專利名稱：一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法
技術領域：
本發明涉及ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，屬于材料加工工程專業材料表面強化領域。主要用于制備金屬零部件表面耐磨、耐蝕涂層，可應用于工程機械、礦山機械等領域。
背景技術：
工程機械、礦山機械等大量金屬零部件承受著嚴重的磨粒磨損，維護工作量大，損失嚴重。Al2O3陶瓷具有優異的耐磨性能，在金屬零部件表面制備ー層Al2O3陶瓷/金屬耐磨復合涂層，可大幅度延長金屬零部件的使用壽命。然而，傳統的表面技術不適用于在金屬零部件表面制備厚度達3_12mm的Al2O3陶瓷/金屬復合涂層。自蔓延高溫合成不僅可以合成 所需的陶瓷材料，而且還可以直接制備涂層，但目前成功的應用僅限于制備陶瓷內襯鋼管，主要原因是高溫自蔓延合成陶瓷涂層的物化性能與鋼基體存在很大的差異，自蔓延合成陶瓷涂層與鋼基體主要呈機械結合，結合強度低，嚴重地制約著高溫自蔓延合成陶瓷涂層的應用。

發明內容
本發明通過對涂層結構和涂層材料的設計，制備出了與鋼基體呈冶金結合的Al2O3陶瓷-金屬復合材料涂層，為制備金屬零部件表面耐磨涂層開辟了一條新的途徑。本發明的目的在于提供ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法。本發明的目的是通過以下的技術方案來實現的
ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其特征在于合成方法步驟如下
(1)選用Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取50%-62%Ni0、38%-50%Al的過渡層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)獲得的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為l_3mm，再將步驟(3)獲得的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為5-15mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點火用鎂條，在碳鋼試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時，點燃鎂條，引發合成體系反應，待體系反應結束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；(7)關閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時，取出試樣。所述的在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其特征在于所述的氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的厚度為6-12mm，復合涂層的成分是Al203、Fe、Cr和FeAl2O4,孔隙率低，硬度達到1200-2450HV0.2。本發明的有益效果
采用燃燒合成技木，在碳鋼表面成功合成了氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層，過渡層和エ作層的雙層結構設計合理，成分配比適當，在碳鋼基體表面獲得了ー層平整、致密、與基體結合良好的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；涂層組織均勻，結構致密，孔隙率低，顯微硬度達到1200-2450HVa2，耐磨性能好，涂層與碳鋼基體形成有效冶金結合。


附圖I :實施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層裝置示意圖 附圖2 :實施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層的X射線衍射圖譜 附圖3 :實施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層宏觀形貌
附圖4 :實施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層截面形貌 附圖5 :實施例I制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層截面硬度分布圖 附圖6 :實施例2制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層截面形貌 附圖7 :實施例3制備的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層截面形貌 附圖標記
I一底座，2一石墨相·禍，3—石英砂,4一點火用鎂條，5一工作涂層，6—過渡層,7—碳鋼基體，8—井式加熱爐。
具體實施例方式實施例I :ー種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(1)選用長X寬X高(厚)為50IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取60.00%Ni0和40. 00%A1的過渡層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取67.74%A1、19. 35%Fe203、12. 90%Cr203的工作層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)獲得的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為2mm，再將步驟(3)獲得的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為IOmm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點火用鎂條，在碳鋼試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至500°C時，點燃鎂條，引發合成體系反應，待體系反應結束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；
(7)關閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時，取出試樣。實施例I制備的陶瓷-金屬復合涂層的實驗裝置示意圖見圖I。
在Q235碳鋼(7—)基體上，先后涂刷上過渡層粉末(6—)和工作層粉末(5—)，在工作層粉末上插上點火用鎂條(4一)，將該碳鋼試樣放入直徑Φ80πιπι的石墨坩堝(2—)中，在其周圍鋪上石英砂(3—)，在井式加熱爐(8—)內放置ー塊100*100*80mm的耐火磚底座(I一)，最后將石墨相·禍放在底座上。實施例I制備的陶瓷-金屬復合涂層的XRD分析見圖2。從譜圖中分析可得，涂層由Fe、Cr、Al2O3和Ni等物相組成。由方程式(I) (2) (3)可知，Fe、Cr、Al203和Ni都是反應產物，沒有未反應的原始物相出現，說明反應非常完全。
Fe203+2A1 — Al203+2Fe (I)
Cr203+2A1 — Al203+2Cr (2)
3Ni0+2Al — Al203+3Ni (3) 實施例I制備的陶瓷-金屬復合涂層的宏觀形貌如圖3所示。由圖可知，涂層的表面連續、平整，沒有明顯的坑洼，也沒有出現孔洞，涂層中存在孤立的金屬相顆粒。實施例I制備的陶瓷-金屬復合涂層的截面形貌圖如圖4所示。由圖可知，涂層組織均勻，結構致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂層之中。涂層與基體結合良好，界面處并沒有出現裂縫。由線掃描曲線可知，界面元素擴散明顯，已經達到了 30 μ m，說明界面微區已經形成了冶金結合。實施例I制備的陶瓷-金屬復合涂層厚度為9. 5mm，涂層的截面硬度分布見圖5，為 1200-2450HV02o實施例2 :—種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(1)選用長X寬X高(厚)為50IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取54.55%Ni0和45. 45%A1的過渡層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取67.74%A1、22. 58%Fe203、9. 68%Cr203的工作層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為1mm，再將步驟
(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為13mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點火，用鎂條試樣周圍鋪上石英砂；
(6)將井式加熱爐通電，升溫至400°C時，點燃鎂條，引發燃燒合成體系反應，待體系反應結束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；
(7)關閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時，取出試樣。實施例2制備的陶瓷-金屬復合涂層截面形貌如圖6。由圖可知，涂層結構致密，沒有出現孔洞或空隙，組織比較均勻。涂層與碳鋼基體界面處結合狀況好。合成的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層厚度為11mm，涂層的截面硬度為1200-2300HVq.2。實施例3 :—種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其合成方法步驟如下
(I)選用長X寬X高(厚)為50 IM X25 mm X4 mm的Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；
(2)按摩爾百分比稱取50.00%Ni0和50. 00%A1的過渡層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(3)按摩爾百分比稱取71.43%A1、17. 14%Fe203、ll. 43%Cr203的工作層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；
(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為3mm，再將步驟
(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為8mm ；
(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，在工作層粉末上插上點火用鎂條，試樣周圍鋪上石英砂； (6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時，點燃鎂條，引發燃燒合成體系反應，待體系反應結束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；
(7)關閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時，取出試樣。實施例3制備的陶瓷-金屬復合涂層截面形貌如圖7。由圖可知，涂層與基體結合非常好，界面處沒有出現任何裂縫或孔洞，涂層組織比較均勻。合成的Al2O3陶瓷-金屬復合涂層厚度為8mm，涂層的截面硬度1200-2250HVq.2.
權利要求
1.一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其特征在于合成方法步驟如下(1)選用Q235碳鋼基體，用噴砂方法去除碳鋼基體表面的氧化皮，使碳鋼基體呈金屬本色；(2)按摩爾百分比稱取50%-62%Ni0、38%-50%Al的過渡層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；(3)按摩爾百分比稱取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作層粉末，并在球磨機中用酒精濕混5小時，均勻，成膏狀，待用；(4)將步驟(2)中的膏狀過渡層粉末涂刷在碳鋼基體表面，涂刷厚度為l_3mm，再將步驟(3)中的膏狀工作層粉末涂刷在過渡層粉末上面，涂刷厚度為5-15mm ；(5)將涂刷好的碳鋼試樣放置在井式加熱爐中，試樣周圍鋪上石英砂，在工作層粉末上插上點火用鎂條；(6)將井式加熱爐通電，升溫至400-500°C時，點燃鎂條，引發燃燒合成體系反應，待體系反應結束后，即在Q235碳鋼基體表面形成Al2O3陶瓷-金屬復合涂層；(7)關閉井式加熱爐電源，待爐溫降至室溫時，取出試樣。
2.根據權利要求I所述的在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，其特征在于所述的氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的厚度為6-12mm，復合涂層的成分是Al203、Fe、 Cr和FeAl2O4，孔隙率低，硬度達到1200_2450HVa2。
全文摘要
本發明涉及一種在碳鋼表面燃燒合成氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層的方法，包括如下步驟噴砂去除碳鋼基體表面氧化皮后，在其表面先后涂刷一定厚度和成分配比的過渡層和工作層粉末，并插上鎂條，然后將涂刷好的碳鋼試樣放置在坩堝中，周圍鋪上石英砂，最后將坩堝置于井式加熱爐中加熱到一定溫度，點燃鎂條引發反應。本發明在碳鋼基體表面燃燒合成的氧化鋁陶瓷-金屬復合涂層，表面平整，孔隙率低，顯微硬度達到1200-2450HV0.2，涂層與碳鋼基體界面處元素擴散距離達到30μm，形成冶金結合，結合性能優異。涂層具有優異的耐磨和耐蝕性能。本發明可廣泛用于碳鋼基體大面積防腐耐磨涂層的制備，能顯著提高機械零部件長效防腐和磨損性能。
文檔編號C23C24/10GK102978609SQ201210561040
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者王澤華, 薛小鋒, 周澤華, 江少群, 王長浩, 程江波, 王剛 申請人:河海大學