热喷涂铁基材料在印刷业耐磨防护上的应用
K. Bobzin， T. Schlaefer， T. Warda， M. Schaefer， Aachen/D
热 喷 涂 技 术2011年12月
摘 要：与典型的耐磨防护材料（如金属陶瓷）相比，铁基材料不仅对人体更健康、更具有环境友好性，而且在材料成本和加工费用方面，其经济效益也更明显。当喷涂粉末的粒度非常细时（小于 15um），所获得的涂层表面更光滑，而且能获得相对较薄的、致密的、接近净成形的涂层。这就会降低涂层材料及加工的费用。本研究采用大气等离子（APS）喷涂粒度为 5~15um的铁基细粉制备印刷行业耐磨防护涂层。为了避免细的铁基粉末在喷涂过程中的氧化问题，本研究设计并制备了一个防护罩。在 APS设备上安装了这种特殊的防护罩以防止铁基材料的氧化；本文对所制备涂层的显微组织、显微硬度、化学成分、相组成和表面粗糙度进行了分析，同时介绍了这种涂层所产生的经济效益。
关键词：铁基粉末；等离子喷涂；耐磨性；抗氧化；热喷涂
与金属陶瓷和硬质金属材料相比，铁基材料对人体安全、对环境友好且价格低廉[1]，同时还具有较高的韧性和可加工性[2]。喷涂细粉会在喷涂材料和涂层的可加工性方面获得一定的经济效益，相关的核算研究正在进行。这些研究主要集中在喷涂两种粒度范围（- 12+2μm，- 15+5μm） 的 WC/Co 细粉[3- 6]。采用这种粒度的细粉喷涂可以制备致密的、在各部位近净成形的高质量涂层，由此可以减少后续砂带磨削等机械加工的费用。
喷涂过程中的氧化问题是采用超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂细铁基粉末面临的主要问题。印刷工业中的油墨辊涂层需要有足够的耐腐蚀性能同时涂层要求薄而尺寸均匀。这就要求涂层具有较低的氧含量。因此，本研究开发了一个专用于APS F4 喷枪（生产厂家：Sulzer Metco, Hattersheim,Germany)的防护罩，并喷涂了粒度范围在 - 15+5 μm之间的细铁粉，研究了在有无防护罩两种情况下所得涂层的显微组织、硬度、化学成分、氧化物含量和表面粗糙度，以及涂层的剪切力、耐磨、耐蚀性能。
1 试验
本研究的重点是降低喷涂过程中氧气的含量和喷涂超细铁基粉末所得涂层中的氧化物含量。文献[7- 9]表明粒子在喷涂过程中的氧化主要是从表面开始的，并且可以分为两个阶段：其一是粒子飞行过程中的氧化，其二是粒子碰撞到基体后产生的直接氧化。粒子飞行过程中的氧化主要由飞行周围的空气提供氧，而粒子撞击后的氧化主要是由于热喷射带来的氧化环境造成的。因此，当喷涂超细粉末时，就很容易发生粒子从表面到中心的完全氧化现象。为了减少氧化行为的发生，本研究开发了一个专用于单阴极 APS F4 喷枪（生产厂家：Sulzer Met-co, Hattersheim, Germany)的遮蔽罩，并且可以采用CFD（计算流体力学）系统进行模拟。基于前期喷涂超细铁基粉末的研究结果[10]，喷涂参数如下：氩气（SLPM）40～50；氢气（SLPM）0～4.0；电流 400～500A；喷距 100～140 mm；涂层转速 500mm/s；送粉量 20g/min；粉末载气 (Ar)（SLPM）2.8；保护气体压力 8.0 N2；送粉罐的型号为 TWIN120- H （生产厂家：Sulzer Metco, Hattersheim, Germany)。图 1 为遮蔽罩的设计图及喷涂过程中安装在 F4- HBS 上的实物图。
1.1 材料
本 文 采 用 Corodur Verschleiss- Schutz GmbH（Thale, Germany） 公司生产的气雾化铁基粉末，牌号为 Durthal 55B，粉末的化学成分见表 1。本文选用两种规格的基体试样：管状试样，基材牌号为1.4301（0Cr18Ni9），外径为 57mm，高度为 25mm；片状试样，基材牌号 1.4301（0Cr18Ni9），直径 20mm，厚度 5mm。
号为 Durthal 55B，粉末的化学成分见表 1。本文选用两种规格的基体试样：管状试样，基材牌号为1.4301（0Cr18Ni9），外径为 57mm，高度为 25mm；片状试样，基材牌号 1.4301（0Cr18Ni9），直径 20mm，厚度 5mm。
2 结果与讨论
本研究通过安装的防护罩减少粒子飞行中受空气的影响以降低涂层中氧化物的含量，并且通过CFD（计算流体力学）模拟计算了氧化物含量减少的程度。在监视粒子飞行轨迹之后进行了喷涂试验研究。
2.1 CFD 模拟计算
本文依据 CFD模拟计算的结果设计开发了 F4喷枪的遮蔽罩，遮蔽罩的几何形状由软件计算产生，并与之吻合。本文采用的 CFD 软件为商用的Fluent6.3 版本。图 2 显示的是该软件计算的几个例子和相应的空气的质量分数（遮蔽罩内部的 N2 压力为 8bar，保护气喷射角度为 0（°），22.5（°），45.0（°）。因为采用的是大气等离子喷涂，所以遮蔽罩外部的空气质量分数为 100%，而在对称中心轴上，也就是等离子体集中的位置上则没有空气存在（空气质量分数为 0）。通常在距离遮蔽罩出口越远的位置，空气的质量分数越高，而遮蔽罩内部空气的质量分数一般会在 30%以下，具体的数值随着保护气喷射角度的不同而变化。遮蔽罩装置中的氮气有以下两方面的功能：外围的氮气可以隔离喷涂环境中的空气，内层的氮气可以防护等离子体和粒子对遮蔽罩内壁的侵蚀。在喷距 100mm的范围内，理想条件下，空气的质量分数都可以维持在 10%～30%，因此，粒子飞行中和直接碰撞氧化的可能性都会降低。
2.2 涂层的金相组织和氧化物含量
本文开发的遮蔽罩适用于大气等离子喷涂系统的 F4- HBS 喷枪，喷涂参数见表 1。图 3 为涂层的截面形貌，其中右边的为有遮蔽罩保护情况下制备的涂层，左边的则为无遮蔽罩保护情况下制备的涂层，两者的喷涂参数相同。从图 3 中可以看出，左图中的黑色物相多于右图中的，根据 AvioVision 光学软件图像分析和 XRD、EDX 分析结果表明，这些黑色物相为 FeCr2O4[11]，而且氧化物含量的最低值为4%。在有无遮蔽罩两种情况下喷涂所得涂层中的氧化物含量都随着喷涂距离的增加而减小，这表明随着喷涂距离的增加，遮蔽的影响在减小。采用100mm 喷距制备的涂层中的氧含量要高于采用120mm 喷距制备的，这可能是因为等离子气流的影响，这一结果也被文献[7- 9]所提及，这种论断还需进一步开展研究工作来证实。
图 4 为涂层的显微硬度。每个涂层测量了 15个点，HV0.1 的数值在 800～900 之间。Durthal 55B粉末的 HV0.025 为 1300。采用合适的参数可以获得孔隙率小于 1%的涂层，并且涂层的表面粗糙度数值 Ra 小于 2um。
2.3 涂层中氧化物含量
图 5 为采用遮蔽罩制备涂层中氧化物含量数值，该项试验测试在亚堔大学的冶金过程与金属循环利用学院进行。从图中可以看出，相对于无遮蔽罩的情况，涂层中的氧含量降低超过 55%，并且在100mm 到 140mm 范围内，随着喷距的增加，遮蔽罩内的保护气流的影响效果略有下降，表现为涂层中的氧含量上升（约 10%）。这可能是因为遮蔽罩内保护气的速率随距离增大而降低，同时空气的混合量会增加。图 6 为涂层中具体的氧含量数值，从图中可以看出，喷涂参数为 H2= 4 SLPM，Ar = 40 SLPM，I = 400 A，dS = 100～120 时对应获得涂层的氧含量最小值为 0.35%。
3 结论
本研究开发并成功应用了适合大气等离子喷涂系统 F4- HBS 喷枪的遮蔽罩。采用牌号为Durthal 55B 铁基粉末进行喷涂时，与无遮蔽罩相比，有遮蔽罩时制备的涂层中氧含量降低超过55%，而且涂层的显微硬度和微观组织不受影响。涂层的耐磨性、冲击行为和剪切强度正在试验中。考虑到耐腐蚀性能，本文还开发了更细的铁基粉末(X260Ni ，Carpenter Powder Products GmbH，Dues-seldorf，Germany)。其化学组成如下：Cr26.8%，Ni11.5% ，V2.2% ，Mo 1.2% ，Mn0.7% ，Nb1.4% ，C2.6% ，FeBal.。本研究会进一步测试它的耐磨性、耐蚀性、抗冲击性和润湿性。涂层的耐蚀性会使用印刷工业的废液进行测试，同时会以 NiCrBSi、316L和镀硬铬涂层作为对比；除了等离子喷涂，也会采用HVOF 喷涂技术制备涂层。
如同本文最初所提到的，本研究的目的之一是开发一种具有经济效益的涂层系统，其材料和涂层可加工性都要考虑。目前 Ni 基合金或金属陶瓷的价格基本上是铁基合金价格的 2 倍，根据世界银行2009 年 6 月的预报，到 2020 年镍的价格会上涨50%，而铁的价格会降低 25%；根据合金元素和数量的不同，铁基合金的价格在 20 到 25 欧元之间波动。就喷涂之后的加工过程而言，光滑的表面可以直接进行磨削加工，涂层的加工时间会大大缩短。对于表面粗糙度为 3um 的陶瓷来说，磨削的时间为 4：1。考虑到经济和生态环保因素，铁基材料在耐磨耐蚀性能上取代其他材料是非常有潜力的。
4 致谢
本文的研究工作受到德国财政经济技术委员会和德国焊接学会的支持 （IGF- Nr.:15.501 N /DVS- Nr.: 2.001），作者在此一并致谢。
参考文献略
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