CN111910143A

CN111910143A - 一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN111910143A
Application number: CN202010746042.5A
Authority: CN
Inventors: 于振涛; 李伦; 张亚峰; 余森; 赵利渊; 何卫敏; 汶彬彬; 牛金龙; 王云; 倪园
Original assignee: Jinan University; Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Jinan University; Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明公开了一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层及其制备方法与应用。该涂层由纯金属/陶瓷粉末复合所得的粉芯丝材通过热喷涂技术制得，其中粉芯丝材包括外包皮和内芯两部分，外包皮为纯金属，内芯为陶瓷粉末与纯金属粉末的混合物，纯金属粉末占内芯体积的7～30％，外包皮与内芯的体积比为30：70～70：30。所述粉芯丝材中纯金属粉末起到增塑剂和导电剂的作用。本发明所得涂层具有厚度适中、内部组织致密、陶瓷相分布均匀、结合力强以及制备方法简单易行、成本低廉等特点。

Description

一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合涂层技术领域，具体涉及一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层及其制备方法与应用。

背景技术

自上世纪80年代以来，电弧喷涂作为热喷涂中成本最低、最适宜大面积推广的一种先进实用技术，促进了其在金属耐磨抗蚀领域中的研究和应用。然而电弧喷涂技术的原理决定了它通常只能采用导电的金属丝材进行喷涂，因此很多硬度高、高耐磨、延展性差且不导电的材料就难以获得应用，并且所用金属丝原材料加工难度大、成本高。随着粉芯丝材的问世以及超音速等高速电弧喷涂设备的研制成功，不仅克服了多元合金成分带来的丝材原材料加工难题，同时也使一些不导电的化合物(陶瓷)粉体材料得以推广应用。但是，随着粉芯丝材中不导电的陶瓷粉末添加量的增加，一则增加了粉芯丝材的加工难度和制造成本，二则在电弧喷涂中会存在一些不能充分发生熔解反应的原始陶瓷颗粒，从而影响了涂层质量，这不利于强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和抗冲刷的新型特种功能涂层的研制开发。因此，研发低成本高性能的硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层已成为未来重点研究方向。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层。

本发明的另一目的在于提供上述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，由纯金属/陶瓷粉末复合所得的粉芯丝材通过热喷涂技术制得，其中粉芯丝材包括外包皮和内芯两部分，外包皮为纯金属，内芯为陶瓷粉末与纯金属粉末的混合物，纯金属粉末占内芯体积的7～30％，外包皮与内芯的体积比为30：70～70：30。

优选的，所述纯金属和纯金属粉末均为冷加工塑性好的黑色和/或有色金属；更优选为纯钛Ti、纯镍Ni、纯铁Fe、纯铝Al、纯铜Cu和纯锌Zn中的至少一种。

优选的，所述陶瓷粉末为TiB₂、TiO₂、TiC、Al₂O₃、Cr₂O₃、CrB、BN、WC、SiC和B₄C中的至少一种。

优选的，所述陶瓷粉末的粒径为3～30μm；所述纯金属粉末的粒径为30～50μm。

优选的，所述热喷涂技术为电弧喷涂技术；更优选为超音速电弧喷涂技术。

优选的，所述粉芯丝材的直径为1.5～3.0mm。

优选的，所述硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的厚度为100～600μm。

优选的，所述纯金属粉末占内芯体积的10～20％；外包皮与内芯的体积比为35：65～65：35。

上述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

将陶瓷粉末和纯金属粉末混合均匀，填充入纯金属管中，密封纯金属管两端，超声振荡使管内粉末填充均匀，将其拉丝至直径为1.5～3.0mm，然后热处理，电弧喷涂，得到硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层。

优选的，所述陶瓷粉末和纯金属粉末经混合均匀并干燥后再填充入纯金属管中。

优选的，所述纯金属粉末占陶瓷粉末和纯金属粉末总体积的7～30％；更优选为10～20％。

优选的，所述陶瓷粉末和纯金属粉末的总体积与纯金属管壁(即外包皮)的体积比为70：30～30：70；更优选为65：35～35：65。

优选的，所述密封纯金属管两端采用氩弧焊或碾头机进行。

优选的，所述拉丝指采用拉丝机经过8～10个模次加工。

优选的，所述热处理的温度为400～800℃，时间为10～30min。所述热处理的目的在于消除粉芯丝材内部残余应力并提高金属及陶瓷粒子之间的浸润性。

优选的，所述电弧喷涂的工艺为：电弧电压28～34V，工作电流160～200A，压缩空气压力0.4～0.8MPa，喷涂距离150～200mm。

所述超声振荡为本领域常规超声操作。

上述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的应用。

优选的，所述硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层在制备耐磨抗蚀管道及零部件中的应用。

更优选的，所述耐磨抗蚀管道及零部件用于≤700℃的大气及油水气环境下。

本发明选用纯金属/陶瓷粉末的粉芯丝材，采用电弧喷涂技术制备厚度适中、内部组织致密、陶瓷相分布均匀、结合力强的硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，满足中高温大气及油水气等环境下耐磨抗蚀管道及零部件的长效应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明具有制备方法简单易行、成本低廉以及所制涂层内部组织致密、陶瓷相分布均匀等特点。

(2)本发明通过添加纯金属粉末作为增加粉芯丝材加工塑性并同时提高其导电性的调节剂，一则便于硬质陶瓷颗粒与塑性好的金属粉末之间可软硬相互镶嵌，利于粉芯丝材冷加工时外管壁的减径以及内部芯粉的流动性和致密化；二则适量金属粉末的均匀混入可提高粉芯丝材的导电性，利于电弧触发、稳弧以及陶瓷粒子的高温熔融雾化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

选用直径4毫米、壁厚0.2mm的纯钛管TA₂，在其管内填入已经通过球磨充分混合均匀且干燥的碳化硼B₄C粉末(3-10μm)和纯钛粉(30-50μm)，B₄C粉末和纯钛粉两者体积百分比约为10:1，两端采用碾头机进行封口，并采用超声波机械振动使内部粉末填充均匀。随后采用拉丝机将其经过10个模次加工至直径2毫米规定尺寸，此时粉芯丝材内部粉芯得到进一步致密化，粉芯体积含量占比约64％，亦即外包皮TA₂与内芯(B₄C粉末和纯钛粉末)的体积含量配比约为36：64。

电弧喷涂前将该粉芯丝材经过600℃/15min、空气中冷却的短时热处理。选择规格为10×100×200mm的Q235钢板作为基材，采用TRS300型超音速电弧喷涂设备将粉芯丝材制备成硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，喷涂工艺主要参数设定为：电弧电压30，工作电流160，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离180mm。

本实施例所制得金属陶瓷复合涂层厚度300±30μm(采用自带刻度标尺的扫描电子显微镜(SEM)标定)，平均孔隙率约3％(使用Image-Pro Plus软件对涂层孔隙进行标定并测试，具体采用标定区域的孔隙面积除以总面积获得，每个试样选定不同区域三张SEM图片进行标定并取平均值)，涂层结合强度≥32MPa(参照ASTMC633-2001标准)，涂层显微硬度HV0.1为1100±70(选用MVS-1000IMT2维氏硬度计，每个区域测10个点平均值)，耐磨性较Q235钢提高2.5倍(根据ASTM-G65-71标准，采用常见干式橡胶轮磨粒磨损试验机，试样磨损时间15分钟，采用失重法测量)。涂层成分经X射线衍射分析仪(XRD)物相分析主要为钛的氧化物(TiO₂、Ti₃O₅、TiO)，以及少量B₂O₃、TiB₂、TiC化合物硬质颗粒物。

实施例2

选用直径4毫米、壁厚0.4mm的纯铁管，在其管内填入已经通过球磨充分混合均匀且干燥的碳化硼TiC、硼铁FeB陶瓷粉末及少量纯钛粉、纯铬粉，其中陶瓷粉末粒径区间5～15μm，金属粉末粒径区间30～50μm，其中TiC与FeB的体积比为1:1，纯钛粉、纯铬粉的体积比为1:1，纯钛粉、纯铬粉两者体积百分比之和约为TiC和FeB粉末总体积之和的1/10，两端采用氩弧焊进行封口，并采用超声波机械振动使内部粉末填充均匀。随后采用四模旋锻机将其经过8个模次加工至直径2毫米规定尺寸，此时粉芯丝材内部粉芯得到进一步致密化，粉芯体积含量占比约36％，亦即外包皮纯铁管/内芯(陶瓷粉末与纯金属粉末)的体积含量配比为64:36。

电弧喷涂前将该粉芯丝材经过500℃/15min、空气中冷却的短时热处理。选择规格为10×100×200mm的Q235钢板为基材，采用JZY-250型电弧喷涂系统将粉芯丝材制备成硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，喷涂工艺主要参数为：电弧电压30V，工作电流180A，压缩空气压力0.55MPa，喷涂距离150mm。

按照实施例1的测试方法，本实施例所制得金属陶瓷复合涂层厚度500±50μm，平均孔隙率约2％，涂层结合强度约为50MPa，涂层显微硬度最高值HV0.1达到1600以上，耐磨性较Q235钢提高5倍。涂层成分主要为FeCr、FeTiO的氧化物相，以及少量残余TiC硬质相和Fe₃O₄氧化物、Fe₂Ti金属间化合物。

对比例1

采用内芯不加辅助金属粉末的，与实施例1同种工艺条件下，喷涂中发现电流波动较大，电弧不稳定，熔融颗粒存在飞溅现象。所制涂层稍微变薄，结合强度略微降低，虽然涂层显微硬度增加了(由于原始硬质B₄C陶瓷粉末未完全分解而残留较多)但耐磨性反而降低了。

按照实施例1的测试方法，本对比例所制得金属陶瓷复合涂层厚度250±30μm，平均孔隙率约5％，涂层结合强度≥25MPa，涂层显微硬度HV0.1为1300±70，耐磨性较Q235钢提高约2.0倍。涂层成分主要为钛的氧化物(TiO₂、Ti₃O₅、TiO)，以及少量B₄C、B₂O₃、TiB₂、TiC化合物硬质颗粒物。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，由纯金属/陶瓷粉末复合所得的粉芯丝材通过热喷涂技术制得，其中粉芯丝材包括外包皮和内芯两部分，外包皮为纯金属，内芯为陶瓷粉末与纯金属粉末的混合物，纯金属粉末占内芯体积的7～30％，外包皮与内芯的体积比为30：70～70：30。

2.根据权利要求1所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述陶瓷粉末的粒径为3～30μm；所述纯金属粉末的粒径为30～50μm。

3.根据权利要求1或2所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述纯金属和纯金属粉末均为纯钛、纯镍、纯铁、纯铝、纯铜和纯锌中的至少一种；所述陶瓷粉末为TiB₂、TiO₂、TiC、Al₂O₃、Cr₂O₃、CrB、BN、WC、SiC和B₄C中的至少一种。

4.根据权利要求3所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述粉芯丝材的直径为1.5～3.0mm；所述硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的厚度为100～600μm；所述热喷涂技术为电弧喷涂技术。

5.根据权利要求3所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，纯金属粉末占内芯体积的10～20％；外包皮与内芯的体积比为35：65～65：35。

6.权利要求1～5任一项所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述纯金属粉末占陶瓷粉末和纯金属粉末总体积的7～30％；所述陶瓷粉末和纯金属粉末的总体积与纯金属管壁的体积比为70：30～30：70；所述热处理的温度为400～800℃，时间为10～30min。

8.根据权利要求6或7所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述电弧喷涂的工艺为：电弧电压28～34V，工作电流160～200A，压缩空气压力0.4～0.8MPa，喷涂距离150～200mm。

9.根据权利要求8所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述拉丝指采用拉丝机经过8～10个模次加工；所述密封纯金属管两端采用氩弧焊或碾头机进行。

10.权利要求1～5任一项所述一种硬质耐磨抗蚀金属陶瓷复合涂层的应用。