CN108179405A - 一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属陶瓷涂层技术领域，具体涉及一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法。本发明将自制金属陶瓷浆料烘干得到金属陶瓷干粉，将自制化学镀溶液经过处理得到复合镀液，用复合镀液浸涂在自制基底板上得到浸涂板，再经过高温烧结得到金属陶瓷涂层，玻璃粉中的氧化铈使陶瓷粉体中含活性镍原子与基体材料中的金属形成金属键，提高了金属陶瓷涂层与基体材料的密着性，并提高金属陶瓷涂层耐高温性能，复合镀液中水化氧化铝粒子带正电，基底板表面带负电，生成的氧化铝粒子在基底板表面沉积，形成高密度的氧化金属膜，提高了金属陶瓷粉体间的结合力，应用于切削工具时不易产生磨损，从而提高金属陶瓷涂层的耐磨性能，应用前景广阔。

Description

一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及金属陶瓷涂层技术领域，具体涉及一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法。

背景技术

随着工业的发展，对于某些金属零件的性能要求越来越高。在航空工业、能源动力工业、冶金化工工业中，某些金属零件需要具有优异的高温强度与良好的抗高温氧化腐蚀能力，国家与社会的可持续发展需要提高这些部件的使用寿命，降低这些零件的制备或修复成本。目前最可行的办法是在金属零件表面涂覆防护涂层，使合金材料既能在高温下保持强度，其表面又具有良好的抗高温氧化腐蚀性能，从而达到工业生产对合金高温性能的要求，也能提高合金零件的使用寿命，降低工业生产成本与零件的修复成本。

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高密度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蚀等特性，同时还具有密度小、弹性模量大、强度高等特点，已成为一类应用非常广泛的材料。而将陶瓷材料制备成涂层，可以极大地提升陶瓷材料的一些性能，并且可以拓宽陶瓷材料的应用领域。陶瓷涂层可以满足不同硬度、隔热、防腐和抗氧化、导电和绝缘、抗高温等不同部件的功能，此技术已被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、石油化工、核电等领域中。

目前，金属陶瓷涂层的制备方法主要有化学气相沉积法和物理气相沉积法。其中，化学气相沉积法可以方便地实现对大量部件同时进行涂层的沉积，但由于该技术需要在1000℃的高温条件下进行，局限性很大。而物理气相沉积法包括真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀，具有低温、高能的特点，并且制备的金属陶瓷涂层具有高硬度、高耐磨性的优异性能，因此广泛的应用于工装、磨具表面的喷涂上，较好的实现了工件低成本、高收益的效果。但是，采用物理气相沉积法是通过将金属陶瓷材料熔融后蒸发，沉积在基体表面形成涂层，这种方法制作的涂层形状及表面粗糙度难以控制。另外这两者工艺制备的金属碳、氮化物陶瓷涂层脆性大，与基体结合力差，在高温和热循环条件下涂层容易剥落，难以在工程中得到广泛应用。

因此，研制出一种能够解决上述性能问题的金属陶瓷涂层非常有必要。

发明内容

本发明主要解决的技术问题，针对目前金属陶瓷涂层应用于高速切削工具中时，易发生磨损，高速切削时产生的高温会使金属陶瓷涂层部分脱落的缺陷，提供了一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温，保温烧结，取出刚玉坩埚，用水淬冷处理，得到玻璃块；

（2）将玻璃块放入研钵中研磨，过筛得到玻璃粉，取一块长条状钢板，用打磨，再用丙酮擦洗钢板表面，配制氢氧化钠溶液，加热，得到碱液，用碱液清洗钢板后，再用去离子水冲洗钢板得到基底板；

（3）按重量份数计，将镍粉与玻璃粉混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，球磨得到金属陶瓷浆料；

（4）用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；

（5）将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温，干燥，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，高速分散得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，得到浸涂板；

（6）将浸涂板置于电阻炉中，向电阻炉中通满氩气，加热升温，保温处理，继续升温，保温烧结，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

步骤（1）所述的加热升温后温度为1450～1500℃，保温烧结时间为2～3h，淬冷时水温为20～25℃，淬冷处理时间为20～25min。

步骤（2）所述的研磨时间为3～4h，所过筛规格为400目，长条状钢板尺寸为10mm×10mm×100mm，打磨砂纸规格为400目打磨时间为8～10min，氢氧化钠溶液的质量分数为20%，加热升温后温度为60～70℃，碱液清洗钢板时间为10～15min。

步骤（3）所述的镍粉与玻璃粉混合的质量比为1︰3，聚乙烯醇水溶液的质量分数为20%，球磨转速为700～800r/min，球磨时间为6～7h。

步骤（4）所述的硫酸溶液的质量分数为20%，氢氧化钠溶液的质量分数为20%。

步骤（5）所述的对烘箱加热升温后温度为80～90℃，干燥时间为20～24h，高速分散机转速为3000～4000r/min，高速分散时间为20～25min，，基底板浸入复合镀液中时间为10～15min，控制涂层厚度为2～4mm。

步骤（6）所述的对电阻炉抽真空后真空度为40～50Pa，升温速率为4～5℃/min，加热升温后温度为700～800℃，保温处理时间为2～3h，继续升温后温度为1050～1100℃，保温烧结时间为30～35min。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将氧化钡、氧化硼、氧化铝、氧化铈、氧化锆混合放入马弗炉中烧结熔融后淬冷处理得到玻璃块，经研磨得到玻璃粉，将长条状钢板用丙酮和热碱液清洗，得到基底板，以镍粉和玻璃粉为原料混合得到金属陶瓷粉料，添加聚乙烯醇水溶液，经过球磨得到金属陶瓷浆料，将铝粉用硫酸清洗后与六水硫酸镍和氢氧化钠等物质混合得到化学镀溶液，将金属陶瓷浆料烘干得到金属陶瓷干粉，以化学镀溶液为分散剂分散金属陶瓷干粉，经高速分散机分散得到复合镀液，用复合镀液浸涂基底板得到浸涂板，并在氩气气氛的电阻炉中高温烧结得到金属陶瓷涂层，本发明中玻璃粉成分中的氧化铈为稀土氧化物中活性最强的氧化物，它能加强复合镀液中陶瓷粉体与涂覆的基体材料分子间的原子轨道交互作用，降低界面反应的活化能，促进界面反应的发生，使陶瓷粉体中含活性镍原子能与基体材料中的金属形成金属键，提高了金属陶瓷涂层与基体材料之间的密着性，在高温条件下不易从基体材料中脱落，提高金属陶瓷涂层耐高温性能；

（2）本发明中用复合镀液浸涂基底板时，复合镀液中水化氧化铝粒子吸附周围金属离子而带正电，基底板表面带负电，在静电吸引力的作用下水化氧化铝粒子不断地向基底板表面迁移，当其靠近基底板后，水化氧化铝粒子接触到基底板表面，并从基底板上得到电子，使水化氧化铝粒子周围金属离子分散开来，在基底板表面水化氧化铝粒子发生脱水聚合反应，生成氧化铝粒子，氧化铝粒子在基底板表面沉积，形成高密度的氧化金属膜，在陶瓷退火处理过程中，空气会对金属陶瓷进行预氧化作用，金属陶瓷表面可形成一层致密陶瓷晶粒，晶粒间界面能较高，从而使金属陶瓷粉体间的结合力提高，保持高致密度，应用于切削工具时不易产生磨损，从而提高金属陶瓷涂层的耐磨性能，应用前景广阔。

具体实施方式

按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温至1450～1500℃，保温烧结2～3h，取出刚玉坩埚，用20～25℃的水淬冷处理20～25min，得到玻璃块；将玻璃块放入研钵中研磨3～4h，过400目筛得到玻璃粉，取一块尺寸为10mm×10mm×100mm的长条状钢板，用400目砂纸打磨8～10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至60～70℃，得到碱液，用碱液清洗钢板10～15min后，再用去离子水冲洗钢板3～4次得到基底板；按重量份数计，将镍粉与玻璃粉按质量比1︰3混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以700～800r/min的转速球磨6～7h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至80～90℃，干燥20～24h，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3000～4000r/min的转速高速分散20～25min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中10～15min，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为2～4mm，得到浸涂板；将浸涂板置于电阻炉中，对电阻炉抽真空至真空度为40～50Pa，向电阻炉中通满氩气，以4～5℃/min的升温速率加热升温至700～800℃，保温处理2～3h，继续升温至1050～1100℃，保温烧结30～35min，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

实例1

按重量份数计，将30份氧化钡、16份氧化硼、13份氧化铝、25份氧化铈和3份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温至1450℃，保温烧结2h，取出刚玉坩埚，用20℃的水淬冷处理20min，得到玻璃块；将玻璃块放入研钵中研磨3h，过400目筛得到玻璃粉，取一块尺寸为10mm×10mm×100mm的长条状钢板，用400目砂纸打磨8min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至60℃，得到碱液，用碱液清洗钢板10min后，再用去离子水冲洗钢板3次得到基底板；按重量份数计，将镍粉与玻璃粉按质量比1︰3混合得到金属陶瓷粉料，将70份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以700r/min的转速球磨6h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30份六水硫酸镍、20份水合肼、10份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30份去离子水和20份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至80℃，干燥20h，得到金属陶瓷干粉，将70g金属陶瓷干粉分散于200mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3000r/min的转速高速分散20min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中10min，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为2mm，得到浸涂板；将浸涂板置于电阻炉中，对电阻炉抽真空至真空度为40Pa，向电阻炉中通满氩气，以4℃/min的升温速率加热升温至700℃，保温处理2h，继续升温至1050℃，保温烧结30min，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

实例2

按重量份数计，将32份氧化钡、17份氧化硼、14份氧化铝、28份氧化铈和4份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温至1475℃，保温烧结2.5h，取出刚玉坩埚，用23℃的水淬冷处理23min，得到玻璃块；将玻璃块放入研钵中研磨3.5h，过400目筛得到玻璃粉，取一块尺寸为10mm×10mm×100mm的长条状钢板，用400目砂纸打磨9min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至65℃，得到碱液，用碱液清洗钢板13min后，再用去离子水冲洗钢板3次得到基底板；按重量份数计，将镍粉与玻璃粉按质量比1︰3混合得到金属陶瓷粉料，将75份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入65份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以750r/min的转速球磨6.5h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将33份六水硫酸镍、25份水合肼、13份质量分数为20%氢氧化钠溶液、35份去离子水和23份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至85℃，干燥22h，得到金属陶瓷干粉，将75g金属陶瓷干粉分散于210mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3500r/min的转速高速分散23min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中13min，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为3mm，得到浸涂板；将浸涂板置于电阻炉中，对电阻炉抽真空至真空度为45Pa，向电阻炉中通满氩气，以4.5℃/min的升温速率加热升温至750℃，保温处理2.5h，继续升温至1075℃，保温烧结33min，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

实例3

按重量份数计，将35份氧化钡、18份氧化硼、15份氧化铝、30份氧化铈和5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温至1500℃，保温烧结3h，取出刚玉坩埚，用25℃的水淬冷处理25min，得到玻璃块；将玻璃块放入研钵中研磨4h，过400目筛得到玻璃粉，取一块尺寸为10mm×10mm×100mm的长条状钢板，用400目砂纸打磨10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至70℃，得到碱液，用碱液清洗钢板15min后，再用去离子水冲洗钢板4次得到基底板；按重量份数计，将镍粉与玻璃粉按质量比1︰3混合得到金属陶瓷粉料，将80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以800r/min的转速球磨7h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将35份六水硫酸镍、30份水合肼、15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、40份去离子水和25份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至90℃，干燥24h，得到金属陶瓷干粉，将80g金属陶瓷干粉分散于220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以4000r/min的转速高速分散25min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中15min，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为4mm，得到浸涂板；将浸涂板置于电阻炉中，对电阻炉抽真空至真空度为50Pa，向电阻炉中通满氩气，以5℃/min的升温速率加热升温至800℃，保温处理3h，继续升温至1100℃，保温烧结35min，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

对比例

以合肥市某公司生产的金属陶瓷涂层作为对比例

对本发明制得的耐磨耐高温金属陶瓷涂层和对比例中的金属陶瓷涂层进行检测，检测结果如表1所示：

1、耐磨性测试

将本发明制备的实例1～3和对比例样品涂敷在锅盘上进行耐磨测试，由磨耗仪在室温下测试耐磨性（测试条件：砂轮CS-10，负载力500g，循环500次），通过测试循环后的质量损失来表征涂层的耐磨性，质量损失越少，涂层的耐刮伤性越好。

2、硬度测试

采用维氏硬度计进行测定。

3、孔隙率测试

采用金相测定法进行测定。

表1

测试项目	实例1	实例2	实例3	对比例
					附着力	0级	0级	0级	1级
耐磨性（mg）	0.06	0.04	0.03	0.20
					硬度（MPa）	885.3	892.4	896.7	692.1
孔隙率（%）	0.53	0.49	0.44	2.84
					最高耐热温度（℃）	1650	1675	1698	1030

由表1数据可知，本发明制得的耐磨耐高温金属陶瓷涂层具有耐磨性好、耐高温性强、硬度高等优点，明显优于对比例产品。因此，具有广阔的使用前景。

Claims (7)

1.一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将坩埚移入马弗炉中，加热升温，保温烧结，取出刚玉坩埚，用水淬冷处理，得到玻璃块；

（2）将玻璃块放入研钵中研磨，过筛得到玻璃粉，取一块长条状钢板，用打磨，再用丙酮擦洗钢板表面，配制氢氧化钠溶液，加热，得到碱液，用碱液清洗钢板后，再用去离子水冲洗钢板得到基底板；

（3）按重量份数计，将镍粉与玻璃粉混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，球磨得到金属陶瓷浆料；

（4）用质量分数为20%的硫酸溶液对铝粉进行洗涤，再用去离子水对铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；

（5）将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温，干燥，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，高速分散得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，得到浸涂板；

（6）将浸涂板置于电阻炉中，向电阻炉中通满氩气，加热升温，保温处理，继续升温，保温烧结，自然冷却至室温后，得到金属陶瓷涂层。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（1）所述的加热升温后温度为1450～1500℃，保温烧结时间为2～3h，淬冷时水温为20～25℃，淬冷处理时间为20～25min。

3.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（2）所述的研磨时间为3～4h，所过筛规格为400目，长条状钢板尺寸为10mm×10mm×100mm，打磨砂纸规格为400目打磨时间为8～10min，氢氧化钠溶液的质量分数为20%，加热升温后温度为60～70℃，碱液清洗钢板时间为10～15min。

4.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（3）所述的镍粉与玻璃粉混合的质量比为1︰3，聚乙烯醇水溶液的质量分数为20%，球磨转速为700～800r/min，球磨时间为6～7h。

5.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（4）所述的硫酸溶液的质量分数为20%，氢氧化钠溶液的质量分数为20%。

6.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（5）所述的对烘箱加热升温后温度为80～90℃，干燥时间为20～24h，高速分散机转速为3000～4000r/min，高速分散时间为20～25min，，基底板浸入复合镀液中时间为10～15min，控制涂层厚度为2～4mm。

7.根据权利要求1所述的一种耐磨耐高温金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（6）所述的对电阻炉抽真空后真空度为40～50Pa，升温速率为4～5℃/min，加热升温后温度为700～800℃，保温处理时间为2～3h，继续升温后温度为1050～1100℃，保温烧结时间为30～35min。