液压支柱表面防护涂层用的Fe基非晶粉末及其应用方法技术

本发明专利技术公开了液压支柱表面防护涂层用的Fe基非晶粉末及其应用方法。涂层由Fe基非晶粉末喷涂制备，粉末包含：B 11.0~15.0at%、N 1.0~2.0at%、Si 1.0~2.6at%、Cr 11.5~13.5at%、Cu 1.5~3.5at%、Nb 5.5~6.5at%、Mo 2.0~3.0at%，余量为Fe，其他杂质M（M=C、Al、S、P等）含量不大于0.1at%，粒径为20~54μm。在该体系中，B、N可以有效提高涂层的原子堆积密度，同时，涂层部分晶化时析出的硼化物、氮化物为硬质纳米颗粒，可以有效提高涂层的力学性能，从而提高其耐磨损性能；Cr、Nb、Mo、Si元素的加入可以促进涂层表面钝化膜的形成与修复，从而提高涂层的耐腐蚀性能；Cu的加入可以在含硫离子的环境中形成Cu2S和CuS沉淀，它们覆盖在涂层表面形成一层硫化物膜，并抑制H2S的腐蚀。S的腐蚀。S的腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
液压支柱表面防护涂层用的Fe基非晶粉末及其应用方法


[0001]本专利技术属于材料加工工程的热喷涂
，尤其涉及液压支柱表面防护涂层用的Fe基非晶粉末及其应用方法。

技术介绍

[0002]液压支柱在煤炭开采领域应用广泛，主要用于煤矿的巷道支撑和工作面支护，保有量巨大。然而，煤矿井下工作环境恶劣，且含有H2S等腐蚀性介质；溶于水的H2S会对金属材料产生很强的腐蚀作用，H2S溶于水中后电离呈酸性，使液压支柱受到电化学腐蚀，造成管壁减薄或局部点蚀穿孔。腐蚀过程中产生的氢原子被钢铁吸收后，在液压支柱冶金缺陷区富集，可能导致钢材脆化，萌生裂纹，导致开裂。H2S的腐蚀直接影响到了安全生产。此外，液压支柱在服役过程中常因反复接触煤粉、煤矸石粉等而遭受磨损。腐蚀磨损耦合损伤导致的液压支柱破坏是制约煤矿安全高效开采的关键因素之一。
[0003]目前，生产厂家主要通过电镀Cr和激光熔覆技术在液压支柱表面制备防护涂层以延长其服役寿命。然而，电镀Cr会造成严重的环境污染，激光熔覆技术制备涂层时基体发生部分熔化，涂层成分难以控制，此外，激光熔覆存在效率低、涂层易开裂等缺点，严重限制了其应用。
[0004]公开该
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部分的信息仅旨在加深对本专利技术总体
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的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种Fe基非晶粉末，采用高速空气燃料喷涂(High Velocity Air
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fuelSpraying，HVAF)技术将其喷涂至液压支柱表面。并通过调整喷涂工艺调控涂层的组织结构及纳米晶含量，获得一种耐磨损抗腐蚀的新型防护涂层，提高液压支柱表面耐磨损和抗腐蚀的能力，从而有效延长液压支柱的服役寿命。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种Fe基非晶粉末，Fe基非晶粉末的元素组成及各元素原子百分比如下所示：B 11.0～15.0at％、N 1.0～2.0at％、Si 1.0～2.6at％、Cr 11.5～13.5at％、Cu 1.5～3.5at％、Nb 5.5～6.5at％、Mo 2.0～3.0at％，其他杂质M≤0.1at％，M为C、Al、S和P等中的一种或多种，余量为Fe。Fe基非晶粉末为近球形结构，粒径为20～54μm。
[0008]根据已有的非晶形成理论，一个体系是否能形成非晶结构通常采用非晶形成能力(Glass Forming Ability，GFA)来衡量，而GFA又与体系的混合焓、混合熵、原子错配度、电子浓度等密切相关，且这些特征量均是体系成分的函数。因此，本专利技术以与Fe原子具有负的混合焓的B、N、Si、Cr、Nb、Mo作为体系的组成元素，以降低体系的总混合焓，提高其GFA。然而，目前GFA尚无法量化，因此本专利技术采用热力学参数Ω和原子错配度δ作为GFA的定量判据(参见《Prediction ofhigh
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entropy stabilized solid
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solution in multi
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component alloys》，Yang X.等，第237页，Materials Chemistry and Physics，2012年2月)，根据热力
学原理，Ω≥1.1，δ≤6.6％的体系更倾向于形成固溶体，即晶体相；而Ω＜1.1，δ＞6.6％的体系更倾向于形成非晶或金属间化合物。若将目前已发现的非晶体系对应的Ω和δ作Ω
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δ图，可以发现它们基本集中在Ω<1，δ>6.5的区域。本专利技术通过限定体系Ω<1，δ>6.5，以最大限度地保证体系具有高的GFA，以得到Fe基非晶粉末。
[0009]在本专利技术的Fe基非晶粉末体系中，B、N元素的原子半径最小，与Fe的原子半径差大于12％，可以作为体系中的小原子，有效提高体系的原子堆积密度；将粉末应用于制备液压支柱表面防护涂层，涂层部分晶化时析出的硼化物、氮化物为硬质纳米颗粒，相对Fe基非晶合金的强度与硬度等具有显著的提升效果，可以有效提高涂层的力学性能，从而提高其耐磨损性能；Si为类金属原子，Cr、Cu的原子半径与Fe原子相近，因此作为体系中的中间原子：而Nb和M的原子半径最大，与Fe的原子半径差也超过了12％，可以作为体系中的大原子。体系中原子尺寸按照小中大呈梯度分布，可以有效提高体系的拓扑结构密度及原子错配度，提高体系的GFA，以确保获得完全非晶态的Fe基非晶粉末，这是制备非晶纳米晶涂层的基础，而涂层的非晶纳米晶结构则是其优异耐腐蚀抗磨损性能的基础。在非晶纳米晶涂层中，Cr、Nb、Mo、Si以原子态均匀地分布在涂层表面，可以促进涂层表面钝化膜的形成与动态修复，从而提高涂层的耐腐蚀性能；Cu的加入可以在含硫离子的环境中形成Cu2S和CuS沉淀，它们覆盖在涂层表面形成一层硫化物膜，并抑制H2S的腐蚀。但是H2S与金属反应时会产生H2，由于氢原子半径只有0.025nm，可轻易向涂层内扩散，这些H2会在涂层内聚集产生极大的内应力，引发微裂纹，并导致氢脆，从而加速涂层的腐蚀磨损过程。因此Cu的含量不宜过高，设置为1.5～3.5at％。B、Cr、Mo可以降低H2在涂层中的扩散速度，同时强化纳米晶界，因此添加了较多的B和Cr(以同时提高δ并降低Ω)；而Mo价格昂贵，但在不锈钢中添加2wt％的Mo就可以提高抗氢脆性能，因此本专利技术在保证GFA的情况下设置为2.0～3.0at％(3.7～5.5wt％)。N会增加原子畸变程度，不锈钢中N含量的质量百分比超过0.56wt％时脆性会提高，因此本专利技术中设置为1.0～2.0at％(0.27％～0.54wt％)。Nb的泊松比最大(0.3816)，添加5.5～6.5at％可以有效提高非晶涂层的泊松比，进而提高其延展性，增强抗腐蚀磨损性能。Si的含量过高也会增加涂层的脆性，因此设置为1.0～2.6at％。以保证制备的液压支柱表面防护涂层的力学性能和耐磨损性能。
[0010]作为优选的，Fe基非晶粉末的元素组成及各元素原子百分比如下所示：B12.0～14.0at％、N1.3～1.7at％、Si1.0～2.0at％、Cr12.0～13.0at％、Cu2.0～3.0at％、Nb6.0～6.5at％、Mo2.5～3.0at％，其他杂质M≤0.1at％，M为C、Al、S和P等中的一种或多种，余量为Fe。
[0011]进一步的，Fe基非晶粉末的元素组成及各元素原子百分比如下所示：B13.0at％、N1.5at％、Si1.8at％、Cr12.5at％、Cu2.5at％，Nb6.0at％、Mo2.5at％，余量为Fe及其他杂质(<0.1at％)，此时体系的Ω＝0.9933，δ＝13.96％，易于形成非晶结构。
[0012]本专利技术的第二个目的是提供一种Fe基非晶粉末的制备方法，得到近球形结构，粒径为20～54μm，且圆整度高的Fe基非晶粉末。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Fe基非晶粉末，其特征在于，所述Fe基非晶粉末的元素组成及各元素原子百分比如下所示：B 11.0~15.0at%、N 1.0~2.0at%、Si 1.0~2.6at%、Cr 11.5~13.5at%、Cu 1.5~3.5at%、Nb 5.5~6.5at%、Mo 2.0~3.0at%，其他杂质M≤0.1at%，M为C、Al、S和P等中的一种或多种，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的一种Fe基非晶粉末，其特征在于，所述Fe基非晶粉末的粒径为20~54μm。3.根据权利要求1所述的一种Fe基非晶粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S01：按照元素的成分配比，准确计算并称量原材料；S02：将步骤S01称取的原材料加入真空感应电磁炉进行熔炼并搅拌均匀，获得熔融液体，S03：将步骤S02获得的熔融液体进行气体雾化处理，通过干燥、分级后获得Fe基非晶粉末。4.根据权利要求3所述的一种Fe基非晶粉末的制备方法，其特征在于，步骤S01中，原材料为高纯硼铁合金、纯Fe、纯Cr、纯Cu、纯Nb粉、纯Mo粉、纯Si粉和纯Si3N4粉。5.根据权利要求3或4所述的一种Fe基非晶粉末的制备方法，其特征在于，步骤S02中，真空感应电磁炉的加热温度为2640~2660℃。6.根据权利要求3或4所述的一种Fe基非晶粉末的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉萍，汪煜钧，郑源，
申请(专利权)人：河海大学智能感知技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：