專利名稱：一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，屬于材料加工工程專業(yè)材料表面強(qiáng)化領(lǐng)域。主要用于制備金屬零部件表面耐磨、耐蝕涂層，可應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工程機(jī)械、礦山機(jī)械等大量金屬零部件承受著嚴(yán)重的磨粒磨損，維護(hù)工作量大，損失嚴(yán)重。Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性能，在金屬零部件表面制備ー層Al2O3陶瓷/金屬耐磨復(fù)合涂層，可大幅度延長金屬零部件的使用壽命。然而，傳統(tǒng)的表面技術(shù)不適用于在金屬零部件表面制備厚度達(dá)3_12mm的Al2O3陶瓷/金屬復(fù)合涂層。自蔓延高溫合成不僅可以合成 所需的陶瓷材料，而且還可以直接制備涂層，但目前成功的應(yīng)用僅限于制備陶瓷內(nèi)襯鋼管，主要原因是高溫自蔓延合成陶瓷涂層的物化性能與鋼基體存在很大的差異，自蔓延合成陶瓷涂層與鋼基體主要呈機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，嚴(yán)重地制約著高溫自蔓延合成陶瓷涂層的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過對涂層結(jié)構(gòu)和涂層材料的設(shè)計(jì)，制備出了與鋼基體呈冶金結(jié)合的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合材料涂層，為制備金屬零部件表面耐磨涂層開辟了一條新的途徑。本發(fā)明的目的在于提供ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法。本發(fā)明的目的是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其特征在于合成方法步驟如下
(1)選用Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取50%-62%Ni0、38%-50%Al的過渡層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)獲得的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為l_3mm，再將步驟(3)獲得的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為5-15mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點(diǎn)火用鎂條，在碳鋼試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時(shí)，點(diǎn)燃鎂條，引發(fā)合成體系反應(yīng)，待體系反應(yīng)結(jié)束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；(7)關(guān)閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時(shí)，取出試樣。所述的在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述的氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的厚度為6-12mm，復(fù)合涂層的成分是Al203、Fe、Cr和FeAl2O4,孔隙率低，硬度達(dá)到1200-2450HV0.2。本發(fā)明的有益效果
采用燃燒合成技木，在碳鋼表面成功合成了氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層，過渡層和エ作層的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，成分配比適當(dāng)，在碳鋼基體表面獲得了ー層平整、致密、與基體結(jié)合良好的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；涂層組織均勻，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低，顯微硬度達(dá)到1200-2450HVa2，耐磨性能好，涂層與碳鋼基體形成有效冶金結(jié)合。


附圖I :實(shí)施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層裝置示意圖 附圖2 :實(shí)施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜 附圖3 :實(shí)施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層宏觀形貌
附圖4 :實(shí)施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面形貌 附圖5 :實(shí)施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面硬度分布圖 附圖6 :實(shí)施例2制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面形貌 附圖7 :實(shí)施例3制備的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面形貌 附圖標(biāo)記
I一底座，2一石墨相·禍，3—石英砂,4一點(diǎn)火用鎂條，5一工作涂層，6—過渡層,7—碳鋼基體，8—井式加熱爐。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(1)選用長X寬X高(厚)為50IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取60.00%Ni0和40. 00%A1的過渡層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取67.74%A1、19. 35%Fe203、12. 90%Cr203的工作層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)獲得的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為2mm，再將步驟(3)獲得的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為IOmm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點(diǎn)火用鎂條，在碳鋼試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至500°C時(shí)，點(diǎn)燃鎂條，引發(fā)合成體系反應(yīng)，待體系反應(yīng)結(jié)束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；
(7)關(guān)閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時(shí)，取出試樣。實(shí)施例I制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖I。
在Q235碳鋼(7—)基體上，先后涂刷上過渡層粉末(6—)和工作層粉末(5—)，在工作層粉末上插上點(diǎn)火用鎂條(4一)，將該碳鋼試樣放入直徑Φ80πιπι的石墨坩堝(2—)中，在其周圍鋪上石英砂(3—)，在井式加熱爐(8—)內(nèi)放置ー塊100*100*80mm的耐火磚底座(I一)，最后將石墨相·禍放在底座上。實(shí)施例I制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層的XRD分析見圖2。從譜圖中分析可得，涂層由Fe、Cr、Al2O3和Ni等物相組成。由方程式(I) (2) (3)可知，F(xiàn)e、Cr、Al203和Ni都是反應(yīng)產(chǎn)物，沒有未反應(yīng)的原始物相出現(xiàn)，說明反應(yīng)非常完全。
Fe203+2A1 — Al203+2Fe (I)
Cr203+2A1 — Al203+2Cr (2)
3Ni0+2Al — Al203+3Ni (3) 實(shí)施例I制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層的宏觀形貌如圖3所示。由圖可知，涂層的表面連續(xù)、平整，沒有明顯的坑洼，也沒有出現(xiàn)孔洞，涂層中存在孤立的金屬相顆粒。實(shí)施例I制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層的截面形貌圖如圖4所示。由圖可知，涂層組織均勻，結(jié)構(gòu)致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂層之中。涂層與基體結(jié)合良好，界面處并沒有出現(xiàn)裂縫。由線掃描曲線可知，界面元素?cái)U(kuò)散明顯，已經(jīng)達(dá)到了 30 μ m，說明界面微區(qū)已經(jīng)形成了冶金結(jié)合。實(shí)施例I制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層厚度為9. 5mm，涂層的截面硬度分布見圖5，為 1200-2450HV02o實(shí)施例2 :—種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(1)選用長X寬X高(厚)為50IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取54.55%Ni0和45. 45%A1的過渡層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取67.74%A1、22. 58%Fe203、9. 68%Cr203的工作層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為1mm，再將步驟
(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為13mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點(diǎn)火，用鎂條試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至400°C時(shí)，點(diǎn)燃鎂條，引發(fā)燃燒合成體系反應(yīng)，待體系反應(yīng)結(jié)束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；
(7)關(guān)閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時(shí)，取出試樣。實(shí)施例2制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面形貌如圖6。由圖可知，涂層結(jié)構(gòu)致密，沒有出現(xiàn)孔洞或空隙，組織比較均勻。涂層與碳鋼基體界面處結(jié)合狀況好。合成的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層厚度為11mm，涂層的截面硬度為1200-2300HVq.2。實(shí)施例3 :—種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(I)選用長X寬X高(厚)為50 IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取50.00%Ni0和50. 00%A1的過渡層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取71.43%A1、17. 14%Fe203、ll. 43%Cr203的工作層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為3mm，再將步驟
(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為8mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點(diǎn)火用鎂條，試樣周圍鋪上石英砂； (6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時(shí)，點(diǎn)燃鎂條，引發(fā)燃燒合成體系反應(yīng)，待體系反應(yīng)結(jié)束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；
(7)關(guān)閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時(shí)，取出試樣。實(shí)施例3制備的陶瓷-金屬復(fù)合涂層截面形貌如圖7。由圖可知，涂層與基體結(jié)合非常好，界面處沒有出現(xiàn)任何裂縫或孔洞，涂層組織比較均勻。合成的Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層厚度為8mm，涂層的截面硬度1200-2250HVq.2.
權(quán)利要求
1.一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其特征在于合成方法步驟如下(1)選用Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；(2)按摩爾百分比稱取50%-62%Ni0、38%-50%Al的過渡層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；(3)按摩爾百分比稱取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作層粉末，并在球磨機(jī)中用酒精濕混5小時(shí)，均勻，成膏狀，待用；(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為l_3mm，再將步驟(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為5-15mm ；(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，試樣周圍鋪上石英砂，在工作層粉末上插上點(diǎn)火用鎂條；(6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時(shí)，點(diǎn)燃鎂條，引發(fā)燃燒合成體系反應(yīng)，待體系反應(yīng)結(jié)束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復(fù)合涂層；(7)關(guān)閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時(shí)，取出試樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述的氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的厚度為6-12mm，復(fù)合涂層的成分是Al203、Fe、 Cr和FeAl2O4，孔隙率低，硬度達(dá)到1200_2450HVa2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層的方法，包括如下步驟噴砂去除碳鋼基體表面氧化皮后，在其表面先后涂刷一定厚度和成分配比的過渡層和工作層粉末，并插上鎂條，然后將涂刷好的碳鋼試樣放置在坩堝中，周圍鋪上石英砂，最后將坩堝置于井式加熱爐中加熱到一定溫度，點(diǎn)燃鎂條引發(fā)反應(yīng)。本發(fā)明在碳鋼基體表面燃燒合成的氧化鋁陶瓷-金屬復(fù)合涂層，表面平整，孔隙率低，顯微硬度達(dá)到1200-2450HV0.2，涂層與碳鋼基體界面處元素?cái)U(kuò)散距離達(dá)到30μm，形成冶金結(jié)合，結(jié)合性能優(yōu)異。涂層具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕性能。本發(fā)明可廣泛用于碳鋼基體大面積防腐耐磨涂層的制備，能顯著提高機(jī)械零部件長效防腐和磨損性能。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102978609SQ201210561040
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者王澤華, 薛小鋒, 周澤華, 江少群, 王長浩, 程江波, 王剛 申請人:河海大學(xué)