CN100390321C

CN100390321C - 钢基陶瓷梯度材料涂层及其制备方法

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Publication number: CN100390321C
Application number: CNB2006100455021A
Authority: CN
Inventors: 王志; 李宏林; 史国普; 徐秋红
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2026-07-17
Also published as: CN1888139A

Abstract

本发明涉及一种在钢基零部件表面涂敷Fe/Al₂O₃梯度材料涂层，以及它们的制备方法。涂层由内层、中间层和外层组成，其Al₂O₃的重量百分比由内层的10～20%逐渐升高至外层的100%，Fe的重量百分比由内层的65～85%逐渐降低至外层的0%，Al的重量百分比由内层的5～15%逐渐降低至外层的0%。内层和中间层采用喷涂法，外层采用溶胶-凝胶法涂敷Al(OH)₃溶胶制成。本发明的涂层，具有耐磨、耐腐蚀、高温抗氧化性好、高温热学性能稳定，与钢基体物理化学匹配性好，采用梯度复合技术能有效地消除层与层间以及涂层与钢基体间的宏观应力使界面结合强度适中。本发明的制备方法，具有工艺简单、便于大规模生产等特点。

Description

钢基陶瓷梯度材料涂层及其制备方法

(一)所属技术领域

本发明涉及一种钢基陶瓷梯度材料涂层，特别涉及一种在钢基零部件表面涂敷Fe-Al/Al₂O₃梯度材料涂层，以及它们的制备方法。

(二)背景技术

目前，钢铁是工程上应用最多的材料之一，但由于其耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能的局限性，在冶金、化工、机械等行业许多钢制零部件长期处于高温、磨损和腐蚀严重的工况环境下使用，常因表面的局部磨损、腐蚀破坏等导致整个部件失效，由此每年带来数亿美元的经济损失。陶瓷具有硬度高、耐磨、化学性能稳定等优异性能，但其韧性低，可以设想，与金属复合将会具有广阔的应用前景。近年来，由于在汽车、冶金和能源领域的应用潜力，Fe-Al/Al₂O₃复合材料的研究备受关注。科学家们利用等离子喷涂、激光熔覆等离子喷涂、***喷涂、溶胶-凝胶(Sol-gel)等方法制备了Al₂O₃涂覆钢基材料，以期提高钢基零部件的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能。

国内外对Fe-Al/Al2O3梯度复合钢基材料的研究报道较少。在金属表面获得陶瓷涂层的方法很多，最常用的是热喷涂方法。热喷涂方法包括等离子喷涂、激光熔覆等离子喷涂和***喷涂等。但等离子喷涂、激光熔覆等离子喷涂工艺复杂，不适合大规模生产，***喷涂价格昂贵，沉积速度低，所以，应用上受到了一定的限制，而且存在不稳定的γ-Al₂O₃晶型及难以致密等缺点，而且由于金属与陶瓷的热膨胀系数及弹性模量不匹配，导致基体与涂层间结合强度低，使用过程中常发生开裂或剥落等现象。因而没有从根本上消除或缓和陶瓷与金属间界面的热应力，在工程上成功应用的实例尚未见有报道。

湿法工艺就是把待涂覆的原材料制成溶液、悬浮液或料浆，喷涂或者刷到基材上，经蒸发或加热使其产生物理化学反应或扩散效应而形成涂层。湿法技术中发展最快，最引人注目的是溶胶-凝胶法(Sol-gel)，它包括反应物水解(对多组分首先是络合)、缩聚和干燥、加热处理等步骤。此法的主要特点是：(1)反应物是在分子级程度的低粘度的液体中进行混和反应，能制备高纯度、高均质的产品。(2)反应可以在较低的温度下进行，故能在广泛的基体上制备陶瓷涂层。(3)能控制凝胶的微观结构。(4)所需设备价廉，操作简单。因此，溶胶-凝胶的研究成为当今玻璃、陶瓷学科最活跃的课题之一。美国加州大学的研究者将其作为为了宇航陶瓷的研究课题。这种方法对制作涂层特别有利，这是因为在缩聚和干燥的过程中要释放出水或乙醇，涂层不像整体那样容易出现气泡裂纹等缺陷。八十年代初期已经制成致密的氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅、氧化铈、氧化钍以及溶胶-凝胶法制备的超导涂层

(三)发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种钢基陶瓷梯度材料涂层，可以提高钢零部件的使用寿命，提高其耐磨、耐腐蚀以及高温抗氧化等性能，使其即具有钢的性能又有氧化铝陶瓷的性能，希望在某些领域能替代钢，以便能在更多的领域使用更长的时间。

本发明的另一目的，在于提供上述钢基涂层的制备方法，该制备方法制备的钢基涂层具有梯度复合结构，能有效地消除层与层间以及涂层与钢基体间的宏观应力，使界面结合强度适中，以获得性能比较优越、制备方法易于实现工业化生产。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：

本发明的钢基陶瓷梯度材料涂层，依次由内层、中间层和外层组成，含有Al₂O₃、Fe和Al，其特别之处在于：由内向外，其Al₂O₃的重量百分比由内层的10～20％逐渐升高至外层的100％，Fe的重量百分比由内层的65～85％逐渐降低至外层的0％，Al的重量百分比由内层的5～15％逐渐降低至外层的0％。所有成分均呈准连续变化。

本发明的钢基陶瓷梯度材料涂层，所述中间层的Al₂O₃的重量百分比为45～55％，Fe的重量百分比为35～45％，Al的重量百分比为3～12％。

本发明的钢基陶瓷梯度材料涂层，所述中间层分为三层，由内向外Al₂O₃的含量逐渐升高，Fe的含量逐渐降低，Al的含量逐渐降低。

上述的本发明的钢基陶瓷梯度材料涂层的制备方法，采用以下步骤：所述的内层和中间层分别采用喷涂法在钢基体上喷涂制成，所用的喷涂料浆是由Fe粉、Al粉和α-Al₂O₃粉配成的Fe-Al/Al₂O₃混合料浆；外层采用溶胶-凝胶法涂敷Al(OH)₃溶胶制成；然后进行烧结、保温、冷却、出炉。

上述本发明的制备方法，所述的Al(OH)₃溶胶的原料为硫酸铝、氨水和分散剂三乙醇胺。Al(OH)₃溶胶制备的主要化学反应式如下：

Al₂(SO₄)₃+6NH₃·H₂O＝2Al(OH)₃+3(NH₄)₂SO₄

上述本发明的制备方法，Fe-Al/Al2O3混合料浆的溶剂是重量百分含量为40～60％无水乙醇和60～40％酊酮组成的共沸溶剂，其中Fe-Al/Al₂O₃混合料浆中Fe-Al/Al₂O₃(所述的Fe-Al/Al₂O₃代表Fe、Al₂O₃、Al三种组份之和，下同)的重量百分比为20～30％。

上述本发明的制备方法，喷涂时料浆粘度为45～50cp，喷枪的气压为0.25～0.4Mpa，喷涂距离为15～20cm。

上述本发明的制备方法，分散剂三乙醇胺占Al(OH)₃溶胶重量百分比为0.5～1％，涂敷时涂覆粘度为12～22cp，润湿时间为10～15min，提拉速度为0.2～2mm/s，涂敷后自然干燥8h以上。

上述本发明的制备方法，烧结设备为无压烧结炉，烧结温度为1100～1200℃，保温时间为0.5～1小时。

本发明将梯度材料的设计思想应用于金属基陶瓷涂层，采用喷涂法及喷涂法和溶胶-凝胶法相结合在钢基体上制备出钢基陶瓷梯度材料涂层，Fe、Al和Al₂O₃呈梯度变化，α-Al₂O₃的重量百分含量从钢基体侧向外逐渐增加，而铁粉和铝粉的重量百分含量逐渐减少，三者均呈准连续变化。内层中铁的含量较高，与钢基的结合力较大，外层中Al₂O₃的含量最高，其使用寿命、耐磨性、耐腐蚀以及高温抗氧化性均有较大提高。另外，由于各组分的含量是呈准连续变化的，可以有效地消除层与层间以及涂层与钢基体间的宏观应力，结合强度更好。

本发明制备的复合材料表面硬度大约是钢基体的8倍；相同条件下磨损量大约是钢基体的十分之一；耐腐蚀性能比钢基体明显优越。

本发明将梯度材料的设计思想应用于金属基陶瓷涂层，采用喷涂法及喷涂法和溶胶-凝胶法相结合在钢基体上制备出多层Fe-Al/Al₂O₃涂层，大大提高表面涂层与钢基体间的结合强度。普通氧化铝涂层与钢基体的结合强度大约为8.16Mpa，而本发明的梯度涂层与钢基体的结合强度平均达到17.62Mpa。

在相同条件下测定材料的维氏硬度，本发明的梯度涂层硬度平均达到4.1338GPa，而钢基体的平均硬度为0.5042GPa。

相同条件下测量材料的耐磨性，本发明的梯度涂层的磨损量平均为4.119×10^-3g/min，而钢基体的磨损量平均为38.744×10^-3g/min。

在相同条件下测定材料的耐腐蚀性，本发明的梯度涂层均比钢基体优越。钢基体表面被严重腐蚀，而复合材料表面只是轻微的受腐蚀。

因此，本发明的钢基陶瓷梯度材料涂层，具有耐磨、耐腐蚀、高温抗氧化性好、高温热学性能稳定，与钢基体物理化学匹配性好，采用梯度复合技术能有效地消除层与层间以及涂层与钢基体间的宏观应力使界面结合强度适中。

本发明的制备方法，采用工艺简单、易于工业化的喷涂法和溶胶-凝胶技术，可大幅度提高钢零部件地使用寿命，且具有制备工艺、设备简单、便于大规模生产等特点。

(四)具体实施方式

实施例1：

本实施例的钢基陶瓷梯度材料涂层，由内向外，依次由内层、中间层和外层三层组成，各层中α-Al₂O₃、Fe和Al的重量百分比分别见表1。

表1

	内层	中间层	外层
	内层	中间层	外层	α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％)	15	45	100
Fe(wt％)	80	45	0	α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％)	15	45	100
Fe(wt％)	80	45	0	Al(wt％)	5	10	0

具体工艺如下：

本试验选用45^#钢为基体材料，对其表面进行打磨抛光处理。分别采用喷涂法以及喷涂法和溶胶-凝胶法相结合两种方法在钢基体上制备三层Fe-Al/Al₂O₃涂层，内层和中间层采用喷涂法在钢基体上喷涂Fe-Al/Al₂O₃混合料浆，最外层采用溶胶-凝胶法在坯体上涂敷Al(OH)₃溶胶，最后在同一温度下致密烧结制备钢基Fe-Al/Al2O3梯度涂层复合材料。

本发明制备Fe-Al/Al₂O₃混合料浆所用溶剂是重量百分含量为40～60％无水乙醇和60～40％酊酮组成的共沸溶剂，其中料浆中最佳粉料重量百分含量20～30％，喷涂时料浆粘度为：45～50cp，喷枪的气压：0.25～0.4Mpa，喷涂距离：15～20cm。

Al(OH)₃溶胶的原料为硫酸铝、氨水和分散剂三乙醇胺。分散剂三乙醇胺占总质量的0.5～1％，涂敷时涂覆粘度：12～22cp，润湿时间：10～15min，提拉速度：0.2～2mm/s，涂敷后坯体必须自然干燥8h以上。

本发明所述的烧结设备为传统的无压烧结炉，最终烧结温度：1100～1200℃，最佳保温时间为0.5～1小时，升温速度：400℃以前不易过快，为3～5℃/min，400℃以后可适当加快升温速度，为：10～20℃/min。

实施例2：

本实施例的钢基陶瓷梯度材料涂层，由内向外，依次由内层、中间层和外层组成，中间层又分为三层，共五层。各层中Al₂O₃、Fe和Al的重量百分比分别见表2。

表2

其制备与实施例1基本相同。

实施例3：

本实施例的钢基陶瓷梯度材料涂层，由内向外，依次由内层、中间层和外层组成，中间层又分为三层，共五层。各层中Al₂O₃、Fe和Al的重量百分比分别见表3。

表3

其制备与实施例1基本相同。

实施例4：

本实施例的钢基陶瓷梯度材料涂层，由内向外，依次由内层、中间层和外层组成，中间层又分为四层，共六层。各层中Al₂O₃、Fe和Al的重量百分比分别见表4。

表4

其制备与实施例1基本相同。

Claims

1.一种钢基陶瓷梯度材料涂层，依次由内层、中间层和外层组成，含有Al₂O³、Fe和Al，其特征在于：由内向外，其Al₂O₃的重量百分比由内层的10～20％逐渐升高至外层的100％，Fe的重量百分比由内层的65～85％逐渐降低至外层的0％，Al的重量百分比由内层的5～15％逐渐降低至外层的0％。

2.根据权利要求1所述的钢基陶瓷梯度材料涂层，其特征在于：所述中间层的Al₂O₃的重量百分比为45～55％，Fe的重量百分比为35～45％，Al的的重量百分比为3～12％。

3.根据权利要求1或2所述的钢基陶瓷梯度材料涂层，其特征在于：所述中间层分为三层，由内向外Al₂O₃的含量逐渐升高，Fe的含量逐渐降低，Al的含量逐渐降低。

4.一种权利要求1或2所述的钢基陶瓷梯度材料涂层的制备方法，其特征在于：采用以下步骤，所述的内层和中间层分别采用喷涂法在钢基体上喷涂制成，所用的喷涂料浆是由Fe粉、Al粉和α-Al₂O₃粉配成的Fe-Al/Al₂O₃混合料浆；外层采用溶胶-凝胶法涂敷Al(OH)₃溶胶制成；然后进行烧结、保温、冷却、出炉。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的Al(OH)₃溶胶的原料为硫酸铝、氨水和分散剂三乙醇胺。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：Fe-Al/Al₂O₃混合料浆的溶剂是重量百分含量为40～60％无水乙醇和60～40％酊酮组成的共沸溶剂，其中Fe-Al/Al₂O₃混合料浆中Fe-Al/Al₂O₃的重量百分比为20～30％。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：喷涂时料浆粘度为45～50cp，喷枪的气压为0.25～0.4Mpa，喷涂距离为15～20cm。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：分散剂三乙醇胺占Al(OH)₃溶胶重量百分比为0.5～1％，涂敷时涂覆粘度为12～22cp，润湿时间为10～15min，提拉速度为0.2～2mm/s，涂敷后自然干燥8h以上。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：烧结设备为无压烧结炉，烧结温度为1100～1200℃，保温时间为0.5～1小时。