专利名称：等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属基陶瓷涂层的制备方法。
背景技术：
随着工业生产技术水平的不断提高，各种机械设备正向大型化、高效率、高参数的 方向发展。由于各种自然或非自然因素的影响与侵蚀，设备在运行的过程中难免出现磨损、 断裂或腐蚀等机械性损伤，也就必然离不开维修，而传统的维修无非是报废更新，虽然简单 却不是最佳方案，不但会浪费大量资金，对于难以及时买到的部件，还会造成维修周期的拉 长，甚至影响生产。目前全国役龄10年以上的传统旧机床超过200万台，80%的在役工程机械超过保 质期，年报废汽车约500万辆，报废电脑、电视机、电冰箱1600万台，报废手机2000万部，每 年产生约8亿吨固体废物。我国已进入机械装备和家用电器报废高峰期，装备运行损失十 分惊人。据美国Argorme国家重点实验室统计，新制造1辆汽车的能耗是再制造的6倍，新 制造1台汽车发电机的能耗是再制造的7倍，新制造1台汽车发动机的能耗是再制造的11 倍，再制造的资源与环境效益同样十分巨大。再制造就是以废旧产品的零部件为毛坯，以先进的表面工程技术为修复手段(即 在损伤的零件表面制备一薄层耐磨、耐蚀、抗疲劳的表面涂层)，使废旧产品零部件重获新 生。现行的等离子热喷涂技术等表面工程很多技术虽然应用到这一领域，但修复后存在抗 疲劳强度不够高、结合强度较差、零部件使用寿命短等缺点。综上所述，现有工艺存在金属表面制备陶瓷涂层存在抗疲劳强度低、结合强度差、 使用寿命短等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材 料的方法，本发明本发明解决了现有工艺在金属表面制备陶瓷涂层存在的问题如抗疲 劳强度低、结合强度差、使用寿命短等。本发明方法适用于在金属表面获得陶瓷层，特别适 用于废旧金属工件的再制造。本发明中等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的方法是按下 述步骤进行的一、按重量份数比分别称取48 64份的钛粉、20 40份铁粉和12 16 份碳粉后混合得到混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，采用干混或湿混的方 法进行混合，干燥，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放入不锈钢模具中，压制成 相对密度为50% 60% (体积)的预制坯；四、将金属基板用丙酮超声清洗，再用16 40 目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在金属基板表面等离子喷涂MCrBSi，其中金属基板为钢板； 五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi金属基板上，采用自蔓延高温合成结合准热等静压(SHS/PHIP)法在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料。上述步骤五中自蔓延高温合成结合准热等静压法在金属基板表面获得金属陶瓷 涂层材料是按下述步骤进行的激发预制坯进行自蔓延燃烧合成反应7 20秒，立即对仍 处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施加12 20MPa的压力，保压10 20秒后 取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间20 30小时，即在金属 基板表面获得金属陶 瓷涂层材料。本发明对金属基体表面进行预处理，先将待喷涂工件表面用丙酮超声波清洗，再 用20目棕刚玉进行喷砂粗化整理，采用等离子喷涂的方法，在钢铁材料表面获得MCrBSi 过渡层(润湿层)，并经过SHS/PHIP合成，使预制坯和钢铁材料之间产生化学反应，形成致 密的反应涂层。以低成本的Ti粉、Fe粉和C粉为原料，而且无需长时间高温加热，从而降 低了工艺成本。本发明的生产效率高，主要的工艺过程在5分钟内完成。本发明中金属基 板表面喷涂MCrBSi具有润湿作用，增加界面的结合强度，从而提高后续工序工件性能，提 高工作效率，降低成本；并且还可以降低反应温度，从而降低成本。通过等离子/燃烧合成 /准等静压原位合成TiC陶瓷涂层，反应和致密化一步完成，获得高纯致密的TiC陶瓷涂层 材料。其反应过程可以简单描述为Ti+C —TiC;工艺设备简单，维护保养方便。采用本发 明方法可在废旧金属零件表面获得陶瓷层，延长使用寿命。本发明方法提高了涂层与基体 的结合强度，降低了涂层中气孔等缺陷，并实现基体与涂层的冶金结合，满足了工件使用要 求，大大延长了使用寿命。本发明方法的实用性强、工艺稳定重复性强、易操作、成本低，获 得涂层与基体达到冶金结合(而传统喷涂界面为抛锚机械结合)、抗疲劳强度高，涂层厚度 大且孔隙率低，改善金属表面耐磨性，可以广泛应用于结构钢、工具钢、模具钢等制品表面 处理和再制造，提高制品使用寿命。本发明获得涂层硬度达85HRA以上，结合强度达340Mpa 以上。
图1是SHS/PHIP反应装置示意图，图1中1表示压头，2表示压块，3表示电阻丝， 4表示砂型，5表示模具外套，6表示底座，7表示金属基板，8表示预制坯，9表示碳布，10表 示点火剂，11表示砂饼；图2是涂层形貌显微照片；图3是钢基陶瓷涂层结合界面的显微形 貌照片。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式中等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷 涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取48 64份的钛粉、20 40份铁粉和12 16份碳粉后混合得到混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中， 采用干混或湿混的方法进行混合，干燥，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放入 不锈钢模具中，压制成相对密度为50% 60% (体积)的预制坯；四、将金属基板用丙酮超 声清洗，再用16 40目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在金属基板表面等离子喷涂NiCrBSi，其 中金属基板为钢板；五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi金属基板上，采用自蔓延 高温合成结合准热等静压(SHS/PHIP)法在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料。本发明获得涂层硬度达85HRA以上，结合强度达340Mpa以上。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中按重量份数 比分别称取64份的钛粉、20份铁粉和16份碳粉。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中按重量份数 比分别称取56份的钛粉、30份铁粉和14份碳粉。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。具体实施 方式四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中按重量份数 比分别称取52份的钛粉、35份铁粉和13份碳粉。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中按重量份数 比分别称取48份的钛粉、40份铁粉和12份碳粉。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤五中自 蔓延高温合成结合准热等静压法在喷涂MCrBSi的金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料 是按下述步骤进行的激发预制坯进行自蔓延燃烧合成反应7s 20s，立即对仍处于红热 软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施加12 20MPa的压力，保压10 20s后取出，然后 在30秒内放入砂中冷却，冷却时间20 30小时，即在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材 料。其它步骤和参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤一干燥 的温度50°C 60°C，干燥时间24h 48h。其它步骤和参数与具体实施方式
一至六之一相 同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤四中等 离子喷涂NiCrBSi的厚度为50 μ m 500 μ m。其它步骤和参数与具体实施方式
一至七之一 相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方八不同的是步骤四中等离子喷涂 NiCrBSi的厚度为100 μ m 200 μ m。其它步骤和参数与具体实施方式
八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方八不同的是步骤四中等离子喷涂 NiCrBSi的厚度为150 μ m。其它步骤和参数与具体实施方式
八相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至十之一不同的是步骤二中 压制的预制坯的相对密度为55%。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至十一之一不同的是步骤二 所述干混按下述操作进行以转速40 60转/分钟球磨24 30h，球料质量比为2 5:1。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十一之一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十一之一不同的是步骤二 所述湿混按下述操作进行将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，再向球磨罐内加入无水 乙醇，无水乙醇用量是混合料重量的2/3 3/4，以转速200 300转/分钟球磨24 30h， 球料质量比为1 3 1。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十一之一相同。
具体实施方式
十四(参见图1)本实施方式中等离子/燃烧合成/准等静压工艺 制备金属陶瓷涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取64份的的 钛粉(粒度300目、纯度在99. 5%以上)、20份铁粉(纯度在99. 5%以上、粒度200目)和 16份碳粉(纯度在99. 5%以上)后混合得到混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨 罐中，以转速50转/分钟干混24h，球料质量比为5 1，磨球为直径为8 30mm的不锈 钢球，然后再50°C条件下干燥24h，得到混合粉体；三、将200g步骤二得到的混合粉体放入Φ55Χ 120mm的不锈钢模具中，在5. 5MPa的压力下压制成相对密度为55% (体积)的预 制坯8 ；四、将钢板(金属基板)用丙酮超声清洗，再用20目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在 钢板表面等离子喷涂NiCrBSi，等离子喷涂NiCrBSi,NiCrBSi的厚度为150 μ m;五、将喷涂 NiCrBSi碳钢板7放在SHS/PHIP装置的底座6上，在碳钢板7上放上预制坯8，在预制坯8 的上表面中心放置点火剂10及电阻丝3，然后放置一个相应直径的沙饼11，沙饼11上边为 高度30mm的压块2 (钢制)，电阻丝3引线从压块2中引出，与点火装置连接上(具体的放 置形式如图1所示)中，通过加热电阻丝3引燃点火剂10激发预制坯8进行自蔓延燃烧合 成反应7s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施加12MPa的压力，保 压10秒后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间20 30小时，即在钢板表面获得 金属陶瓷涂层材料。本实施方式获得涂层 硬度大于85HRA，结合强度大于340MPa。结果如图2和图3所示，从图2中可以看出，在准等静压状态下，颗粒填充部分孔 洞；通过外加压力和毛细管力作用，金属液相被强制填入孔洞和颗粒间隙中，起到粘结作 用；陶瓷颗粒之间的金属液相的存在避免了TiC晶粒的聚集和长大，使TiC颗粒尺寸趋于均 勻。合成产物由近乎球形的TiC颗粒和Fe粘结相组成，界面清晰，表层增强颗粒分布密集， TiC颗粒细小，大小均勻圆整，尺寸为1-2 μ m,结合界面很光滑，界面结合状况良好。从图3可以看出，TiC颗粒与钢基体发生了扩散，TiC颗粒分散在钢基体中，Fe作 为粘结相弥散分布于TiC颗粒之间，结合面上没有裂纹和撕裂，说明二者之间的结合力非 常高，表面的涂层和基体间达到良好的冶金结合。
具体实施方式
十五本实施方式中等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶 瓷涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取56份的钛粉(99. 5% 以上、300目)、30份铁粉(99. 5%以上、200目)和14份碳粉(99. 5%以上)后混合得到 混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，再向不锈钢球磨罐内加入无水乙醇(作 分散剂)，无水乙醇用量是混合料重量的2/3，以转速240转/分钟球磨10h，球料质量比 为2.5 1，然后再50°C条件下干燥24h，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放 入不锈钢模具中，压制成相对密度为60% (体积)的预制坯；四、将钢板用丙酮超声清洗， 再用30目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在钢板表面等离子喷涂NiCrBSi，NiCrBSi的厚度为 IOOym;五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi金属基板上，采用自蔓延高温合成结 合准热等静压(SHS/PHIP)法在钢板表面获得金属陶瓷涂层材料激发预制坯进行自蔓延 燃烧合成反应20s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施加20MPa的 压力，保压10 20秒后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间24小时，即在钢板表 面获得金属陶瓷涂层材料。本实施方式步二中采用陶瓷球&02进行球磨，磨球的直径为3 10mm。本实施方式获得涂层硬度大于85HRA，结合强度大于340MPa。
具体实施方式
十六本实施方式中等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶 瓷涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取52份的钛粉(99. 5% 以上、300目)、35份铁粉(99. 5%以上、200目)和13份碳粉(99. 5%以上)后混合得到混 合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，再向球磨罐内加入无水乙醇(作分散剂)， 无水乙醇用量是混合料重量的2/3，以转速240转/分钟球磨10h，球料质量比为2. 5 1，然后再50°C条件下干燥24h，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放入不锈钢模具 中，压制成相对密度为55% (体积)的预制坯；四、将钢板用丙酮超声清洗，再用40目棕刚 玉进行喷砂粗化，然后在钢板表面等离子喷涂NiCrBSi，NiCrBSi的厚度为200 μ m，其中钢 板为碳钢；五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂MCrBSi钢板上，采用自蔓延高温合成结合 准热等静压(SHS/PHIP)法在钢板表面获得金属陶瓷涂层材料通过加热电阻丝引燃点火 剂激发预制坯进行自蔓延燃烧合成反应7s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成 反应产物施加12MPa的压力，保压10秒后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间24 小时，即在钢板表面获得金属陶瓷涂层材料。本实施方式步二中采用陶瓷球&02进行球磨，磨球的直径为3 10mm。本实施方 式获得涂层硬度大于85HRA，结合强度大于340MPa。
具体实施方式
十七本实施方式中等离子/燃烧合成/准等静压工艺制 备金属陶 瓷涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取48份的钛粉(99. 5% 以上、300目)、40份铁粉(99. 5%以上、200目)和12份碳粉(99. 5%以上)后混合得到 混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，以转速60转/分钟球磨20h，球料质量 比为2. 5 1，然后再50°C条件下干燥24h，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放 入不锈钢模具中，压制成相对密度为55% (体积)的预制坯；四、将钢板用丙酮超声清洗， 再用40目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在钢板表面等离子喷涂NiCrBSi，NiCrBSi的厚度为 150 μ m;五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi钢板上，采用自蔓延高温合成结合准 热等静压(SHS/PHIP)法在钢板表面获得金属陶瓷涂层材料通过加热电阻丝引燃点火剂 激发预制坯进行自蔓延燃烧合成反应7s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反 应产物施加12MPa的压力，保压10秒后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间24小 时，即在钢板表面获得金属陶瓷涂层材料。本实施方式步二中采用不锈钢球进行球磨，磨球的直径为3 10mm。本实施方式 获得涂层硬度大于85HRA，结合强度大于340MPa。
具体实施方式
十八本实施方式对废旧模具钢进行再制造，方法是按下述步骤进 行的一、按重量份数比分别称取48份的钛粉(99. 5%以上、300目)、40份铁粉(99. 5%以 上、200目)和12份碳粉(99. 5%以上)后混合得到混合料；二、将步骤一所述的混合料放 入不锈钢球磨罐中，以转速60转/分钟球磨20h，球料质量比为2. 5 1，然后再50°C条件 下干燥24h，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放入不锈钢模具中，压制成相对 密度为55% (体积)的预制坯；四、将废旧模具钢用丙酮超声清洗，再用40目棕刚玉进行 喷砂粗化，然后在废旧模具钢表面等离子喷涂NiCrBSi,NiCrBSi的厚度为150 μ m;五、将步 骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi钢板上，采用自蔓延高温合成结合准热等静压(SHS/ PHIP)法在废旧模具钢表面获得金属陶瓷涂层材料通过加热电阻丝引燃点火剂激发预制 坯进行自蔓延燃烧合成反应7s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施 加12MPa的压力，保压10秒后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间24小时，即在 废旧模具钢表面获得金属陶瓷涂层材料。本实施方式步二中采用不锈钢球进行球磨，磨球的直径为3 10mm。本实施方式 获得涂层硬度大于85HRA，结合强度大于340MPa。
权利要求
等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的方法，其特征在于等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的方法是按下述步骤进行的一、按重量份数比分别称取48～64份的钛粉、20～40份铁粉和12～16份碳粉后混合得到混合料；二、将步骤一所述的混合料放入球磨罐中，采用干混或湿混的方法进行混合，干燥，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体放入不锈钢模具中，压制成相对密度为50％～60％(体积)的预制坯；四、将金属基板用丙酮超声清洗，再用16～40目棕刚玉进行喷砂粗化，然后在金属基板表面等离子喷涂NiCrBSi，其中金属基板为钢板；五、将步骤四获得的预制坯放在喷涂NiCrBSi的金属基板上，采用自蔓延高温合成结合准热等静压法在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料。
2.根据权利要求1所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的 方法，其特征在于步骤一中按重量份数比分别称取64份的钛粉、20份铁粉和16份碳粉。
3.根据权利要求1所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的 方法，其特征在于步骤一中按重量份数比分别称取56份的钛粉、30份铁粉和14份碳粉。
4.根据权利要求1所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的 方法，其特征在于步骤一中按重量份数比分别称取52份的钛粉、35份铁粉和13份碳粉。
5.根据权利要求1所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的 方法，其特征在于步骤一中按重量份数比分别称取48份的钛粉、40份铁粉和12份碳粉。
6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备 金属陶瓷涂层材料的方法，其特征在于步骤五中自蔓延高温合成结合准热等静压法在喷涂 NiCrBSi的金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料是按下述步骤进行的激发预制坯进行自 蔓延燃烧合成反应7s 20s，立即对仍处于红热软化状态的自蔓延燃烧合成反应产物施加 12 20MPa的压力，保压10 20s后取出，然后在30秒内放入砂中冷却，冷却时间20 30小时，即在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料。
7.根据权利要求6所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的 方法，其特征在于步骤一所述干燥的温度50°C 60°C，所述干燥时间24h 48h。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶 瓷涂层材料的方法，其特征在于步骤四中等离子喷涂NiCrBSi的厚度为50μπι 500μπι。
9.根据权利要求8所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料 的方法，其特征在于步骤二所述干混按下述操作进行以转速40 60转/分钟球磨24 30h，球料质量比为2 5 1。
10.根据权利要求根据权利要求8所述的等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属 陶瓷涂层材料的方法，其特征在于步骤二所述湿混按下述操作进行将步骤一所述的混合 料放入球磨罐中，再向球磨罐内加入无水乙醇，无水乙醇用量是混合料重量的2/3 3/4， 以转速200 300转/分钟球磨24 30h，球料质量比为1 3 1。
全文摘要
等离子/燃烧合成/准等静压工艺制备金属陶瓷涂层材料的方法，它涉及金属基陶瓷涂层的制备方法。本发明解决了现有工艺在金属表面制备陶瓷涂层存在抗疲劳强度低、结合强度差、使用寿命短等问题。本发明方法如下干混或湿混钛粉、铁粉和碳粉，压制预制坯；将金属基板超声清洗，喷砂粗化，再等离子喷涂NiCrBSi；用自蔓延高温合成结合准热等静压法在金属基板表面获得金属陶瓷涂层材料。本发明方法易操作、成本低，获得涂层与基体达到冶金结合、抗疲劳强度高，涂层厚度大且孔隙率低，改善金属表面耐磨性，可以广泛应用于结构钢、工具钢、模具钢等制品表面处理和再制造，提高制品使用寿命。
文档编号C23C4/06GK101869985SQ201010175280
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者李永, 王维, 胡海龙, 赵红, 麒麟 申请人:齐齐哈尔大学