超音速电弧喷涂材料及其在金刚石锯片防腐中的应用的制作方法

1.本发明属于材料防腐技术领域，具体涉及一种超音速电弧喷涂材料及其在金刚石锯片防腐中的应用。


背景技术：

2.金刚石锯片广泛应用于混凝土、耐火材料、石材，陶瓷等硬脆材料的加工及切割，但由于锯片中含有钢材料，在使用过程中会发生腐蚀。尤其是在沿海地区，用于锯片的冷却水中含有较多的盐分，致使锯片基体材料表面腐蚀更严重，降低了锯片基体的使用寿命。
3.金刚石锯片防腐处理主要有涂敷防锈油、化学药品或发黑处理等，使用这些方法，不够环保，且生产中容易产生废液，从而加重环境污染。
4.电弧喷涂属于热喷涂技术的一种，与其他几种常用的喷涂技术比较，主要优势是生产率相对较高，结合强度高，低能耗、低成本、稳定喷涂、操作安全等。电弧喷涂技术一个重要的应用方面是修复大尺寸的材料和维修多种航空发动机，锌铝涂层也应用于桥梁结构的维修和防腐蚀。
5.在造纸行业电弧喷涂用于加热管道以提高耐高温腐蚀性，在医疗行业使用钛涂层用于外科矫正手术以及移植手术，在汽车和船舶的零部件中用于替换一些耐磨和耐腐蚀的材料。关于电弧喷涂的研究有不少，例如，giumin liu对比了高速电弧喷涂和电弧喷涂两种方法制备的fecral涂层的性能，通过对相同工艺参数下两种涂层的微观形貌显微硬度等的观察，得到的结论是高速电弧喷涂技术制备的fecra涂层具有更加优越的性能。kuiren liu用铜盐加速乙酸盐雾试验和腐蚀失重测试测量了电弧喷涂法制备的zn-al-mg-re-si涂层的耐蚀性，并且变化涂层中si的含量制备不同涂层从而比较si含量的变化对涂层耐蚀性能的影响，他认为涂层中存在的si以及其他金属离子组成的玻璃态非平衡相能够隔绝腐蚀介质，而腐蚀初期腐蚀产物的紧密结合能够减缓腐蚀速率。jin-hong kim做了大量在船舵上制备一种合适涂层的研究，他利用电弧喷涂技术在船舵上制备了铝基，锌基，铜基和铁基涂层，并与传统的船用涂料相比较，测试了他们的抗气蚀和耐海洋腐蚀环境能力，耐腐蚀测试结果表明铝基涂层耐海洋腐蚀能力最强，而不锈钢涂层最耐气蚀。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种超音速电弧喷涂材料及其在金刚石锯片防腐中的应用，能够增强其防腐蚀性能，提高在潮湿环境中的使用寿命，同时也在一定程度上增强了锯片基体的硬度和耐磨性。
7.基于上述目的，本发明提供一种超音速电弧喷涂材料，该材料以不锈钢3cr13为主要成分，还含有si 0.50-0.60％和b 0.0003-0.005％及其他不可避免的杂质。
8.本发明还涉及所述超音速电弧喷涂材料的制备方法，该材料制备时，将不锈钢3cr13加热熔化，加入si和b进行掺杂，成型为丝材即得。
9.本发明还涉及所述超音速电弧喷涂材料在金刚石锯片防腐中的应用。
10.具体应用步骤如下：
11.s1、对锯片基体表面进行净化，去除氧化物及杂质；然后进行表面预加工和粗糙化；
12.s2、采用超音速电弧喷涂材料为丝材，通过超音速电弧喷涂设备在锯片基体表面进行喷涂，丝材在电弧区域熔化成液滴，然后在压缩气体作用下雾化成微粒，在雾化气体作用下加速飞行撞击基材形成涂层；
13.s3、喷涂完成后对涂层进行封孔，完成金刚石锯片防腐处理。
14.进一步地，表面预加工和粗糙化，清除基体表面杂物，并用表面粗糙度测试仪对喷涂部位进行检查并进一步处理。
15.进一步地，超音速电弧喷涂过程中喷枪移动速度为750-850mm/s，喷涂距离为200-300mm，涂层厚度为150-550μm。
16.进一步地，超音速电弧喷涂过程中设备的工作电流为240-260a，电压为35-50v，空气压力为65-80n。电流及电压过小难以形成致密涂层，过大容易使得丝材氧化从而效果变差。
17.进一步地，封孔处理时，在涂层表面涂油、石蜡、清漆中的一种或几种。用油漆刷蘸取少量封孔用的有机涂层材料，并均匀刷在喷涂后的基体表面，并擦除多余涂料保证表面平整干燥即可。
18.本发明具有以下有益效果：
19.1、本发明提供的超音速电弧喷涂材料，以3cr13不锈钢为主要原料，掺杂微量的si和b元素，能够提高材料的抗腐蚀性能和抗氧化性能，还能改善材料的致密性和热轧性能。
20.2、本发明利用超音速喷涂设备，对喷涂材料进行高温熔化，以压缩空气作为雾化气体，形成细小的喷涂粒子，喷涂粒子的速度超过音速，喷涂在金刚石锯片基体材料上，形成高致密度的涂层。大幅增强基材的防腐蚀性能，提高在潮湿环境中的使用寿命，同时也在一定程度上增强了锯片基体的硬度和耐磨性。
21.3、本发明在喷涂之后进行封孔处理，对于喷涂涂层中不可避免的孔隙进行封孔，进一步增强其耐腐蚀性能。
附图说明
22.图1为超音速电弧喷涂加工系统工作状态图。
23.图2为实施例1中超音速电弧喷涂后样品外观。
24.图3为实施例1涂层的表面和截面显微形貌。其中(a)(b)为表面形貌，(c)(d)为截面形貌。
25.图4为实施例1中性盐雾实验防腐蚀对比图。对照组为无喷涂75cr1钢材，实验组分别为四种不同封孔工艺的喷涂。
26.图5为实施例1喷涂材料的电化学极化曲线测试图。
27.图6为实施例1喷涂材料的交流阻抗测试。
28.图7为实施例3改变喷涂参数后的涂层形貌。
具体实施方式
29.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
30.实施例1
31.使用的喷涂材料为熔化后掺杂微量si、b元素的3cr13不锈钢，然后再次成型为丝材。其具体成分见表1。
32.表1
[0033][0034]
采用上述材料进行超音速电弧喷涂操作。
[0035]
对热处理加工好的75cr1金刚石锯片材料，先进行表面净化去掉污染物，然后在基体表面预加工，清除基体表面杂物，并用表面粗糙度测试仪对喷涂部位进行检查，并进行表面粗糙化，使得基体与涂层进行更好的结合。
[0036]
喷涂处理时，首先将喷涂用丝材在电弧区熔化为液滴，然后在压缩气体的作用下加速飞行，撞击基体表面形成涂层。超音速电弧喷涂的工艺参数设置主要是针对工作电流、电弧电压、压缩空气压力和喷涂距离四项的设定。典型的电弧喷涂工艺参数如下：直流电压40v，电流255a，空气压力70n，喷枪移动速度每秒800mm/s，喷涂距离为250mm，涂层厚度350μ m。
[0037]
喷涂后分别用涂油、石蜡、清漆封孔工艺进行封孔。同时设置对照组和仅喷涂组，其中对照组腐蚀非常严重，喷涂组防腐蚀效果明显，但是封孔后的实验组效果更好。
[0038]
超音速电弧喷涂系统图见图1。喷涂后外观见图2，其中1～4号为仅喷涂未封孔处理的样品，5～8号的样品为涂油封孔样品，9～12号的样品为石蜡封孔样品，13～16号的样品为清漆封孔样品，从图中可以看出涂层表面为黑色，为喷涂材料加热喷涂后在表面部分氧化形成。
[0039]
将加工好的材料切成金相试样，经过砂纸打磨抛光之后在金相显微镜下观察表面和截面形貌，形貌图像见图3所示。表面形貌图(a)(b)中白色部分为喷涂材料颗粒，灰色部分为喷涂材料氧化物，黑色部分为孔隙。从截面图(c)(d)中可以看到从下至上依次分布着基体，涂层，金相粉，粒子基本上大都呈扁平状，互相交错成波浪式堆叠在一起，层状结构较明显。
[0040]
为了测试喷涂后试样的防电化学腐蚀性能，将四种不同封孔工艺的喷涂后的材料与无喷涂的试样放进盐雾试验箱里，进行一周的中性盐雾试验测试。盐雾试验其试验箱温度设定为35℃，而饱和桶温度需要设为47℃，设置空压机的空气压力为0.3-0.4mpa，调整盐雾试验箱的喷雾压力水平为0.02-0.07mpa。分别把工件以垂直面呈20
°
放置在盐雾腐蚀试验箱的样品架里，并保证各工件离喷头漏斗的距离一致，各自之间的距离和裸露表面面积也保持一致，使每个试品受到的腐蚀因素相同。观察表面腐蚀情况随时间变化情况，腐蚀对比图如图4所示。从图中可以看出，未经喷涂处理的试样1h后开始生锈，经过约三天时间铁锈几乎全部充满表面。而经过喷涂的样品，经过几天时间后，表面只出现少量铁锈。而经过封孔工艺处理的样品，相比仅喷涂无封孔的样品，表面铁锈更少，几乎无铁锈存在。从实验
中可以证明，喷涂后的材料在充满电解质的盐雾环境中可以保护材料长时间不发生腐蚀。
[0041]
将加工好的材料切成1cm
×
1cm大小的试样进行电化学测试，分别测量电化学极化曲线和交流阻抗。电化学试验采用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂片为辅助电极，镀层试样为工作电极，试验溶液为3.5％(质量分数)nacl溶液，试样工作面积为1cm2。从图5喷涂材料的电化学极化曲线测试可以看出，基体材料经过喷涂后，材料的反应速率均减小。从图6喷涂材料的交流阻抗测试中可以看出，喷涂后材料的交流阻抗明显增大，腐蚀速率变慢。
[0042]
实施例2
[0043]
喷涂材料2-1：3cr13不锈钢中掺杂微量si、b元素，3cr13不锈钢熔化后掺杂微量si、b元素再次成型为丝材备用，具体同实施例1；
[0044]
喷涂材料2-2：3cr13不锈钢丝材。
[0045]
喷涂材料2-3：3cr13不锈钢丝材99.4％、si 0.60％。
[0046]
喷涂材料2-4：3cr13不锈钢丝材99.995％、b 0.005％。
[0047]
采用上述材料进行超音速电弧喷涂操作。基材为75cr1金刚石锯片材料。
[0048]
具体步骤为：
[0049]
s 1、对锯片基体表面进行净化，去除氧化物及杂质；然后进行表面预加工和粗糙化；
[0050]
s2、采用超音速电弧喷涂材料为丝材，通过超音速电弧喷涂设备在锯片基体表面进行喷涂，丝材在电弧区域熔化成液滴，然后在压缩气体作用下雾化成微粒，在雾化气体作用下加速飞行撞击基材形成涂层；其中电弧喷涂工艺参数如下：直流电压40v，电流255a，空气压力70n，喷枪移动速度800mm/s，喷涂距离为250mm，涂层厚度350μm。
[0051]
s3、喷涂完成后采用石蜡对涂层进行封孔，完成金刚石锯片防腐处理。
[0052]
通过上述处理得到的锯片基体试样进行测试，见下表2。
[0053]
表2
[0054][0055]
根据表2的电化学拟合结果可知，实例2-1的腐蚀电流(腐蚀速率)均小于其他三种，而腐蚀电位(腐蚀反应发生所需要的条件)均高于其他三种，因此实例2-1有更好的耐电化学腐蚀性能。
[0056]
实施例3：
[0057]
喷涂材料：3cr13不锈钢中掺杂微量si、b元素，3cr13不锈钢熔化后掺杂微量si、b元素再次成型为丝材备用，具体同实施例1；
[0058]
喷涂方法3-1：
[0059]
s1、对锯片基体表面进行净化，去除氧化物及杂质；然后进行表面预加工和粗糙化；
[0060]
s2、采用超音速电弧喷涂材料为丝材，通过超音速电弧喷涂设备在锯片基体表面进行喷涂，丝材在电弧区域熔化成液滴，然后在压缩气体作用下雾化成微粒，在雾化气体作用下加速飞行撞击基材形成涂层；其中电弧喷涂工艺参数如下：直流电压40v，电流255a，空气压力70n，喷枪移动速度每秒800mm/s，喷涂距离为250mm，涂层厚度350μ m。
[0061]
s3、喷涂完成后采用石蜡对涂层进行封孔，完成金刚石锯片防腐处理。
[0062]
喷涂方法3-2，同3-1，区别仅在于电压变为50v。
[0063]
喷涂方法3-3，同3-1，区别仅在于喷涂距离变为200mm。
[0064]
喷涂方法3-4，同3-1，区别仅在于涂层厚度变为450μ m。
[0065]
通过上述处理得到的锯片基体试样涂层形貌见图7。通过增大喷涂系统电压(加大喷涂功率)、缩短喷涂距离，喷涂涂层的层状结构变得更加明显和均匀，同时涂层孔隙(图中黑色部分)数量减少，涂层致密性增加，涂层阻止腐蚀介质透过能力即防腐蚀性能提升。而增加涂层厚度虽不能改变涂层致密性，却减缓了腐蚀介质到达基体的过程，一定程度上也提高了涂层防腐蚀性能。
[0066]
表3
[0067][0068]
另外从表3电化学测试拟合数据中可以看出，改变喷涂参数虽然对腐蚀电流(即腐蚀速率)的影响看不出差别，然而改变喷涂参数后腐蚀电位却有增加，即在热力学(腐蚀难度)方面提升了材料的耐腐蚀能力。
[0069]
超音速电弧喷涂的工艺参数设置主要是针对工作电流、电弧电压、压缩空气压力和喷涂距离四项的设定。其中电流决定了丝材的进给速度，电弧电压决定了电弧的稳定，丝材熔化的速度，丝材成分的烧损程度和粒子的氧化程度，压缩空气压力决定了熔融粒子的雾化程度以及与基材撞击时的飞行速度，喷涂距离主要是为了使粒子速度和雾化气体速度达到最佳配比。工艺参数的设定，对涂层性能具有显著的影响。
[0070]
本发明的具体应用领域仅为本发明的较佳实施例，但本发明的应用范围并不局限于此。上述实施例只为说明本发明的技术思路和特点，所述内容仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等效变化或改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1. 一种超音速电弧喷涂材料，其特征在于：该材料含按质量分数计的以下原料：si 0.50-0.60%、b 0.0003-0.005%，剩余为不锈钢3cr13以及不可避免的杂质。2.权利要求1所述的超音速电弧喷涂材料的制备方法，其特征在于：该材料制备时，将不锈钢3cr13加热熔化，加入si和b熔融状态混匀进行掺杂，再成型为丝材。3.权利要求1所述的超音速电弧喷涂材料在锯片类切割工具防腐中的应用。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，具体步骤如下：s1、对锯片基体表面进行净化，去除氧化物及杂质；然后进行表面预加工和粗糙化；s2、采用超音速电弧喷涂材料为丝材，通过超音速电弧喷涂设备在锯片基体表面进行喷涂，丝材在电弧区域熔化成液滴，然后在压缩气体作用下雾化成微粒，在雾化气体作用下加速飞行撞击基材形成涂层；s3、喷涂完成后对涂层进行封孔，完成金刚石锯片防腐处理。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：表面预加工和粗糙化，清除基体表面杂物，粗糙化处理后用表面粗糙度测试仪对喷涂部位进行检查至符合要求。6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：超音速电弧喷涂过程中喷枪移动速度为750-850mm/s，喷涂距离为200-300mm，涂层厚度为150-550μm。7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：超音速电弧喷涂过程中设备的工作电流为240-260a，电压为35-50v，空气压力为65-80n。8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：封孔处理时，在涂层表面涂油、石蜡、清漆中的一种或几种。9.根据权利要求3~8任意一项所述的应用，其特征在于：锯片为金刚石锯片或硬质合金锯片。

技术总结
本发明提供了一种超音速电弧喷涂材料及其在金刚石锯片防腐中的应用，该材料包括按质量分数计的以下原料：不锈钢3Cr13为主要成分、Si 0.50-0.60%和B 0.0003-0.005%。具体防腐处理时，以超音速电弧喷涂系统为喷涂工具，将材料进行高温熔化后，采用压缩空气作为雾化气体进行喷涂，在金刚石锯片基体材料上。该处理能够在金刚石锯片表面形成高致密度的涂层，增强其防腐蚀性能，提高在潮湿环境中的使用寿命，同时也在一定程度上增强锯片基体的硬度和耐磨性。磨性。磨性。


技术研发人员：吴齐 孙爽 张露 方发强
受保护的技术使用者：黑旋风锯业股份有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/14