本发明公开了一种碳钢防腐耐磨陶瓷涂层的制备方法，属于陶瓷涂层制备技术领域。
背景技术：
涂层（coating）是涂料对基体施涂所得到的固态连续膜，是为了防护、绝缘、装饰等目的，涂布于金属，织物，塑料等基体上的薄层。目前，一些钢铁企业在制备金属基体表面的涂层时，均使用十分昂贵的稀有金属和高温合金进行喷涂，形成生产成本较高的金属涂层，由于金属固有的特性，使其在使用过程中存在高温软化、不耐磨以及易腐蚀现象，因此，金属涂层难以满足某些特殊工况要求。
随着工业的发展，人们对涂层的耐磨性、耐热性、强度和硬度等提出了更高的要求，使金属陶瓷涂层得到了迅速的发展。金属陶瓷涂层是以物理或化学方法在基体表面沉浸一层无机涂层，这种涂层具有金属材料的强韧性、可加工型、导电导热性，同时具有陶瓷材料的高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐磨、耐蚀并且制造成本低等特点。因此，金属陶瓷涂层广泛应用于发动机、燃气机以及航空航天等领域。
目前，金属陶瓷涂层的制备方法主要有化学气相沉积法或物理气相沉积法。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。但是在基底材料表面喷涂金属陶瓷涂层时，由于两者之间的热膨胀系数差别较大，使工作参数难于掌握，进而使制备的金属涂层的收缩率、热应力和孔隙率都比较大，涂层易变形，且与基材之间结合力差易脱落，形成的陶瓷膜致密性低，并在基底材料表面发生翘曲、开裂和剥落。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题：针对目前常见的金属陶瓷涂层与基材之间结合力差易脱落，形成的陶瓷膜致密性低，且基材与涂层间热膨胀系数差别较大，使制备的金属涂层的收缩率大，涂层易变形，在基底材料表面发生翘曲、开裂的缺陷，提供了一种以废弃玻璃和天然稀土矿石及陶瓷土为原料，经植物和微生物复合改性后配制成涂层浆料，涂覆在碳钢表面后烧结，从而得到碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。该方法通过向浆料中添加富含金属离子的稀土，用来减少涂层与基材间的热膨胀系数，解决了基材与涂层间热膨胀系数差别较大，使涂层易变形，发生翘曲、开裂的问题，用富含官能团的委陵菜和微生物对浆料复合改性，增加涂层浆料表面官能团数量，使其与基材间形成化学键提高涂层与基材间的结合力，玻璃粉的加入使涂层致密性更高，又弥补了常见的金属陶瓷涂层与基材之间结合力差，易脱落，形成的陶瓷膜致密性低的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）收集2～3kg建筑工地上的废弃玻璃用刚玉坩埚盛装后放入玻璃电熔炉中，在1400～1600℃下保温熔融2～3h，将玻璃熔融液迅速倒入4～6℃的冰水中淬火，过滤分离得到玻璃碎块；
（2）按球料比为1:20将上述得到的玻璃碎块和氧化锆球磨珠混合后放入球磨机中研磨1～2h后过400目标准筛，用无水乙醇洗涤3～5遍后放入烘箱在105～110℃下干燥后得到再生玻璃粉，备用；
（3）称取1～2kg独居石放入气流粉碎机中粉碎，分别用浓度为0.3mol/L盐酸和0.5mol/L氢氧化钠冲洗3～5遍，再将冲洗后的独居石和高岭土按质量比为1:3混合后放入研钵中，研磨30～40min后过200目标准筛得混合粉末；
（4）按重量分数计称取40～60份上述混合粉末和20～30份备用的再生玻璃粉混合均匀后装入发酵罐，称取50～80份委陵菜根，用去离子水冲洗干净后放入石臼捣碎成糊状物，再将糊状委陵菜根倒入发酵罐中，用搅拌棒搅拌均匀，得到发酵底物；
（5）按接种量为10%向上述反应底物中接入牛链球菌，用保鲜膜密封罐口，将发酵罐移入35～39℃的温室中，保温发酵改性6～8天后取出发酵物，按体积比为3:1将发酵物和质量浓度为40%的羧甲基纤维素钠溶液混合后放入超声分散仪中以200～300W功率超声处理15～20min得到涂层浆料；
（6）将碳钢基材分别用丙酮和质量浓度为10%的氢氧化钠溶液清洗3～5遍后，再用流动去离子水冲洗5～10min，放入烘箱在105～110℃下干燥20～30min，取出碳钢用涂布机将上述涂层浆料均匀的涂布在碳钢表面，涂布厚度为1～2mm；
（7）涂布完成后将碳钢放入烘箱在40～60℃下干燥1～2h，再将其转入真空烧结炉中，抽真空至500～600Pa，加热升温至600～700℃保温烧结40～50min后，向炉中通入氩气直至置换出所有空气为止，继续升温至1000～1100℃，保温煅烧30～50min，待其自然冷却至室温后取出，即得碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。
本发明制得的碳钢防腐耐磨陶瓷涂层抗氧化温度达到1000～1200℃，抗剥离强度为35～40N/mm，显微硬度为35～45GPa，摩擦系数为0.6～0.8，磨损率为10-4～10-6m3/NM。
本发明的有益效果是：
（1）本发明操作简便，通过向浆料中添加富含金属离子的稀土，用来减少涂层与基材间的热膨胀系数，解决了基材与涂层间热膨胀系数差别较大，使涂层易变形，发生翘曲、开裂的问题；
（2）本发明用富含官能团的委陵菜和微生物对浆料复合改性，增加涂层浆料表面官能团数量，使其与基材间形成化学键提高涂层与基材间的结合力，玻璃粉的加入使涂层致密性更高，又弥补了常见的金属陶瓷涂层与基材之间结合力差易脱落，形成的陶瓷膜致密性低的缺陷；
（3）本发明制得的碳钢防腐耐磨陶瓷涂层硬度大、密度大、耐热性好，可在工业上广泛使用。
具体实施方式
首先收集2～3kg建筑工地上的废弃玻璃用刚玉坩埚盛装后放入玻璃电熔炉中，在1400～1600℃下保温熔融2～3h，将玻璃熔融液迅速倒入4～6℃的冰水中淬火，过滤分离得到玻璃碎块；然后按球料比为1:20将上述得到的玻璃碎块和氧化锆球磨珠混合后放入球磨机中研磨1～2h后过400目标准筛，用无水乙醇洗涤3～5遍后放入烘箱在105～110℃下干燥后得到再生玻璃粉，备用；随后称取1～2kg独居石放入气流粉碎机中粉碎，分别用浓度为0.3mol/L盐酸和0.5mol/L氢氧化钠冲洗3～5遍，再将冲洗后的独居石和高岭土按质量比为1:3混合后放入研钵中，研磨30～40min后过200目标准筛得混合粉末；接下来按重量分数计称取40～60份上述混合粉末和20～30份备用的再生玻璃粉混合均匀后装入发酵罐，称取50～80份委陵菜根，用去离子水冲洗干净后放入石臼捣碎成糊状物，再将糊状委陵菜根倒入发酵罐中，用搅拌棒搅拌均匀，得到发酵底物；之后按接种量为10%向上述反应底物中接入牛链球菌，用保鲜膜密封罐口，将发酵罐移入35～39℃的温室中，保温发酵改性6～8天后取出发酵物，按体积比为3:1将发酵物和质量浓度为40%的羧甲基纤维素钠溶液混合后放入超声分散仪中以200～300W功率超声处理15～20min得到涂层浆料；然后将碳钢基材分别用丙酮和质量浓度为10%的氢氧化钠溶液清洗3～5遍后，再用流动去离子水冲洗5～10min，放入烘箱在105～110℃下干燥20～30min，取出碳钢用涂布机将上述涂层浆料均匀的涂布在碳钢表面，涂布厚度为1～2mm；最后涂布完成后将碳钢放入烘箱在40～60℃下干燥1～2h，再将其转入真空烧结炉中，抽真空至500～600Pa，加热升温至600～700℃保温烧结40～50min后，向炉中通入氩气直至置换出所有空气为止，继续升温至1000～1100℃，保温煅烧30～50min，待其自然冷却至室温后取出，即得碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。
实例1
首先收集2kg建筑工地上的废弃玻璃用刚玉坩埚盛装后放入玻璃电熔炉中，在1400℃下保温熔融2h，将玻璃熔融液迅速倒入4℃的冰水中淬火，过滤分离得到玻璃碎块；然后按球料比为1:20将上述得到的玻璃碎块和氧化锆球磨珠混合后放入球磨机中研磨1h后过400目标准筛，用无水乙醇洗涤3遍后放入烘箱在105℃下干燥后得到再生玻璃粉，备用；随后称取1kg独居石放入气流粉碎机中粉碎，分别用浓度为0.3mol/L盐酸和0.5mol/L氢氧化钠冲洗3遍，再将冲洗后的独居石和高岭土按质量比为1:3混合后放入研钵中，研磨30min后过200目标准筛得混合粉末；接下来按重量分数计称取40份上述混合粉末和20份备用的再生玻璃粉混合均匀后装入发酵罐，称取50份委陵菜根，用去离子水冲洗干净后放入石臼捣碎成糊状物，再将糊状委陵菜根倒入发酵罐中，用搅拌棒搅拌均匀，得到发酵底物；之后按接种量为10%向上述反应底物中接入牛链球菌，用保鲜膜密封罐口，将发酵罐移入35℃的温室中，保温发酵改性6天后取出发酵物，按体积比为3:1将发酵物和质量浓度为40%的羧甲基纤维素钠溶液混合后放入超声分散仪中以200W功率超声处理15min得到涂层浆料；然后将碳钢基材分别用丙酮和质量浓度为10%的氢氧化钠溶液清洗3遍后，再用流动去离子水冲洗5min，放入烘箱在105℃下干燥20min，取出碳钢用涂布机将上述涂层浆料均匀的涂布在碳钢表面，涂布厚度为1mm；最后涂布完成后将碳钢放入烘箱在40℃下干燥1h，再将其转入真空烧结炉中，抽真空至500Pa，加热升温至600℃保温烧结40min后，向炉中通入氩气直至置换出所有空气为止，继续升温至1000℃，保温煅烧30min，待其自然冷却至室温后取出，即得碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。
本实例方法独特新颖，制备过程简单易行，最终制得的碳钢防腐耐磨陶瓷涂层抗氧化温度达到1000℃，抗剥离强度为35N/mm，显微硬度为35GPa，摩擦系数为0.6，磨损率为10-4m3/NM，可在工业上广泛使用。
实例2
首先收集2.5kg建筑工地上的废弃玻璃用刚玉坩埚盛装后放入玻璃电熔炉中，在1500℃下保温熔融2.5h，将玻璃熔融液迅速倒入5℃的冰水中淬火，过滤分离得到玻璃碎块；然后按球料比为1:20将上述得到的玻璃碎块和氧化锆球磨珠混合后放入球磨机中研磨1.5h后过400目标准筛，用无水乙醇洗涤4遍后放入烘箱在108℃下干燥后得到再生玻璃粉，备用；随后称取1.5kg独居石放入气流粉碎机中粉碎，分别用浓度为0.3mol/L盐酸和0.5mol/L氢氧化钠冲洗4遍，再将冲洗后的独居石和高岭土按质量比为1:3混合后放入研钵中，研磨35min后过200目标准筛得混合粉末；接下来按重量分数计称取50份上述混合粉末和25份备用的再生玻璃粉混合均匀后装入发酵罐，称取70份委陵菜根，用去离子水冲洗干净后放入石臼捣碎成糊状物，再将糊状委陵菜根倒入发酵罐中，用搅拌棒搅拌均匀，得到发酵底物；之后按接种量为10%向上述反应底物中接入牛链球菌，用保鲜膜密封罐口，将发酵罐移入38℃的温室中，保温发酵改性7天后取出发酵物，按体积比为3:1将发酵物和质量浓度为40%的羧甲基纤维素钠溶液混合后放入超声分散仪中以250W功率超声处理18min得到涂层浆料；然后将碳钢基材分别用丙酮和质量浓度为10%的氢氧化钠溶液清洗4遍后，再用流动去离子水冲洗8min，放入烘箱在108℃下干燥25min，取出碳钢用涂布机将上述涂层浆料均匀的涂布在碳钢表面，涂布厚度为1.5mm；最后涂布完成后将碳钢放入烘箱在50℃下干燥1.5h，再将其转入真空烧结炉中，抽真空至550Pa，加热升温至650℃保温烧结45min后，向炉中通入氩气直至置换出所有空气为止，继续升温至1050℃，保温煅烧40min，待其自然冷却至室温后取出，即得碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。
本实例方法独特新颖，制备过程简单易行，最终制得的碳钢防腐耐磨陶瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗剥离强度为38N/mm，显微硬度为40Pa，摩擦系数为0.7，磨损率为10-5m3/NM，可在工业上广泛使用。
实例3
首先收集3kg建筑工地上的废弃玻璃用刚玉坩埚盛装后放入玻璃电熔炉中，在1600℃下保温熔融3h，将玻璃熔融液迅速倒入6℃的冰水中淬火，过滤分离得到玻璃碎块；然后按球料比为1:20将上述得到的玻璃碎块和氧化锆球磨珠混合后放入球磨机中研磨2h后过400目标准筛，用无水乙醇洗涤5遍后放入烘箱在110℃下干燥后得到再生玻璃粉，备用；随后称取2kg独居石放入气流粉碎机中粉碎，分别用浓度为0.3mol/L盐酸和0.5mol/L氢氧化钠冲洗5遍，再将冲洗后的独居石和高岭土按质量比为1:3混合后放入研钵中，研磨40min后过200目标准筛得混合粉末；接下来按重量分数计称取60份上述混合粉末和30份备用的再生玻璃粉混合均匀后装入发酵罐，称取80份委陵菜根，用去离子水冲洗干净后放入石臼捣碎成糊状物，再将糊状委陵菜根倒入发酵罐中，用搅拌棒搅拌均匀，得到发酵底物；之后按接种量为10%向上述反应底物中接入牛链球菌，用保鲜膜密封罐口，将发酵罐移入39℃的温室中，保温发酵改性8天后取出发酵物，按体积比为3:1将发酵物和质量浓度为40%的羧甲基纤维素钠溶液混合后放入超声分散仪中以300W功率超声处理20min得到涂层浆料；然后将碳钢基材分别用丙酮和质量浓度为10%的氢氧化钠溶液清洗5遍后，再用流动去离子水冲洗10min，放入烘箱在110℃下干燥30min，取出碳钢用涂布机将上述涂层浆料均匀的涂布在碳钢表面，涂布厚度为2mm；最后涂布完成后将碳钢放入烘箱在60℃下干燥2h，再将其转入真空烧结炉中，抽真空至600Pa，加热升温至700℃保温烧结50min后，向炉中通入氩气直至置换出所有空气为止，继续升温至1100℃，保温煅烧50min，待其自然冷却至室温后取出，即得碳钢防腐耐磨陶瓷涂层。
本实例方法独特新颖，制备过程简单易行，最终制得的碳钢防腐耐磨陶瓷涂层抗氧化温度达到1200℃，抗剥离强度为40N/mm，显微硬度为45GPa，摩擦系数为0.8，磨损率为10-6m3/NM，可在工业上广泛使用。