一种无机涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种无机涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 耐磨涂层作为表面改性的一种手段，能够赋予基体材料优异的耐磨性能，延长其 使用寿命。因此，耐磨涂层的研究一直受到人们的广泛关注。耐磨涂层材料通常要求低摩擦 系数，但是，某些特定应用场合需要高摩擦系数涂层材料，如汽车同步器等。同步器是汽车 变速箱的重要部件之一，能够有效地降低汽车换挡过程中的震动、冲击和噪音，从而提高汽 车操纵的稳定性和行驶的安全性。改变同步器结构和同步器锥面的摩擦材料是提高同步器 性能的最主要手段。为确保变速箱良好的工作性能，要求同步器摩擦内衬材料具有高而稳 定的摩擦系数、良好的耐磨性、耐高温、优异的抗冲击载荷能力等综合性能。
[0003] 金属钼(Mo)具有抗腐蚀、耐粘着磨损、高导热率、低膨胀系数以及优异的抗热冲击 性能等特点，常被用于改善减速器同步环、内燃机活塞环的摩擦学性能。目前，制备钼涂层 的工艺有爆炸喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等。爆炸喷涂技术工艺较复杂，此方法制备钼涂 层仅见实验室报道。工业应用较多的是氧-乙炔火焰丝材喷涂方法，该方法设备简单，但所 制备的钼涂层孔隙率较大，涂层内部结合较差，导致其耐磨性能降低、使用寿命偏短。Mo属 于金属材料，易于进行机械加工，但同时其硬度较低（1500MPa-1600MPa)，导致其耐磨损性 能降低，使用寿命较短。在钼涂层中添加陶瓷组分，有利于改善其耐磨性能。
[0004]等离子喷涂涂层具有孔隙率低、结合强度高、喷涂原料为粉体、喷涂材料范围广等 特点。目前已有研究采用等离子喷涂方法制备了用于汽车同步器的等离子喷涂钼合金涂 层，并研究了添加合金元素对其耐磨性能的影响。
[0005] 碳化锆(ZrC)，具有高硬度(25.5GPa)、高熔点（3420°C)和良好的化学稳定性等特 点，被研究应用于各种苛刻环境，如作为磨料，用于硬质合金、刚玉或玻璃的加工，以及宇航 用耐高温材料和核反应中燃料颗粒的涂覆材料等。
[0006] CN104651770A公开了一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层及其制备方法， 所述涂层采用Mo-ZrC复合粉体为原料，在金属基材上喷涂得到，所述涂层中ZrC含量为10~ 80vol. %。该涂层可保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率，从而延长其使用寿命。然 而，该涂层在耐腐蚀性和热膨胀性能方面仍有待改进。
[0007] 因此，如何研发一种具有高摩擦系数和低磨损率并具有优异的耐腐蚀性，并具有 较低的热膨胀系数的无机涂层是目前的重点。
【发明内容】
[0008] 为解决现有技术中的不足，本发明通过调整无机涂层中的各组分，改善了涂层的 各性能，使其在具有高摩擦系数和低磨损率的同时，还具有优异的耐腐蚀性，并具有较低的 热膨胀系数。
[0009] 为达此目的，本发明采用了以下技术方案：
[ΟΟ?Ο]第一方面，本发明提供了一种无机涂层，所述涂层含有1〇、21'、]?11、11，其中21'、]/[0、 Μη和Ti元素的比例为3-1:1-2:1-3:2-5。
[0011] 本发明中所述Zr、Mo、Mn和Ti元素的比例为3-1:1-2:1-3: 2-5，例如可以是3: 2:1: 5、3:1:1:2、3:2:1:3、3:2:1:2、3:2:3:5、3:2:1:4,优选为3:2:1:4。
[0012] 本发明将Μη和Ti作为第二相引入Mo-ZrC涂层，即将金属材料Μη和Ti与Mo和ZrC组 合，除了保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率以外，意外发现其还具有优异的耐腐 蚀性，并具有较低的热膨胀系数。
[0013] 本发明中，所述涂层厚度为200-1000μπι，例如可以是200μL?、400μπι、600μπι、800μπι、 ΙΟΟΟμπι，优选为 300-600μπι。
[0014] 优选地，所述涂层的摩擦系数为0.72-0.85，优选为0.81-0.85。
[0015] 第二方面，本发明还提供了第一方面所述的无机涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0016] 以含有Mo、Zr、Mn、Ti的复合粉体为原料，在金属基材上喷涂得到。
[0017] 本发明中，所述喷涂的方法为等离子喷涂方法;优选地，所述金属基材包括不锈 钢。
[0018] 作为优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
[0019] (1)按所述涂层的组成，分别称取Mo粉体、ZrC粉体、Μη粉体、Ti粉体，均匀混合后， 作为原料粉体；
[0020] (2)采用等离子体喷涂技术，将原料粉体喷涂在基材上，得到所述涂层。
[0021 ]本发明中，所述Mo粉体、ZrC粉体、Μη粉体、Ti粉体通过机械球磨法实现均匀混合； 优选地，所述Mo粉体的粒径为10-120μηι，纯度大于95wt % ; ZrC粉体的粒径为10-90μηι，纯度 大于95wt% ;所述Μη粉体的粒径为10-100μηι，纯度大于99wt% ;所述Ti粉体的粒径为20-100 Mi，纯度大于98wt %。
[0022]本发明中，所述等离子体喷涂的工艺参数包括:等离子气体Ar:30-50slpm;等离子 体气体]^2:5-2〇8]^111，优选8-188]^111;粉末载气41':1.5-58]^111;喷涂距离:8〇-35〇111111，优选8〇-250mm;喷涂功率:30-58KW;送粉速率:6-30r/分钟;喷涂压力：100-800mbar。
[0023]与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0024] 本发明将Μη和Ti作为第二相引入Mo-ZrC涂层，即将金属材料Μη和Ti与Mo和ZrC组 合，除了保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率以外，意外发现其还具有优异的耐腐蚀 性，并具有较低的热膨胀系数。
【具体实施方式】
[0025] 以下实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非 限制本发明。
[0026] 下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本 发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发 明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的 工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适 的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0027] 实施例1
[0028] 制备 Mo-ZrC-Mn-Ti 复合粉体：
[0029] 按以下配比称取原料:ZrC粉体的体积含量为30%，粒径为10-90μπι;Μ〇粉体的体积 含量为20 %，粒径为10-120μπι;Μη粉体的体积含量为10 %，粒径为10-1 ΟΟμπι; Ti粉体的体积 含量为40%，粒径为20-100μπι;在旋转式振动球磨机中机械混合，球磨罐旋转速度设定为 150rpm(转每分钟），球料比（质量比）为2:1。球磨3小时后，取下球磨罐，复合粉体经80目过 筛，备用。
[0030] 制备涂层：
[0031] 1)对不锈钢基材进行预处理:将经喷砂(喷砂压强约为0.2MPa)处理后的不锈钢圆 片基材（Φ 60_ X 8mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，烘干备用；
[0032] 2)采用等离子体喷涂技术，设备为Sulzer Metro公司（瑞士）的A-2000等离子体喷 涂系统，该系统主要由F4-MB型喷枪以及ABB公司（美国）生产的S3型机械手组成，送粉器为 Twin-10型双送粉系统。在处理后的不锈钢圆片基材上制备涂层，采用的等离子体喷涂工艺 参数如下：等离子体气体Ar流量为32slpm;等离子体气体H2流量为16slpm;粉末载气Ar流量 为5slpm;喷涂距离为140mm;送料速率为25r/min;喷涂功率为32kW;所喷涂的粉体为所制得 的Mo-ZrC-Mn-Ti复合粉体。
[0033] 实施例2
[0034] 制备 Mo-ZrC-Mn-Ti 复合粉体：
[0035]按以下配比称取原料:ZrC粉体的体积含量为32%，粒径为10-90μπι;Μ〇粉体的体积 含量为25%，粒径为10-120μπι;Μη粉体的体积含量为11%，粒径为10-100ym;Ti粉体的体积 含量为32%，粒径为20-100μπι;在旋转式振动球磨机中机械混合，球磨罐旋转速度设定为 150rpm(转每分钟），球料比（质量比）为2:1。球磨3小时后，取下球磨罐，复合粉体经80目过 筛，备用。
[0036]制备涂层：
[0037] 1)对不锈钢基材进行预处理:将经喷砂(喷砂压强约为0.2MPa)处理后的不锈钢圆 片基材（Φ 60_ X 8mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，烘干备用；
[0038] 2)采用等离子体喷涂技术，设备为Sulzer Metro公司（瑞士）的A-2000等离子体喷 涂系统，该系统主要由F4-MB型喷枪以及ABB公司（美国）生产的S3型机械手组成，送粉器为