專利名稱：鋼基陶瓷梯度材料涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼基陶瓷梯度材料涂層，特別涉及一種在鋼基零部件表面涂敷Fe/Al2O3梯度材料涂層，以及它們的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，鋼鐵是工程上應(yīng)用最多的材料之一，但由于其耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能的局限性，在冶金、化工、機(jī)械等行業(yè)許多鋼制零部件長期處于高溫、磨損和腐蝕嚴(yán)重的工況環(huán)境下使用，常因表面的局部磨損、腐蝕破壞等導(dǎo)致整個部件失效，由此每年帶來數(shù)億美元的經(jīng)濟(jì)損失。陶瓷具有硬度高、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)異性能，但其韌性低，可以設(shè)想，與金屬復(fù)合將會具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，由于在汽車、冶金和能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，F(xiàn)e/Al2O3復(fù)合材料的研究備受關(guān)注。科學(xué)家們利用等離子噴涂、激光熔覆等離子噴涂、爆炸噴涂、溶膠-凝膠(Sol-gel)等方法制備了Al2O3涂覆鋼基材料，以期提高鋼基零部件的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能。
國內(nèi)外對Fe/Al2O3梯度復(fù)合鋼基材料的研究報(bào)道較少。在金屬表面獲得陶瓷涂層的方法很多，最常用的是熱噴涂方法。熱噴涂方法包括等離子噴涂、激光熔覆等離子噴涂和爆炸噴涂等。但等離子噴涂、激光熔覆等離子噴涂工藝復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，爆炸噴涂價(jià)格昂貴，沉積速度低，所以，應(yīng)用上受到了一定的限制，而且存在不穩(wěn)定的γ-Al2O3晶型及難以致密等缺點(diǎn)，而且由于金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不匹配，導(dǎo)致基體與涂層間結(jié)合強(qiáng)度低，使用過程中常發(fā)生開裂或剝落等現(xiàn)象。因而沒有從根本上消除或緩和陶瓷與金屬間界面的熱應(yīng)力，在工程上成功應(yīng)用的實(shí)例尚未見有報(bào)道。
濕法工藝就是把待涂覆的原材料制成溶液、懸浮液或料漿，噴涂或者刷到基材上，經(jīng)蒸發(fā)或加熱使其產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散效應(yīng)而形成涂層。濕法技術(shù)中發(fā)展最快，最引人注目的是溶膠-凝膠法(Sol-gel)，它包括反應(yīng)物水解(對多組分首先是絡(luò)合)、縮聚和干燥、加熱處理等步驟。此法的主要特點(diǎn)是(1)反應(yīng)物是在分子級程度的低粘度的液體中進(jìn)行混和反應(yīng)，能制備高純度、高均質(zhì)的產(chǎn)品。(2)反應(yīng)可以在較低的溫度下進(jìn)行，故能在廣泛的基體上制備陶瓷涂層。(3)能控制凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。(4)所需設(shè)備價(jià)廉，操作簡單。因此，溶膠-凝膠的研究成為當(dāng)今玻璃、陶瓷學(xué)科最活躍的課題之一。美國加州大學(xué)的研究者將其作為為了宇航陶瓷的研究課題。這種方法對制作涂層特別有利，這是因?yàn)樵诳s聚和干燥的過程中要釋放出水或乙醇，涂層不像整體那樣容易出現(xiàn)氣泡裂紋等缺陷。八十年代初期已經(jīng)制成致密的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅、氧化鈰、氧化釷以及溶膠-凝膠法制備的超導(dǎo)涂層。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種鋼基陶瓷梯度材料涂層，可以提高鋼零部件的使用壽命，提高其耐磨、耐腐蝕以及高溫抗氧化等性能，使其即具有鋼的性能又有氧化鋁陶瓷的性能，希望在某些領(lǐng)域能替代鋼，以便能在更多的領(lǐng)域使用更長的時間。
本發(fā)明的另一目的，在于提供上述鋼基涂層的制備方法，該制備方法制備的鋼基涂層具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)，能有效地消除層與層間以及涂層與鋼基體間的宏觀應(yīng)力，使界面結(jié)合強(qiáng)度適中，以獲得性能比較優(yōu)越、制備方法易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的鋼基陶瓷梯度材料涂層，依次由內(nèi)層、中間層和外層組成，含有Al2O3、Fe和Al，其特別之處在于由內(nèi)向外，其Al2O3的重量百分比由內(nèi)層的10～20％逐漸升高至外層的100％，F(xiàn)e的重量百分比由內(nèi)層的65～85％逐漸降低至外層的0％，Al的重量百分比由內(nèi)層的5～15％逐漸降低至外層的0％。所有成分均呈準(zhǔn)連續(xù)變化。
本發(fā)明的鋼基陶瓷梯度材料涂層，所述中間層的Al2O3的重量百分比為45～55％，F(xiàn)e的重量百分比為35～45％，Al的重量百分比為3～12％。
本發(fā)明的鋼基陶瓷梯度材料涂層，所述中間層分為三層，由內(nèi)向外Al2O3的含量逐漸升高，F(xiàn)e的含量逐漸降低，Al的含量逐漸降低。
上述的本發(fā)明的鋼基陶瓷梯度材料涂層的制備方法，采用以下步驟所述的內(nèi)層和中間層分別采用噴涂法在鋼基體上噴涂制成，所用的噴涂料漿是由Fe粉、Al粉和α-Al2O3粉配成的Fe/Al2O3混合料漿；外層采用溶膠-凝膠法涂敷Al(OH)3溶膠制成；然后進(jìn)行燒結(jié)、保溫、冷卻、出爐。
上述本發(fā)明的制備方法，所述的Al(OH)3溶膠的原料為硫酸鋁、氨水和分散劑三乙醇胺。Al(OH)3溶膠制備的主要化學(xué)反應(yīng)式如下
上述本發(fā)明的制備方法，F(xiàn)e/Al2O3混合料漿的溶劑是重量百分含量為40～60％無水乙醇和60～40％酊酮組成的共沸溶劑，其中Fe/Al2O3混合料漿中Fe/Al2O3(所述的Fe/Al2O3代表Fe、Al2O3、Al三種組份之和，下同)的重量百分比為20～30％。
上述本發(fā)明的制備方法，噴涂時料漿粘度為45～50cp，噴槍的氣壓為0.25～0.4Mpa，噴涂距離為15～20cm。
上述本發(fā)明的制備方法，分散劑三乙醇胺占Al(OH)3溶膠重量百分比為0.5～1％，涂敷時涂覆粘度為12～22cp，潤濕時間為10～15min，提拉速度為0.2～2mm/s，涂敷后自然干燥8h以上。
上述本發(fā)明的制備方法，燒結(jié)設(shè)備為無壓燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度為1100～1200℃，保溫時間為0.5～1小時。
本發(fā)明將梯度材料的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于金屬基陶瓷涂層，采用噴涂法及噴涂法和溶膠-凝膠法相結(jié)合在鋼基體上制備出鋼基陶瓷梯度材料涂層，F(xiàn)e、Al和Al2O3呈梯度變化，α-Al2O3的重量百分含量從鋼基體側(cè)向外逐漸增加，而鐵粉和鋁粉的重量百分含量逐漸減少，三者均呈準(zhǔn)連續(xù)變化。內(nèi)層中鐵的含量較高，與鋼基的結(jié)合力較大，外層中Al2O3的含量最高，其使用壽命、耐磨性、耐腐蝕以及高溫抗氧化性均有較大提高。另外，由于各組分的含量是呈準(zhǔn)連續(xù)變化的，可以有效地消除層與層間以及涂層與鋼基體間的宏觀應(yīng)力，結(jié)合強(qiáng)度更好。
本發(fā)明制備的復(fù)合材料表面硬度大約是鋼基體的8倍；相同條件下磨損量大約是鋼基體的十分之一；耐腐蝕性能比鋼基體明顯優(yōu)越。
本發(fā)明將梯度材料的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于金屬基陶瓷涂層，采用噴涂法及噴涂法和溶膠-凝膠法相結(jié)合在鋼基體上制備出多層Fe/Al2O3涂層，大大提高表面涂層與鋼基體間的結(jié)合強(qiáng)度。普通氧化鋁涂層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度大約為8.16Mpa，而本發(fā)明的梯度涂層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度平均達(dá)到17.62Mpa。
在相同條件下測定材料的維氏硬度，本發(fā)明的梯度涂層硬度平均達(dá)到4.1338GPa，而鋼基體的平均硬度為0.5042GPa。
相同條件下測量材料的耐磨性，本發(fā)明的梯度涂層的磨損量平均為4.119×10-3g/min，而鋼基體的磨損量平均為38.744×10-3g/min。
在相同條件下測定材料的耐腐蝕性，本發(fā)明的梯度涂層均比鋼基體優(yōu)越。鋼基體表面被嚴(yán)重腐蝕，而復(fù)合材料表面只是輕微的受腐蝕。
因此，本發(fā)明的鋼基陶瓷梯度材料涂層，具有耐磨、耐腐蝕、高溫抗氧化性好、高溫?zé)釋W(xué)性能穩(wěn)定，與鋼基體物理化學(xué)匹配性好，采用梯度復(fù)合技術(shù)能有效地消除層與層間以及涂層與鋼基體間的宏觀應(yīng)力使界面結(jié)合強(qiáng)度適中。
本發(fā)明的制備方法，采用工藝簡單、易于工業(yè)化的噴涂法和溶膠-凝膠技術(shù)，可大幅度提高鋼零部件地使用壽命，且具有制備工藝、設(shè)備簡單、便于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。
(四)
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本實(shí)施例的鋼基陶瓷梯度材料涂層，由內(nèi)向外，依次由內(nèi)層、中間層和外層三層組成，各層中α-Al2O3、Fe和Al的重量百分比分別見表1。
表1

具體工藝如下本試驗(yàn)選用45#鋼為基體材料，對其表面進(jìn)行打磨拋光處理。分別采用噴涂法以及噴涂法和溶膠-凝膠法相結(jié)合兩種方法在鋼基體上制備三層Fe/Al2O3涂層，內(nèi)層和中間層采用噴涂法在鋼基體上噴涂Fe/Al2O3混合料漿，最外層采用溶膠-凝膠法在坯體上涂敷Al(OH)3溶膠，最后在同一溫度下致密燒結(jié)制備鋼基Fe/Al2O3梯度涂層復(fù)合材料。
本發(fā)明制備Fe/Al2O3混合料漿所用溶劑是重量百分含量為40～60％無水乙醇和60～40％酊酮組成的共沸溶劑，其中料漿中最佳粉料重量百分含量20～30％，噴涂時料漿粘度為45～50cp，噴槍的氣壓0.25～0.4Mpa，噴涂距離15～20cm。
Al(OH)3溶膠的原料為硫酸鋁、氨水和分散劑三乙醇胺。分散劑三乙醇胺占總質(zhì)量的0.5～1％，涂敷時涂覆粘度12～22cp，潤濕時間10～15min，提拉速度0.2～2mm/s，涂敷后坯體必須自然干燥8h以上。
本發(fā)明所述的燒結(jié)設(shè)備為傳統(tǒng)的無壓燒結(jié)爐，最終燒結(jié)溫度1100～1200℃，最佳保溫時間為0.5～1小時，升溫速度400℃以前不易過快，為3～5℃/min，400℃以后可適當(dāng)加快升溫速度，為10～20℃/min。
實(shí)施例2本實(shí)施例的鋼基陶瓷梯度材料涂層，由內(nèi)向外，依次由內(nèi)層、中間層和外層組成，中間層又分為三層，共五層。各層中Al2O3、Fe和Al的重量百分比分別見表2。
表2

其制備與實(shí)施例1基本相同。
實(shí)施例3本實(shí)施例的鋼基陶瓷梯度材料涂層，由內(nèi)向外，依次由內(nèi)層、中間層和外層組成，中間層又分為三層，共五層。各層中Al2O3、Fe和Al的重量百分比分別見表3。
表3

其制備與實(shí)施例1基本相同。
實(shí)施例4本實(shí)施例的鋼基陶瓷梯度材料涂層，由內(nèi)向外，依次由內(nèi)層、中間層和外層組成，中間層又分為四層，共六層。各層中Al2O3、Fe和Al的重量百分比分別見表4。
表4

其制備與實(shí)施例1基本相同。
權(quán)利要求
1.一種鋼基陶瓷梯度材料涂層，依次由內(nèi)層、中間層和外層組成，含有Al2O3、Fe和Al，其特征在于由內(nèi)向外，其Al2O3的重量百分比由內(nèi)層的10～20％逐漸升高至外層的100％，F(xiàn)e的重量百分比由內(nèi)層的65～85％逐漸降低至外層的0％，Al的重量百分比由內(nèi)層的5～15％逐漸降低至外層的0％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼基陶瓷梯度材料涂層，其特征在于所述中間層的Al2O3的重量百分比為45～55％，F(xiàn)e的重量百分比為35～45％，Al的的重量百分比為3～12％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼基陶瓷梯度材料涂層，其特征在于所述中間層分為三層，由內(nèi)向外Al2O3的含量逐漸升高，F(xiàn)e的含量逐漸降低，Al的含量逐漸降低。
4.一種權(quán)利要求1或2所述的鋼基陶瓷梯度材料涂層的制備方法，其特征在于采用以下步驟，所述的內(nèi)層和中間層分別采用噴涂法在鋼基體上噴涂制成，所用的噴涂料漿是由Fe粉、Al粉和α-Al2O3粉配成的Fe/Al2O3混合料漿；外層采用溶膠-凝膠法涂敷Al(OH)3溶膠制成；然后進(jìn)行燒結(jié)、保溫、冷卻、出爐。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述的Al(OH)3溶膠的原料為硫酸鋁、氨水和分散劑三乙醇胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于Fe/Al2O3混合料漿的溶劑是重量百分含量為40～60％無水乙醇和60～40％酊酮組成的共沸溶劑，其中Fe/Al2O3混合料漿中Fe/Al2O3的重量百分比為20～30％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于噴涂時料漿粘度為45～50cp，噴槍的氣壓為0.25～0.4Mpa，噴涂距離為15～20cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于分散劑三乙醇胺占Al(OH)3溶膠重量百分比為0.5～1％，涂敷時涂覆粘度為12～22cp，潤濕時間為10～15min，提拉速度為0.2～2mm/s，涂敷后自然干燥8h以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于燒結(jié)設(shè)備為無壓燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度為1100～1200℃，保溫時間為0.5～1小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在鋼基零部件表面涂敷Fe/Al
文檔編號C23D7/00GK1888139SQ20061004550
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者王志, 立宏林, 史國普, 徐秋紅 申請人:濟(jì)南大學(xué)