火花沉積工藝，采用ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，以較低的生產(chǎn)成本，提高了熱鍍鋅沉沒輥表面防護(hù)涂層的表面硬度、耐磨損性能、耐熔融鋅液腐蝕性能、耐熱氧化性，且與不銹鋼基體界面呈冶金結(jié)合。
具體實施例方式實施例I :
一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料包括5wt%的石墨和95 wt%的ZrB2 ;防護(hù)涂層厚度為50 u m。上述熱鍍鋅沉沒輥的防護(hù)涂層的制備方法，具有如下工藝步驟
I)不銹鋼輥表面預(yù)處理將切割好的不銹鋼沉沒輥分別用400#、600#、1000#的砂紙逐級打磨，將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗3 5min，然后用去離子水沖洗，吹干備用。2)電火花沉積陽極即沉積電極為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜 5wt%石墨粉末的ZrB2粉末為原料在210(T230(TC熱壓燒結(jié)而成。陰極即基體為不銹鋼輥。將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，不銹鋼輥固定于電火花沉積設(shè)備陰極， 沉積開始前沉積電極與基體不得接觸。啟動電火花沉積設(shè)備，輸入設(shè)定的電參數(shù)功率為 I. 5KW、電壓為40V、頻率為300HZ，開啟側(cè)吹氬氣保護(hù)，啟動電火花工作槍并將其移動至不銹鋼輥表面開始沉積涂層，電火花沉積時間5min/cm2，且沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不聞于80 C。實施例2
一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料包括10wt%的石墨和90 wt%的ZrB2 ;防護(hù)涂層厚度為40 u m。上述熱鍍鋅沉沒輥的防護(hù)涂層的制備方法，具有如下工藝步驟
I)沉沒輥預(yù)處理將切割好的不銹鋼沉沒輥分別用400#、600#、1000#的砂紙逐級打磨，將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗3 5min，然后用去離子水沖洗，吹干備用。2)電火花沉積陽極即沉積電極為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜 10wt%石墨粉末的ZrB2粉末為原料在210(T230(TC熱壓燒結(jié)而成。陰極即基體為不銹鋼輥。將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，不銹鋼輥固定于電火花沉積設(shè)備陰極， 沉積開始前沉積電極與基體不得接觸。啟動電火花沉積設(shè)備，輸入設(shè)定的電參數(shù)功率為
I.5KW、電壓為60V、頻率為300HZ，開啟側(cè)吹氬氣保護(hù)，啟動電火花工作槍并將其移動至不銹鋼輥表面開始沉積涂層，電火花沉積時間4min/cm2，且沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不聞于80 C。實施例3
一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料包括15wt%的石墨和85 wt%的ZrB2 ;防護(hù)涂層厚度為30 u m。上述熱鍍鋅沉沒輥的防護(hù)涂層的制備方法，具有如下工藝步驟
I)沉沒輥預(yù)處理將切割好的不銹鋼沉沒輥分別用400#、600#、1000#的砂紙逐級打磨，將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗3 5min，然后用去離子水沖洗，吹干備用。
2)電火花沉積陽極即沉積電極為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜 15wt%石墨粉末的ZrB2粉末為原料在210(T230(TC熱壓燒結(jié)而成。陰極即基體為不銹鋼輥。將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，不銹鋼輥固定于電火花沉積設(shè)備陰極， 沉積開始前沉積電極與基體不得接觸。啟動電火花沉積設(shè)備，輸入設(shè)定的電參數(shù)功率為 I. 5KW、電壓為80V、頻率為300HZ，開啟側(cè)吹氬氣保護(hù)，啟動電火花工作槍并將其移動至不銹鋼輥表面開始沉積涂層，電火花沉積時間3min/cm2，且沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不聞于80 C。實施例4
一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料包括20wt%的石墨和80wt%的ZrB2 ;防護(hù)涂層厚度為10 μ m。上述熱鍍鋅沉沒輥的防護(hù)涂層的制備方法，具有如下工藝步驟
O沉沒輥預(yù)處理將切割好的不銹鋼沉沒輥分別用400#、600#、1000#的砂紙逐級打磨，將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗3 5min，然后用去離子水沖洗，吹干備用。2)電火花沉積陽極即沉積電極為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜 20wt%石墨粉末的ZrB2粉末為原料在210(T230(TC熱壓燒結(jié)而成。陰極即基體為不銹鋼輥。將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，不銹鋼輥固定于電火花沉積設(shè)備陰極， 沉積開始前沉積電極與基體不得接觸。啟動電火花沉積設(shè)備，輸入設(shè)定的電參數(shù)功率為 I. 5KW、電壓為800V、頻率為300HZ，開啟側(cè)吹氬氣保護(hù)，啟動電火花工作槍并將其移動至不銹鋼輥表面開始沉積涂層，電火花沉積時間2min/cm2，且沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不聞于80 C。
權(quán)利要求
1.一種熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，其特征是所述的防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱鍍鋅沉沒輥，其特征是所述的ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料包括5 20wt%的石墨和80 95 wt%的ZrB2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的熱鍍鋅沉沒輥，其特征是所述的防護(hù)涂層厚度為 10 50 μ mD
4.一種制備I至3任一項所述的熱鍍鋅沉沒輥的方法，其特征在于工藝步驟為1)以不銹鋼輥作為基體，并進(jìn)行表面預(yù)處理將切割好的不銹鋼輥用砂紙打磨，然后對打磨后的不銹鋼輥表面進(jìn)行除油清洗，吹干備用；2)電火花沉積將ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料作為沉積電極，將沉積電極固定于電火花沉積設(shè)備的工作槍中，將基體固定于電火花沉積設(shè)備陰極，啟動電火花沉積設(shè)備，將電火花工作槍移動至不銹鋼輥表面沉積防護(hù)涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備熱鍍鋅沉沒輥的方法，其特征是步驟I)所述的表面預(yù)處理具體為將切割好的不銹鋼輥分別用400#、600#、1000#的砂紙逐級打磨，將不銹鋼輥放入丙酮溶液中除油清洗，然后用去離子水沖洗，吹干備用。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱鍍鋅沉沒輥的制備方法，其特征是步驟2)的沉積過程中，設(shè)有氬氣溫度控制保護(hù)裝置，采用側(cè)吹氬氣的方法控制不銹鋼棍表面的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的熱鍍鋅沉沒輥防護(hù)涂層的制備方法，其特征是步驟I) 中所述的除油為超聲除油，其時間為3 5min。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱鍍鋅沉沒輥防護(hù)涂層的制備方法，其特征是所述的 ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料，采用摻雜5 20wt%石墨粉末的ZrB2粉末為原料在 210(T230(rC熱壓燒結(jié)而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱鍍鋅沉沒輥防護(hù)涂層的制備方法，其特征是所述的電火花沉積設(shè)備電源功率為O. 8 3KW、電壓為4(Tl00V、頻率為10(Γ2000ΗΖ。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱鍍鋅沉沒輥防護(hù)涂層的制備方法，其特征是所述側(cè)吹氬氣的速度為12 18L/min，電火花沉積時間為2 5min/cm2，整個電火花沉積過程中不銹鋼輥表面的溫度不高于80°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱鍍鋅沉沒輥及其制備方法。熱鍍鋅沉沒輥，具有基體，基體表面具有防護(hù)涂層，所述的防護(hù)涂層采用電火花沉積工藝制備，所述的防護(hù)涂層的材料為ZrB2中摻有石墨的陶瓷復(fù)合材料。熱鍍鋅沉沒輥的防護(hù)涂層的制備方法的工藝步驟為1)不銹鋼輥表面預(yù)處理；2)電火花沉積。本發(fā)明以較低的生產(chǎn)成本，提高了熱鍍鋅沉沒輥表面防護(hù)涂層的表面硬度、耐磨損性能、耐熔融鋅液腐蝕性能、耐熱氧化性，且與不銹鋼基體界面呈冶金結(jié)合。
文檔編號C23C4/10GK102605310SQ20121012161
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者馮宗建 申請人:江蘇澤金激光科技有限公司