专利名称：一种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法
技术领域：
本发明涉及ー种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，属于材料加工工程专业材料表面强化领域。主要用于制备金属零部件表面耐磨、耐蚀涂层，可应用于工程机械、矿山机械等领域。
背景技术：
工程机械、矿山机械等大量金属零部件承受着严重的磨粒磨损，维护工作量大，损失严重。Al2O3陶瓷具有优异的耐磨性能，在金属零部件表面制备ー层Al2O3陶瓷/金属耐磨复合涂层，可大幅度延长金属零部件的使用寿命。然而，传统的表面技术不适用于在金属零部件表面制备厚度达3_12mm的Al2O3陶瓷/金属复合涂层。自蔓延高温合成不仅可以合成 所需的陶瓷材料，而且还可以直接制备涂层，但目前成功的应用仅限于制备陶瓷内衬钢管，主要原因是高温自蔓延合成陶瓷涂层的物化性能与钢基体存在很大的差异，自蔓延合成陶瓷涂层与钢基体主要呈机械结合，结合强度低，严重地制约着高温自蔓延合成陶瓷涂层的应用。
发明内容
本发明通过对涂层结构和涂层材料的设计，制备出了与钢基体呈冶金结合的Al2O3陶瓷-金属复合材料涂层，为制备金属零部件表面耐磨涂层开辟了一条新的途径。本发明的目的在于提供ー种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法。本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的
ー种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其特征在于合成方法步骤如下
(1)选用Q235碳钢基体，用喷砂方法去除碳钢基体表面的氧化皮，使碳钢基体呈金属本色；
(2)按摩尔百分比称取50%-62%Ni0、38%-50%Al的过渡层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(3)按摩尔百分比称取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(4)将步骤(2)获得的膏状过渡层粉末涂刷在碳钢基体表面，涂刷厚度为l_3mm，再将步骤(3)获得的膏状工作层粉末涂刷在过渡层粉末上面，涂刷厚度为5-15mm ；
(5)将涂刷好的碳钢试样放置在井式加热炉中，在工作层粉末上插上点火用镁条，在碳钢试样周围铺上石英砂；
(6)将井式加热炉通电，升温至400-500°C时，点燃镁条，引发合成体系反应，待体系反应结束后，即在Q235碳钢基体表面形成Al2O3陶瓷-金属复合涂层；(7)关闭井式加热炉电源，待炉温降至室温时，取出试样。所述的在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其特征在于所述的氧化铝陶瓷-金属复合涂层的厚度为6-12mm，复合涂层的成分是Al203、Fe、Cr和FeAl2O4,孔隙率低，硬度达到1200-2450HV0.2。本发明的有益效果
采用燃烧合成技木，在碳钢表面成功合成了氧化铝陶瓷-金属复合涂层，过渡层和エ作层的双层结构设计合理，成分配比适当，在碳钢基体表面获得了ー层平整、致密、与基体结合良好的Al2O3陶瓷-金属复合涂层；涂层组织均匀，结构致密，孔隙率低，显微硬度达到1200-2450HVa2，耐磨性能好，涂层与碳钢基体形成有效冶金结合。
附图I :实施例I制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层装置示意图 附图2 :实施例I制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层的X射线衍射图谱 附图3 :实施例I制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层宏观形貌
附图4 :实施例I制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层截面形貌 附图5 :实施例I制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层截面硬度分布图 附图6 :实施例2制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层截面形貌 附图7 :实施例3制备的Al2O3陶瓷-金属复合涂层截面形貌 附图标记
I一底座，2一石墨相·祸，3—石英砂,4一点火用镁条，5一工作涂层，6—过渡层,7—碳钢基体，8—井式加热炉。
具体实施例方式实施例I :ー种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其合成方法步骤如下
(1)选用长X宽X高(厚)为50IM X25 mm X4 mm的Q235碳钢基体，用喷砂方法去除碳钢基体表面的氧化皮，使碳钢基体呈金属本色；
(2)按摩尔百分比称取60.00%Ni0和40. 00%A1的过渡层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(3)按摩尔百分比称取67.74%A1、19. 35%Fe203、12. 90%Cr203的工作层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(4)将步骤(2)获得的膏状过渡层粉末涂刷在碳钢基体表面，涂刷厚度为2mm，再将步骤(3)获得的膏状工作层粉末涂刷在过渡层粉末上面，涂刷厚度为IOmm ；
(5)将涂刷好的碳钢试样放置在井式加热炉中，在工作层粉末上插上点火用镁条，在碳钢试样周围铺上石英砂；
(6)将井式加热炉通电，升温至500°C时，点燃镁条，引发合成体系反应，待体系反应结束后，即在Q235碳钢基体表面形成Al2O3陶瓷-金属复合涂层；
(7)关闭井式加热炉电源，待炉温降至室温时，取出试样。实施例I制备的陶瓷-金属复合涂层的实验装置示意图见图I。
在Q235碳钢(7—)基体上，先后涂刷上过渡层粉末(6—)和工作层粉末(5—)，在工作层粉末上插上点火用镁条(4一)，将该碳钢试样放入直径Φ80πιπι的石墨坩埚(2—)中，在其周围铺上石英砂(3—)，在井式加热炉(8—)内放置ー块100*100*80mm的耐火砖底座(I一)，最后将石墨相·祸放在底座上。实施例I制备的陶瓷-金属复合涂层的XRD分析见图2。从谱图中分析可得，涂层由Fe、Cr、Al2O3和Ni等物相组成。由方程式(I) (2) (3)可知，Fe、Cr、Al203和Ni都是反应产物，没有未反应的原始物相出现，说明反应非常完全。
Fe203+2A1 — Al203+2Fe (I)
Cr203+2A1 — Al203+2Cr (2)
3Ni0+2Al — Al203+3Ni (3) 实施例I制备的陶瓷-金属复合涂层的宏观形貌如图3所示。由图可知，涂层的表面连续、平整，没有明显的坑洼，也没有出现孔洞，涂层中存在孤立的金属相颗粒。实施例I制备的陶瓷-金属复合涂层的截面形貌图如图4所示。由图可知，涂层组织均匀，结构致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂层之中。涂层与基体结合良好，界面处并没有出现裂缝。由线扫描曲线可知，界面元素扩散明显，已经达到了 30 μ m，说明界面微区已经形成了冶金結合。实施例I制备的陶瓷-金属复合涂层厚度为9. 5mm，涂层的截面硬度分布见图5，为 1200-2450HV02o实施例2 :—种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其合成方法步骤如下
(1)选用长X宽X高(厚)为50IM X25 mm X4 mm的Q235碳钢基体，用喷砂方法去除碳钢基体表面的氧化皮，使碳钢基体呈金属本色；
(2)按摩尔百分比称取54.55%Ni0和45. 45%A1的过渡层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(3)按摩尔百分比称取67.74%A1、22. 58%Fe203、9. 68%Cr203的工作层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(4)将步骤(2)中的膏状过渡层粉末涂刷在碳钢基体表面，涂刷厚度为1mm，再将步骤
(3)中的膏状工作层粉末涂刷在过渡层粉末上面，涂刷厚度为13mm ；
(5)将涂刷好的碳钢试样放置在井式加热炉中，在工作层粉末上插上点火，用镁条试样周围铺上石英砂；
(6)将井式加热炉通电，升温至400°C时，点燃镁条，引发燃烧合成体系反应，待体系反应结束后，即在Q235碳钢基体表面形成Al2O3陶瓷-金属复合涂层；
(7)关闭井式加热炉电源，待炉温降至室温时，取出试样。实施例2制备的陶瓷-金属复合涂层截面形貌如图6。由图可知，涂层结构致密，没有出现孔洞或空隙，组织比较均匀。涂层与碳钢基体界面处结合状况好。合成的Al2O3陶瓷-金属复合涂层厚度为11mm，涂层的截面硬度为1200-2300HVq.2。实施例3 :—种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其合成方法步骤如下
(I)选用长X宽X高(厚)为50 IM X25 mm X4 mm的Q235碳钢基体，用喷砂方法去除碳钢基体表面的氧化皮，使碳钢基体呈金属本色；
(2)按摩尔百分比称取50.00%Ni0和50. 00%A1的过渡层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(3)按摩尔百分比称取71.43%A1、17. 14%Fe203、ll. 43%Cr203的工作层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；
(4)将步骤(2)中的膏状过渡层粉末涂刷在碳钢基体表面，涂刷厚度为3mm，再将步骤
(3)中的膏状工作层粉末涂刷在过渡层粉末上面，涂刷厚度为8mm ；
(5)将涂刷好的碳钢试样放置在井式加热炉中，在工作层粉末上插上点火用镁条，试样周围铺上石英砂； (6)将井式加热炉通电，升温至400-500°C时，点燃镁条，引发燃烧合成体系反应，待体系反应结束后，即在Q235碳钢基体表面形成Al2O3陶瓷-金属复合涂层；
(7)关闭井式加热炉电源，待炉温降至室温时，取出试样。实施例3制备的陶瓷-金属复合涂层截面形貌如图7。由图可知，涂层与基体结合非常好，界面处没有出现任何裂缝或孔洞，涂层组织比较均匀。合成的Al2O3陶瓷-金属复合涂层厚度为8mm，涂层的截面硬度1200-2250HVq.2.
权利要求
1.一种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其特征在于合成方法步骤如下(1)选用Q235碳钢基体，用喷砂方法去除碳钢基体表面的氧化皮，使碳钢基体呈金属本色；(2)按摩尔百分比称取50%-62%Ni0、38%-50%Al的过渡层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；(3)按摩尔百分比称取60-75%Al、15%-25%Fe203、6.5%-15%Cr203的工作层粉末，并在球磨机中用酒精湿混5小时，均匀，成膏状，待用；(4)将步骤(2)中的膏状过渡层粉末涂刷在碳钢基体表面，涂刷厚度为l_3mm，再将步骤(3)中的膏状工作层粉末涂刷在过渡层粉末上面，涂刷厚度为5-15mm ；(5)将涂刷好的碳钢试样放置在井式加热炉中，试样周围铺上石英砂，在工作层粉末上插上点火用镁条；(6)将井式加热炉通电，升温至400-500°C时，点燃镁条，引发燃烧合成体系反应，待体系反应结束后，即在Q235碳钢基体表面形成Al2O3陶瓷-金属复合涂层；(7)关闭井式加热炉电源，待炉温降至室温时，取出试样。
2.根据权利要求I所述的在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，其特征在于所述的氧化铝陶瓷-金属复合涂层的厚度为6-12mm，复合涂层的成分是Al203、Fe、 Cr和FeAl2O4，孔隙率低，硬度达到1200_2450HVa2。
全文摘要
本发明涉及一种在碳钢表面燃烧合成氧化铝陶瓷-金属复合涂层的方法，包括如下步骤喷砂去除碳钢基体表面氧化皮后，在其表面先后涂刷一定厚度和成分配比的过渡层和工作层粉末，并插上镁条，然后将涂刷好的碳钢试样放置在坩埚中，周围铺上石英砂，最后将坩埚置于井式加热炉中加热到一定温度，点燃镁条引发反应。本发明在碳钢基体表面燃烧合成的氧化铝陶瓷-金属复合涂层，表面平整，孔隙率低，显微硬度达到1200-2450HV0.2，涂层与碳钢基体界面处元素扩散距离达到30μm，形成冶金结合，结合性能优异。涂层具有优异的耐磨和耐蚀性能。本发明可广泛用于碳钢基体大面积防腐耐磨涂层的制备，能显著提高机械零部件长效防腐和磨损性能。
文档编号C23C24/10GK102978609SQ201210561040
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者王泽华, 薛小锋, 周泽华, 江少群, 王长浩, 程江波, 王刚 申请人:河海大学