本发明涉及金属陶瓷复合涂层领域，具体涉及一种用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术：
电镀铬作为一项有着悠久历史的技术，因其优良的性质，被广泛应用在机械零部件易磨和易腐蚀的层面。电镀硬铬技术的主要材料就是铬，在应用过程中，因铬酸溶液会与绝大多数的元素发生反应，产生大量的氢气，不被推崇综合使用；电镀硬铬技术，因铬的中和作用，也不可避免的会出现很多环境污染问题。在社会迅速发展的今天，继续应用这种技术，带来的问题将会更严重，因此，寻求替代电镀硬铬技术的任务就显得格外重要。
根据相关学者研究得出结论，新型替代电镀硬铬的工艺早已流行在许多发达国家，热喷涂工艺仪器零污染，原材易得，操作方便被誉为代替电镀硬铬的最佳工艺。结合热喷涂技术发展历程看，这项工艺在很多应用行业中，已取得不少显著成绩，也开始逐渐受到重视和认可。
热喷涂技术是一种将涂层材料送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化、并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成覆盖层的工艺。该工艺操作简便、灵活高效，涂层材料种类繁多，使得热喷涂涂层孔隙多、结合强度不高的弱点得以克服，涂层质量有了质的飞跃，从而热喷涂涂层替代电镀硬铬有了坚实的技术基础。其中，三阴极等离子喷涂设备采用轴向送粉，设备工作状态稳定，沉积效率高，这些特性使ac-hvaf(活性燃烧高速燃气喷涂技术)成为最具有吸引力的替代电镀硬铬的方法。此外，通过适当的冷却方法和仔细控制喷枪的运动，可以将工件表面的温度控制在93℃以下，因此许多对温度敏感的材料也可以用hvof(高速燃气喷涂技术)喷涂处理。
在锂电压辊行业，目前市面上普遍采用的是传统的镀硬铬工艺，锂电行业的压辊造价昂贵，在实际工况中，由于每隔几个月就要重新退镀、重镀一次，严重影响生产，返修成本很高。从材料本身的角度出发，镀硬铬在实际工况下工作，如果浆料出现硬质颗粒，会出现表面凹陷、刮伤等现象，并且浆料通常是处于碱性环境下，而镀硬铬存在硬度低、耐磨性差或耐碱性腐蚀差的问题，随着锂电行业的日益发展，传统的镀硬铬工艺已无法满足生产需求。因此，制备一种硬度高、耐磨性能好、结合强度高且耐腐性性能好的性能兼备的锂电压辊表面防护涂层是当前亟待解决的课题。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层及其制备方法。通过该方法能够制备出与基体及打底层结合良好，且具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、结合强度高的金属陶瓷复合涂层，从而显著的提高锂电压辊的使用寿命，降低使用成本。
本发明采用以下技术方案：
一种用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层，其特征在于，包括喷涂于锂电压辊基材表面的打底层和喷涂于打底层表面的工作层，所述的打底层为wc-cr3c2-nicr复合粉末，所述的工作层为wc-cocr复合粉末。
优选地，所述的wc-cr3c2-nicr复合粉末按质量百分比计，包括70～80wt％wc、12～25wt％cr3c2和4～15wt％nicr。
进一步优选地，所述的wc-cr3c2-nicr复合粉末按质量百分比计，包括73wt％wc、20wt％cr3c2和7wt％nicr。
优选地，所述的wc-cocr复合粉末由按质量百分比计，包括80～90wt％wc、5～15wt％co、2～6wt％cr。
进一步优选地，所述的wc-cocr复合粉末按质量百分比计，包括86wt％的wc、10wt％的co、4wt％的cr。
优选地，所述的打底层厚度为80～120mm，工作层厚度为120～150mm。
一种用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将锂电压辊基材进行清洁和粗化处理；
(2)对wc-cr3c2-nicr复合粉末、wc-cocr复合粉末及锂电压辊基材进行预热处理；
(3)采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr复合粉末喷涂于锂电压辊基材表面，即得打底层；
(4)采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cocr复合粉末喷涂于打底层表面，抛光后即得工作层。
优选地，所述的步骤(1)中对锂电压辊基材表面进行除油和粗化处理具体步骤为：先用丙酮超声清洗锂电压辊基材表面，再用24-80#的白刚玉进行喷砂粗化至表面粗糙度为ra2～5μm。
优选地，所述步骤(2)中，对wc-cr3c2-nicr复合粉末和wc-cocr复合粉末进行预热处理的具体步骤为：将复合粉末置于60～120℃下烘干2h；对锂电压辊基材进行预热处理的具体步骤为：将锂电压辊基材预热到100～150℃。
优选地，所述的步骤(3)和步骤(4)中活性燃烧高速燃气喷涂的工艺参数为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为97～103psi、燃料ⅱ压力为102～105psi、空气压力为105～108psi、氮气送粉流量为70～80l/min、送粉率为50～70g/min、喷涂距离为280～360mm、喷涂角度为80～90°。
本发明采用wc-cr3c2-nicr金属复合陶瓷粉末作为打底层，其组分中，wc硬度高，耐磨性能好，cr3c2具有cr元素，在涂层中起到耐腐蚀作用；nicr合金一方面在涂层中作为粘接相，起到提高涂层的结合强度和韧性，另一方面，其具有极好的耐腐蚀性能。此外，由于cr3c2的硬度相比wc要低许多，作为打底层可以减少喷涂过程中产生的内应力，更有利于提高工作面涂层和压辊基体的结合强度。采用wc-cocr复合陶瓷粉末作为工作层，其组分中，wc组分含量高，耐磨性能好，硬质cocr粘接相具有好的包覆能力，可以减少wc在喷涂过程中脱碳，并且具有良好的耐腐蚀能力。wc-cr3c2-nicr复合粉末和wc-cocr复合粉末通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
本发明的有益效果：
(1)本发明制备出来的涂层兼备优异的高硬度、耐磨耐腐蚀及高结合强度的性能，可以作为锂电压辊的涂层材料。
(2)与传统的超音速火焰和等离子喷涂相比，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术制备金属陶瓷复合涂层，由于其具有较低的火焰温度和更高的焰流速度，可以有效的防止wc及cr3c2氧化脱碳，制备出高耐磨、高结合强度和低孔隙率的涂层。
(3)本发明采用涂层结构替代以前的传统单涂层，不仅有助于减少成本，更加有利于提高涂层和基体的结合强度。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的金属陶瓷复合涂层的截面形貌图。
图2为本发明实施例1中制备的金属陶瓷复合涂层和9cr2mo锂电压辊基材的摩擦因素随时间变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由73wt％的wc、20wt％的cr3c2和7wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由86wt％的wc、10wt％的co和4wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用24#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra3.9μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行120℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到150℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为100mm。
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为150mm。
喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为103psi、燃料ⅱ压力为105psi、空气压力为108psi、氮气送粉流量为75l/min、送粉率为60g/min、喷涂距离为280mm、喷涂角度为90°。
实施例2
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由73wt％的wc、16wt％的cr3c2和11wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由86wt％的wc、10wt％的co和4wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用24#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra3.6μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行120℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到130℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为100mm；
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为150mm。
喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为97psi、燃料ⅱ压力为102psi、空气压力为105psi、氮气送粉流量为70l/min、送粉率为50g/min、喷涂距离为280mm、喷涂角度为80°。
实施例3
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由73wt％的wc、14wt％的cr3c2和13wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由86wt％的wc、10wt％的co和4wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用24#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra3.3μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行120℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到110℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为100mm；
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为150mm。
喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为100psi、燃料ⅱ压力为103psi、空气压力为107psi、氮气送粉流量为80l/min、送粉率为60g/min、喷涂距离为360mm、喷涂角度为85°。
实施例4
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由73wt％的wc、12wt％的cr3c2和15wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由86wt％的wc、10wt％的co和4wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用24#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra3μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行120℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到110℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为100mm。
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为150mm。喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为103psi、燃料ⅱ压力为105psi、空气压力为108psi、氮气送粉流量为75l/min、送粉率为70g/min、喷涂距离为320mm、喷涂角度为90°。
实施例5
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由70wt％的wc、15wt％的cr3c2和15wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由89wt％的wc、5wt％的co和6wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用50#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra5μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行60℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到100℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为120mm。
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为130mm。喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为103psi、燃料ⅱ压力为105psi、空气压力为108psi、氮气送粉流量为75l/min、送粉率为70g/min、喷涂距离为320mm、喷涂角度为90°。
实施例6
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由80wt％的wc、12wt％的cr3c2和8wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由90wt％的wc、8wt％的co和2wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用80#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra2μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行90℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到130℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为80mm。
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为120mm。喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为103psi、燃料ⅱ压力为105psi、空气压力为108psi、氮气送粉流量为75l/min、送粉率为70g/min、喷涂距离为320mm、喷涂角度为90°。
实施例7
本实施例提供一种用于热作模具表面强化的高性能金属陶瓷复合涂层。打底层由wc-cr3c2-nicr复合粉末制备而成，复合粉末由71wt％的wc、25wt％的cr3c2和4wt％的nicr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成，工作层由wc-cocr复合粉末制备而成，复合粉末由80wt％的wc、15wt％的co和5wt％的cr通过高能球磨后喷雾造粒制备而成。
上述用于锂电压辊的高性能金属陶瓷复合涂层的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、先对9cr2mo锂电压辊基材表面进行丙酮超声清洗，然后用80#的白刚玉进行喷砂粗化，喷砂后表面粗糙度为ra2μm。
步骤二、喷涂前对wc-cr3c2-nicr复合粉末及wc-cocr复合粉末进行90℃下2小时的烘干处理，并将9cr2mo锂电压辊基材预热到130℃。
步骤三、采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将wc-cr3c2-nicr喷涂粉末喷涂于基材表面，作为打底层，厚度为80mm。
步骤四、将wc-cocr喷涂粉末喷涂于打底层表面，作为工作层，厚度为120mm。喷涂工艺参数具体为：燃料类型为丙烷、燃料ⅰ压力为103psi、燃料ⅱ压力为105psi、空气压力为108psi、氮气送粉流量为75l/min、送粉率为70g/min、喷涂距离为320mm、喷涂角度为90°。
本发明金属陶瓷复合涂层的性能测试方法如下：
显微维氏硬度性能测试：本试验参考国标gb/t9790-1998进行试验，先将涂层截面试样镶嵌并打磨抛光，利用hvs-1000型数显显微维氏硬度计进行硬度测试。测试时所施加载荷为0.3kg，并保载15秒。为了保证数据的准确性，每种涂层随机测量12个点，然后去掉其中硬度最高与最低的两个值，每种涂层保留10个有效数据并计算其平均值及标准差。
摩擦磨损性能测试：在ht-1000摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，所用的摩擦副为直径6mm的si3n4陶瓷球，测试载荷为10n，转速为400rpm，温度为室温，磨损时间为30min。
动电位极化曲线测试：将试样裁切成直径为2cm、厚度为3mm的圆，打磨抛光至900目，测量其在1mol/l的naoh溶液中的动电位极化曲线，具体动电位极化曲线参数为从-1.0v(vs.ocp)开始扫描至1.0v(vs.ocp)，扫描速度为10mv/s，
结合强度测试：依据gb/t8642-2002，利用对偶拉伸法测量涂层的结合强度，在试样的一端喷涂厚度约250μm的涂层，另一端进行喷砂粗化处理，随后用e7胶(购于上海华谊树脂有限公司)将其粘结在一起，一起放入100℃的电阻炉中保温3小时让其固化，出炉冷却后，在utm5105型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸试验时设定加载速率为150n/s。记录下涂层被拉断时的最大加载力，然后按公式：p＝f/s计算其结合强度，其中p为涂层的结合强度(mpa)，f为涂层被拉断时的加载力(n)，s为涂层与基体结合面积(mm2)。每种涂层做3次拉伸试验，并将3次测量结果的平均值作为该涂层的结合强度。
下表为各实施例涂层与对比例试样(9cr2mo锂电压辊基材)的性能测试结果。
从上表数据可以看出，经过喷涂wc-cr3c2-nicr金属陶瓷复合涂层打底，wc-cocr金属陶瓷复合涂层作为工作层后，锂电压辊各方面性能均得到大幅的提升，说明本发明的金属陶瓷复合涂层对锂电压辊起到很好的防护作用。
进一步对金属陶瓷复合涂层的截面形貌(如图1所示)观察，可知本发明制备的金属陶瓷复合涂层与打底层、打底层与基体结合良好，没有明显的分界线，组织均匀致密，无明显的微裂纹。此外，图2中─○━为9cr2mo压辊基材的摩擦因素曲线，─●─为金属陶瓷复合涂层的摩擦因素曲线，由图可以看到：金属陶瓷复合涂层的摩擦因素明显小于9cr2mo压辊基材，且其摩擦因素曲线更加平稳，这说明金属陶瓷复合涂层摩擦学性能要优于9cr2mo压辊基材。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围。