專利名稱：電弧噴涂制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工程中的表面工程領(lǐng)域，是利用電弧噴涂的方法來(lái)制備一種性能良好的金屬基陶瓷復(fù)合涂層，主要應(yīng)用于防腐、耐磨、裝飾等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，以金屬為基底的陶瓷涂層發(fā)展很快，在金屬基底上涂陶瓷涂層，能把陶瓷材料的特點(diǎn)和金屬材料的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使材料兼具有金屬的強(qiáng)韌性、可加工性等特性及陶瓷的絕緣性、耐高溫、耐磨損及耐腐蝕等性能。制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層的方法很多，有噴涂法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、復(fù)合鍍、溶膠凝膠、原位反應(yīng)法。熱噴涂是表面工程中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，應(yīng)用于產(chǎn)品制造和設(shè)備維修，能提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，挽回廢舊件的經(jīng)濟(jì)損失，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，現(xiàn)已在航天、航空、冶金、機(jī)械制造、煤炭、電力、化工、紡織等工業(yè)部門得到應(yīng)用。熱噴涂技術(shù)主要有火焰噴涂、超音速噴涂、等離子噴涂和電弧噴涂。表1列出了各種噴涂方法的特點(diǎn)。
1 火焰噴涂是利用氣體燃燒發(fā)出的熱量進(jìn)行噴涂，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，工藝成熟，投資少等優(yōu)點(diǎn)，另外它的火焰溫度一般為3000℃，只適用于低熔點(diǎn)材料噴涂，不能用來(lái)噴涂熔點(diǎn)很高的陶瓷材料。
2 超音速火焰噴涂(HVOF)噴涂粒子飛行速度高，沖擊能量大，可形成致密、結(jié)合力高的噴涂層，尤其適合于噴涂碳化物和硼化物等金屬陶瓷材料。但是超音速火焰噴涂噴涂成本太高，設(shè)備復(fù)雜不易現(xiàn)場(chǎng)操作。
3 等離子噴涂孔隙率低，結(jié)合性好，用途多，基材溫度低，無(wú)污染，射流高溫區(qū)的溫度可達(dá)到10000K以上，能熔化所有的固體物質(zhì)，尤其適用于噴涂陶瓷涂層，美國(guó)、日本等國(guó)的等離子噴涂發(fā)展較快，但是等離子噴涂成本高，不宜現(xiàn)場(chǎng)操作，大大限制了它的生產(chǎn)應(yīng)用。
4 電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極利用兩根金屬絲端部短路產(chǎn)生的電弧使絲材熔化，用壓縮氣體把已熔化的金屬霧化呈微熔滴，并使其加速以很高的速度沉積到基體表面形成涂層的熱噴涂方法。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是(1)生產(chǎn)效率高；(2)能源利用率高，能耗少；(3)成本低；(4)易于現(xiàn)場(chǎng)操作。但是電弧噴涂實(shí)芯絲材難以得到金屬基陶瓷復(fù)合涂層，實(shí)心絲材一般要經(jīng)過熔煉、澆注、鍛造、軋制和拔絲等工序，噴涂的材料必須導(dǎo)電，因此對(duì)陶瓷材料無(wú)能為力，只適用于噴涂金屬及合金。
經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)外未見電弧噴涂粉芯線材制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層的專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用電弧噴涂粉芯線材的方法制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層，解決了陶瓷粉不導(dǎo)電的問題。通過采用合理的電弧噴涂參數(shù)，得到性能良好的金屬基陶瓷復(fù)合涂層。
本發(fā)明提供了一種電弧噴涂制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)，其特征在于，它包括以下步驟(1)、采用現(xiàn)有技術(shù)制備金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材；(2)、在噴涂之前采用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)噴涂基材進(jìn)行除污、噴砂處理；(3)、使用上述步驟(1)中制成金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材在經(jīng)過上述除污、噴砂處理的噴涂基材表面上，按照現(xiàn)有技術(shù)中的電弧噴涂時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層。
粉芯線材是由金屬外皮和粉芯組成，調(diào)節(jié)金屬外皮和粉芯成分或調(diào)節(jié)加粉系數(shù)即可調(diào)節(jié)涂層成分，因此調(diào)節(jié)涂層非常容易，而且質(zhì)量好，成分低，使用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。
本發(fā)明中粉芯線材與其他粉芯線材不同在于金屬外皮包裹的是陶瓷粉。


圖1粉芯線材軋制過程示意圖；圖2實(shí)施例中幾種涂層在650℃時(shí)的氧化動(dòng)力學(xué)曲線。
具體實(shí)施例方式
此試驗(yàn)中粉芯線材的制備選用Cr3C2、Al2O3、TiO2陶瓷粉末，質(zhì)量百分比含量為天然金紅石(TiO2)10-20％，Al2O310-30％，Cr3C260-80％。
天然金紅石(TiO2)少量的Ti不僅可以起到抗氧化作用，同時(shí)改變了氧化膜的力學(xué)性能，提到了氧化膜的韌性，增加了涂層和基體的結(jié)合力，有效地防止了氧化膜的剝落。
Al2O3具有相當(dāng)好的耐磨性，Al也是比較常見的且有實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值的耐高溫腐蝕元素。
Cr3C2具有很高的硬度，Cr與氧的親和力很強(qiáng)，高溫氧化時(shí)能在金屬表面形成Cr3O2膜，有良好的抗高溫氧化和熱腐蝕的能力。
采用昆明重機(jī)廠生產(chǎn)的“FCWM50被動(dòng)拉拔式藥芯焊絲機(jī)”制造噴涂絲，軋制過程見圖1。材料為14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的低碳冷軋鋼帶。先將其軋成U形，再向U形槽中加入配置好的Cr3C2、Al2O3、TiO2藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占噴涂絲總重的百分率)為34-36％，將U形槽合口，使藥粉包裹其中。
基材選用20號(hào)鋼，噴涂前全部基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.55MPa，噴涂設(shè)備是JZY型電弧噴涂機(jī)，噴涂工藝參數(shù)見表2。
實(shí)施例1將材料為14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的低碳冷軋鋼帶軋成U形，再向U形槽中加入配置好的質(zhì)量百分比為Cr3C2粉末60％、Al2O3粉末30％、TiO2粉末10％的Cr3C2、Al2O3、TiO2藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占噴涂絲總重的百分率)為34％，將U形槽合口，使藥粉包裹其中，制成粉芯線材。噴涂基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.55MPa。用制成的粉芯線材在處理好的基材表面按照表2中的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行電弧噴涂。
實(shí)施例2將材料為14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的低碳冷軋鋼帶軋成U形，再向U形槽中加入配置好的質(zhì)量百分比為Cr3C2粉末65％、Al2O3粉末15％、TiO2粉末20％的Cr3C2、Al2O3、TiO2藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占噴涂絲總重的百分率)為35％，將U形槽合口，使藥粉包裹其中，制成粉芯線材。噴涂基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.55MPa。用制成的粉芯線材在處理好的基材表面按照表2中的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行電弧噴涂。
實(shí)施例3將材料為14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的低碳冷軋鋼帶軋成U形，再向U形槽中加入配置好的質(zhì)量百分比為Cr3C2粉末70％、Al2O3粉末15％、TiO2粉末15％的Cr3C2、Al2O3、TiO2藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占噴涂絲總重的百分率)為35％，將U形槽合口，使藥粉包裹其中，制成粉芯線材。噴涂基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.55MPa。用制成的粉芯線材在處理好的基材表面按照表2中的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行電弧噴涂。
實(shí)施例4將材料為14×0.3(寬度為14mm，厚度為0.3mm)的低碳冷軋鋼帶軋成U形，再向U形槽中加入配置好的質(zhì)量百分比為Cr3C2粉末80％、Al2O3粉末10％、TiO2粉末10％的Cr3C2、Al2O3、TiO2藥粉，藥粉的填充率(藥粉重量占噴涂絲總重的百分率)為36％，將U形槽合口，使藥粉包裹其中，制成粉芯線材。噴涂基材用質(zhì)量百分比濃度為99.8％丙酮清洗，粒度為25目的金剛玉砂噴砂后進(jìn)行電弧噴涂，噴砂壓力為0.55MPa。用制成的粉芯線材在處理好的基材表面按照表2中的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行電弧噴涂。噴涂之后進(jìn)行表面洛氏硬度、結(jié)合強(qiáng)度和抗高溫氧化性能測(cè)試。表3是涂層的表面洛氏硬度，試樣選用55×25×5mm，涂層厚度為0.5mm.。表4是涂層結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)標(biāo)GB9796-88中所規(guī)定的拉力實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試，涂層厚度為0.3mm.。表5是涂層抗高溫氧化性能，試樣選用10×10φmm的圓柱體，涂層厚0.5mm，在650℃下加熱100個(gè)小時(shí)。
實(shí)施例中得到的粉芯線材送絲容易，電弧穩(wěn)定，工藝穩(wěn)定，粉末燃燒較充分，得到鐵基陶瓷復(fù)合涂層，涂層表面質(zhì)量較好。通過表3、4、5可以看出涂層有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，良好的抗高溫氧化性能，并且成本低，主要適用于鍋爐“四管”的表面氧化腐蝕問題。
本發(fā)明不局限于實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)就可以適用于電弧噴涂制備其它金屬基(Ni、Zn或Cu基等)陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)。
表1等離子噴涂火焰噴涂法電弧噴涂法超音速火焰法法粒子沖擊速 200-500 50-70 342-388 425-675度(m/s)近似溫度值 5000-100003000 5000 2900(K)孔隙率(％) 1-10 10-15 10-15 1-10
結(jié)合強(qiáng)度 30-70 5-1010-30 50-70(Mpa)優(yōu)點(diǎn) 孔隙率低， 設(shè)備簡(jiǎn)單， 成本低，效 孔隙率低，結(jié)合性好， 工藝靈活率高。污染 結(jié)合性好，多用途，基 低，基材溫 材料氧化、材溫度低， 度低分解受到抑無(wú)污染 制限制 成本高 通?？紫堵? 只應(yīng)用于導(dǎo) 噪音大，成較高，結(jié)合 電噴涂材本高，粉末性差，對(duì)工 料，通常孔 尺寸要求嚴(yán)件要加熱隙率較高格表2

表3

表4

權(quán)利要求
1.一種電弧噴涂制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)，其特征在于，它包括以下步驟(1)、采用現(xiàn)有技術(shù)制備金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材；(2)、在噴涂之前采用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)噴涂基材進(jìn)行除污、噴砂處理；(3)、使用上述步驟(1)中制成金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材在經(jīng)過上述除污、噴砂處理的噴涂基材表面上，按照現(xiàn)有技術(shù)中的電弧噴涂時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層。
全文摘要
一種電弧噴涂制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)屬于材料加工工程中的表面工程領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種電弧噴涂制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)，解決了陶瓷粉不導(dǎo)電的問題，包括以下步驟采用現(xiàn)有技術(shù)制備金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材；在噴涂之前采用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)噴涂基材進(jìn)行除污、噴砂處理；使用上述步驟中制成金屬外皮包裹陶瓷粉的粉芯線材在經(jīng)過上述除污、噴砂處理的噴涂基材表面上，按照現(xiàn)有技術(shù)中的電弧噴涂時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層。電弧噴涂生產(chǎn)效率高；能源利用率高，能耗少；成本低；易于現(xiàn)場(chǎng)操作；涂層有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，良好的抗高溫氧化性能，主要應(yīng)用于防腐、耐磨、裝飾等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C23C4/10GK1528942SQ20031010013
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者栗卓新, 王江萍, 魏琪, 蔣建敏, 賀定勇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)