本发明是专利申请号201711180608.7、发明名称为“钢铁材料表面复合涂层及其制备方法”的分案申请。
本发明涉及一种不锈钢表面复合涂层的制备方法。
背景技术：
在海洋高湿热、高盐雾、高氯离子浓度环境下，钢铁材料的腐蚀极其严重，各种钢铁材质的运动构件由于长期受到摩擦磨损，使得腐蚀现象更为严重。海洋气候下钢铁构件的耐蚀表面防护措施主要有涂漆、电镀/化学镀、热喷涂、冷喷涂、涂油等。涂漆是现阶段最常用的耐海洋气候腐蚀表面防护措施，但由于运动部件处于摩擦工况，漆面容易出现脱落、划伤及磨损等现象，严重影响构件的耐蚀性能；镀铬、复合镀ni-sic等工艺虽然耐磨性好，但难以满足海洋气候下的耐蚀性要求，镀镉等工艺虽耐蚀性较好，但镉为高致癌性物质，制造、维修过程对人员及环境危害极大，且镉镀层存在质软不耐磨损、高温易粉化、对氢脆敏感等严重缺陷；采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂等热喷涂工艺制备的涂层耐磨效果显著，但由于孔隙率较高而耐蚀性能有限；冷喷涂铝涂层具有极佳的耐蚀性能，但其质软而不耐磨，难以直接用于运动构件表面耐蚀耐磨防护。涂油是解决运动构件耐蚀耐磨问题的简单方法，但需要定期涂油保养，保障费时费力。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种耐磨耐腐蚀性能优异的不锈钢表面涂层的制备方法，包括以下步骤：
(一)铝基底层制备：铝基底层的成分包括铝和al2o3；
(1)把304不锈钢样品在50℃～80℃的碱性脱脂剂中脱脂约15min；用自来水漂洗50s，流水漂洗20s；用压缩空气吹干；对样品表面进行喷砂处理，采用120目棕刚玉砂，喷砂压力0.70mpa～0.95mpa；
(2)按照9：1的比例将纯铝粉末与氧化铝颗粒放入混料器中，均匀混合30min；将混合粉体放入50℃的烘箱内烘烤80min；将烘烤完成的混合粉体倒入冷喷涂设备的料筒中；
(3)将样品固定在样品台上，调整喷枪与样品距离至15mm；编制好喷枪运动轨迹，喷涂角度控制在70～90°，设置好喷枪移动速度5mm/s；
(4)启动冷喷涂设备，将空气压力调整至0.5mpa，将喷涂气体温度设置为600℃，按照预设轨迹进行喷涂，喷涂次数1次，铝基底层厚度20～30μm；
(5)对铝基底涂层进行磨光，打磨后的涂层厚度50μm，表面粗糙度ra1.6μm左右；
(二)al2o3陶瓷层制备：采用双极性微弧氧化工艺在铝基体层上原位生成al2o3陶瓷层；
(1)将喷涂有铝基底层的样品与微弧氧化设备的电源正极牢固连接；
(2)将样品浸没于电解液中，电解液成分为磷酸钠15g/l，四硼酸钠5g/l，偏钒酸钠5g/l，其余为去离子水；
(3)启动微弧氧化设备，工艺参数为：正电流密度6a/dm2，负电流密度1a/dm2，频率800hz，占空比20％，氧化时间10min，采用此工艺制得的微弧氧化al2o3陶瓷层厚度5～10μm；
(4)微弧氧化后的样品直接浸入流动的冷水中清洗5min，清洗后的样品在80℃的烘箱中烘干。
优选地，上述混合粉体中纯铝粉含量为50wt％～95wt％，纯铝粉末粒度为15～75μm；上述氧化铝粉末含量为5wt％～50wt％,氧化铝颗粒粒度45～90μm。
本发明目的在于提供一种适用于钢铁材料表面具有高耐蚀高耐磨性能的al-al2o3复合涂层制备方法，该复合涂层可解决现有技术中存在的耐磨性能和耐蚀性能难以兼顾的问题。本发明提供的制备方法制备的复合涂层具有硬度高、耐蚀性好、结合力好、无污染等优点，特别适用于在海洋高湿热、高盐雾环境下钢铁运动构件的耐磨耐蚀防护。
本发明的有益效果如下：
(1)冷喷涂铝涂层耐蚀性好但质软，微弧氧化al2o3涂层耐磨性好但孔隙率高，本发明结合两者特点，制备出的高耐蚀高耐磨al-al2o3复合涂层为铝基底层与al2o3陶瓷层的结合体。铝基底层采用冷喷涂方法制备，具有很高的结合强度(38mpa)和极低的孔隙率(≤1％)；al2o3陶瓷层采用双极性微弧氧化方法在铝基体层上原位生成，结合力强，具有很高的硬度(1200hv)。
(2)本发明制备的al-al2o3复合涂层具备冷喷涂铝涂层和微弧氧化al2o3涂层的优点，同时具有极高的耐蚀性(中性盐雾2000h无腐蚀，耐人造海水浸泡2000h无腐蚀)和极佳的耐磨性(7mg/h，mm200摩擦磨损试验，载荷8kg)，尤其适用于解决钢铁运动构件在高湿热、高盐雾、高氯离子浓度海洋气候下的耐蚀耐磨问题。
(3)本发明中冷喷涂时在纯铝粉加入合适比例的氧化铝颗粒，有益于提高涂层的结合力和硬度，提升铝基底层对al2o3陶瓷层的支撑作用。
(4)al-al2o3复合涂层制备工艺无有害物质的使用，对环境无污染，无有毒废水、无刺激气味产生。
具体实施方式
在下文中，将实施例更全面地描述本公开。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施
例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本公开的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本公开的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
在本公开的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
材料：q235钢——样品
(一)铝基底层制备
(1)把样品在60℃～70℃的碱性脱脂剂中脱脂10min；用自来水漂洗30s，流水漂洗30s；用压缩空气吹干；对样品表面进行喷砂处理，采用120目棕刚玉砂，喷砂压力0.65mpa～0.8mpa。
(2)按照4：1的比例将纯铝粉末与氧化铝颗粒放入混料器中，均匀混合30min；将混合粉体放入80℃的烘箱内烘烤60min；将烘烤完成的混合粉体倒入冷喷涂设备的料筒中。
(3)将样品固定在样品台上，调整喷枪与样品距离至10mm；编制好喷枪运动轨迹，喷涂角度控制在80～90°，设置好喷枪移动速度12mm/s。
(4)启动冷喷涂设备，将空气压力调整至0.7mpa，将喷涂气体温度设置为450℃，按照预设轨迹进行喷涂，喷涂次数3次，铝基底层厚度100～120μm。
(5)对铝基底涂层进行磨光，打磨后的涂层厚度80～100μm，表面粗糙度ra0.8μm。
(二)al2o3陶瓷层制备
(1)将喷涂有铝基底层的样品与微弧氧化设备的电源正极牢固连接。
(2)将样品浸没于电解液中，电解液成分为磷酸钠21g/l，四硼酸钠10g/l，偏钒酸钠1g/l，其余为去离子水。
(7)启动微弧氧化设备，工艺参数为：正电流密度4a/dm2，负电流密度0.5a/dm2，频率900hz，占空比30％，氧化时间40min。采用此工艺制得的微弧氧化al2o3陶瓷层厚度25～30μm。
(8)微弧氧化后的样品直接浸入流动的冷水中清洗5min，清洗后的样品在80℃的烘箱中烘干。
由本实施例制备的al-al2o3复合涂层外观呈灰色，结合强度为40mpa，表面显微维氏硬度可达1500hv，中性盐雾试验2000h无腐蚀，人造海水试验2000h无腐蚀，载荷8kg下mm200摩擦磨损试验的磨损量为6mg/h。
实施例2
材料：304不锈钢——样品
(一)铝基底层制备
(1)把样品在50℃～80℃的碱性脱脂剂中脱脂15min；用自来水漂洗50s，流水漂洗20s；用压缩空气吹干；对样品表面进行喷砂处理，采用120目棕刚玉砂，喷砂压力0.70mpa～0.95mpa。
(2)按照9：1的比例将纯铝粉末与氧化铝颗粒放入混料器中，均匀混合30min；将混合粉体放入50℃的烘箱内烘烤80min；将烘烤完成的混合粉体倒入冷喷涂设备的料筒中。
(3)将样品固定在样品台上，调整喷枪与样品距离至15mm；编制好喷枪运动轨迹，喷涂角度控制在70～90°，设置好喷枪移动速度5mm/s。
(4)启动冷喷涂设备，将空气压力调整至0.5mpa，将喷涂气体温度设置为600℃，按照预设轨迹进行喷涂，喷涂次数1次，铝基底层厚度20～30μm。
(5)对铝基底涂层进行磨光，打磨后的涂层厚度50μm，表面粗糙度ra1.6μm。
(二)al2o3陶瓷层制备
(1)将喷涂有铝基底层的样品与微弧氧化设备的电源正极牢固连接。
(2)将样品浸没于电解液中，电解液成分为磷酸钠15g/l，四硼酸钠5g/l，偏钒酸钠5g/l，其余为去离子水。
(7)启动微弧氧化设备，工艺参数为：正电流密度6a/dm2，负电流密度1a/dm2，频率800hz，占空比20％，氧化时间10min。采用此工艺制得的微弧氧化al2o3陶瓷层厚度5～10μm。
(8)微弧氧化后的样品直接浸入流动的冷水中清洗5min，清洗后的样品在80℃的烘箱中烘干。
由本实施例制备的al-al2o3复合涂层外观呈灰色，结合强度为38mpa，表面显微维氏硬度可达1200hv，中性盐雾试验2000h无腐蚀，人造海水试验2000h无腐蚀，载荷8kg下
mm200摩擦磨损试验的磨损量为7mg/h。
实施例3
材料：40cr钢——样品
(一)铝基底层制备
(1)把样品在40℃～60℃的碱性脱脂剂中脱脂20min；用自来水漂洗30s，流水漂洗50s；用压缩空气吹干；对样品表面进行喷砂处理，采用120目棕刚玉砂，喷砂压力0.60mpa～0.85mpa。
(2)按照2：1的比例将纯铝粉末与氧化铝颗粒放入混料器中，均匀混合30min；将混合粉体放入90℃的烘箱内烘烤60min；将烘烤完成的混合粉体倒入冷喷涂设备的料筒中。
(3)将样品固定在样品台上，调整喷枪与样品距离至30mm；编制好喷枪运动轨迹，喷涂角度控制在90°，设置好喷枪移动速度20mm/s。
(4)启动冷喷涂设备，将空气压力调整至1.2mpa，将喷涂气体温度设置为200℃，按照预设轨迹进行喷涂，喷涂次数5次，铝基底层厚度300μm。
(5)对铝基底涂层进行磨光，打磨后的涂层厚度260～280μm，表面粗糙度ra0.8μm。
(二)al2o3陶瓷层制备
(1)将喷涂有铝基底层的样品与微弧氧化设备的电源正极牢固连接。
(2)将样品浸没于电解液中，电解液成分为磷酸钠35g/l，四硼酸钠25g/l，偏钒酸钠1g/l，其余为去离子水。
(7)启动微弧氧化设备，工艺参数为：正电流密度8a/dm2，负电流密度1a/dm2，频率1500hz，占空比40％，氧化时间120min。采用此工艺制得的微弧氧化al2o3陶瓷层厚度90～100μm。
(8)微弧氧化后的样品直接浸入流动的冷水中清洗10min，清洗后的样品在70℃的烘箱中烘干。
由本实施例制备的al-al2o3复合涂层外观呈灰色，结合强度为36mpa，表面显微维氏硬度可达1350hv，中性盐雾试验2000h无腐蚀，人造海水试验2000h无腐蚀，载荷8kg下mm200摩擦磨损试验的磨损量为6mg/h。