本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
磨損是金屬零件失效的三種主要原因(磨損、腐蝕和疲勞)之一。它所造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的，如美國1981年公布的數(shù)字，每年由于磨損而造成的損失高達(dá)1000億美元。其中材料消耗約為200億美元，相當(dāng)于材料年產(chǎn)量的7％。由于材料耐磨性較差，我國大量基礎(chǔ)零件的損失壽命普遍大幅度低于國外先進(jìn)產(chǎn)品的水平，因此直接及間接的經(jīng)濟(jì)損失也是十分驚人的。
僅就冶金礦山、農(nóng)機(jī)、煤炭、電力、和建材五個(gè)工業(yè)部門不完全的統(tǒng)計(jì)，每年僅由于磨料磨損而需要補(bǔ)充的備件就達(dá)100萬噸鋼材，相當(dāng)于15～20億人民幣。又如機(jī)械工業(yè)每年所用的鋼材，約有一半是消耗在備件的生產(chǎn)上，而備件中的大部分是由于磨損壽命不高而失效的，如約40％的農(nóng)機(jī)具備件是由于磨料磨損消耗的，約30％的鍋爐鋼管是由于腐蝕磨損失效的。
在冶金礦山生產(chǎn)中，機(jī)械的工況和使用環(huán)境十分惡劣，磨損失效是機(jī)械失效的主要原因。以液漿泵為例，它是用來抽取的洗礦后剩下的尾礦砂泥漿，泥漿中含有部分硬度較髙的精礦砂、沙礫以及較大的石塊，而且其中還含有硫等腐蝕性的物質(zhì)，加之運(yùn)送泥漿時(shí)需要較高的壓頭，因此泵中流體的速度很高。具有較大的沖擊力。這些工況條件決定了渣漿泵在使用時(shí)即要能承受多種形式的磨損，又要有很高的機(jī)械韌性和強(qiáng)度，因而對泵過流部件的材質(zhì)提出了很高的要求。然而單一材料的性能很難滿足這種即要有很高的機(jī)械強(qiáng)度，又要有能耐磨、耐腐的要求。
熱噴涂工藝及復(fù)合材料的產(chǎn)生，為解決這個(gè)問題開辟了一片新的前景。例如，將耐磨陶瓷材料噴涂在耐沖擊的金屬材料上，將兩種材料取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，可以滿足機(jī)械設(shè)備日益提高的機(jī)械負(fù)荷和對抗磨損性的苛刻要求。
熱噴涂復(fù)合耐磨涂層能否成功的關(guān)鍵在于耐磨性，然而噴涂材料與涂層的性質(zhì)有很大的差異，所以，只能根據(jù)噴涂材料既有性質(zhì)進(jìn)行選材，至于耐磨涂層的耐磨性需要大量的性能試驗(yàn)驗(yàn)證。耐磨涂層質(zhì)量除了與噴涂材料有關(guān)，還受到噴涂工藝與涂層結(jié)構(gòu)的影響，這涉及涂層的結(jié)合強(qiáng)度和殘余熱應(yīng)力，高結(jié)合強(qiáng)度與低殘余熱應(yīng)力是熱噴涂工藝的最終目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種復(fù)合耐磨涂層的制備方法，所述復(fù)合涂層能夠提高基體的耐磨性能。
為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1-2混合，加入直徑4-7mm的ZrO2球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)中攪拌2-8小時(shí)；
(2)將有機(jī)黏結(jié)劑溶于水或乙醇，配置成有機(jī)黏結(jié)劑溶液，與球磨后的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1-5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散后的料漿噴霧干燥，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為200-300℃，出風(fēng)溫度為80-120℃，轉(zhuǎn)速為3000-15000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)料率為0.5-1升/分鐘，得到平均粒徑為30-60μm的粉末；
(5)將所述粉末在450-750℃下處理5-10分鐘，在1000-1200℃下處理15-30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末；
(6)將基材表面進(jìn)行噴砂粗化并洗滌、干燥；
(7)采用等離子噴涂設(shè)備，對所述基材進(jìn)行等離子噴涂所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末，在基體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層。
本發(fā)明的所述等離子噴涂設(shè)備，是本領(lǐng)域的已知技術(shù)，其工藝條件的確定，可以根據(jù)本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，或者有限次試驗(yàn)進(jìn)行確定，本發(fā)明不再就其進(jìn)行限定。
本發(fā)明所述Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4的質(zhì)量比為1:2-10:0.5-2。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的基材為渣漿泵的葉輪或殼體。即：
一種渣漿泵的葉輪或殼體復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1-2混合，加入直徑4-7mm的ZrO2球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)中攪拌2-8小時(shí)；
(2)將有機(jī)黏結(jié)劑溶于水或乙醇，配置成有機(jī)黏結(jié)劑溶液，與球磨后的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1-5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散后的料漿噴霧干燥，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為200-300℃，出風(fēng)溫度為80-120℃，轉(zhuǎn)速為3000-15000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)料率為0.5-1升/分鐘，得到平均粒徑為30-60μm的粉末；
(5)將所述粉末在450-750℃下處理5-10分鐘，在1000-1200℃下處理15-30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行噴砂粗化并洗滌、干燥；
(7)采用等離子噴涂設(shè)備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行等離子噴涂所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層。
優(yōu)選的，所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層厚度為0.2-0.5mm。
優(yōu)選的，在所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層與基體表面之間等離子噴涂NiCrAl底層材料。所述NiCrAl底層材料是市售產(chǎn)品，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以購買得到，或者自己加工制備得到。例如，按照1-3:1-3:1-3的原子比復(fù)配得到。
將本發(fā)明得到的Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層基體置于水沙混合物中，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)，經(jīng)過24小時(shí)后，稱重，并與磨損前的重量進(jìn)行比較，磨損損失率低于0.01％，說明本發(fā)明制備得到的復(fù)合涂層耐磨且與基體結(jié)合緊密牢固。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實(shí)施例1
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1混合，加入直徑4mm的ZrO2球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)中攪拌2小時(shí)；
(2)將有機(jī)黏結(jié)劑溶于水或乙醇，配置成有機(jī)黏結(jié)劑溶液，與球磨后的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散后的料漿噴霧干燥，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為200℃，出風(fēng)溫度為80℃，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)料率為0.5升/分鐘，得到平均粒徑為30μm的粉末；
(5)將所述粉末在450℃下處理5分鐘，在1000℃下處理15分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行噴砂粗化并洗滌、干燥；
(7)采用等離子噴涂設(shè)備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行等離子噴涂所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層。
實(shí)施例2
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:2混合，加入直徑7mm的ZrO2球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)中攪拌8小時(shí)；
(2)將有機(jī)黏結(jié)劑溶于水或乙醇，配置成有機(jī)黏結(jié)劑溶液，與球磨后的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散后的料漿噴霧干燥，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為300℃，出風(fēng)溫度為120℃，轉(zhuǎn)速為15000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)料率為1升/分鐘，得到平均粒徑為60μm的粉末；
(5)將所述粉末在750℃下處理10分鐘，在1200℃下處理30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行噴砂粗化并洗滌、干燥；
(7)采用等離子噴涂設(shè)備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行等離子噴涂所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層。
實(shí)施例3
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1.5混合，加入直徑5mm的ZrO2球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)中攪拌5小時(shí)；
(2)將有機(jī)黏結(jié)劑溶于水或乙醇，配置成有機(jī)黏結(jié)劑溶液，與球磨后的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：3；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散后的料漿噴霧干燥，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為250℃，出風(fēng)溫度為100℃，轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)料率為0.7升/分鐘，得到平均粒徑為50μm的粉末；
(5)將所述粉末在550℃下處理8分鐘，在1100℃下處理20分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行噴砂粗化并洗滌、干燥；
(7)采用等離子噴涂設(shè)備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進(jìn)行等離子噴涂所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層。
將實(shí)施例1-3得到的Al2O3-Cr2O3-Si3N4復(fù)合耐磨涂層基體置于水沙混合物中，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)，經(jīng)過24小時(shí)后，稱重，并與磨損前的重量進(jìn)行比較，磨損損失率低于0.01％，說明實(shí)施例1-3制備得到的復(fù)合涂層耐磨且與基體結(jié)合緊密牢固。