一种电磁感应加热线圈用防护涂层以及制备方法与流程

本发明涉及一种防护涂层制备技术，具体涉及一种电磁感应加热线圈用防护涂层以及制备方法。

背景技术：

电磁感应加热线圈广泛用于金属冶炼设备的加热部件，而冶炼过程产生的高温容易使得绝缘层脱落；高温金属熔体可能会烧熔感应线圈而影响生产，严重的甚至引发设备和人身事故。根据感应加热线圈的工作环境，保护涂料和/或涂层须具备耐火度高、隔热性好、热震稳定性高、绝缘性能好的特点。而对于感应加热线圈的防护涂层现有技术中并未涉及太多。

中国专利cn109440045a公开了一种esp生产线电磁感应加热线圈超薄防护工艺，包括喷涂粘结层、喷涂过渡层、喷涂工作层、喷涂封闭层。然而该工艺涂层结构过于复杂，每个涂层需要重复喷涂；而且工作层、封闭层采用刷涂方式，涂层厚度不易控制、同时涂层厚度也容易出现不均匀。

中国专利cn107057423a公开了一种中频炉线圈专用涂料，按质量分数包括以下组份：0.2～1mm电熔尖晶石空心球35～55份，硅藻土15～25份，珍珠岩10～20份，粘土5～10份，铝酸盐水泥10～15份，氧化铬粉1～3份，水10～20份。能够有效解决现有中频炉线圈涂料抗热震性和抗侵蚀差的问题。

中国专利cn101162636a公开了一种中频炉用感应线圈保护层，所述的保护层的材料包括耐高温空心球、粉体材料以及结合剂，各组分的质量百分比为：耐高温空心球40～50％，粉体材料34～56％，结合剂4～16％。本发明提供一种具有较低的导热系数、节能效果好、延长感应线圈的使用寿命的中频炉用感应线圈保护层。

上述专利都着重于保护层的性能，并没有考虑额外的涂层对感应加热线圈本身性能参数的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种电磁感应加热线圈用防护涂层。在确保涂层高温防护性能的同时不损害电磁感应加热线圈本身性能。本发明的目的之二是提供一种电磁感应加热线圈用防护涂层的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种电磁感应加热线圈用防护涂层，包括电磁感应加热线圈本体、热障涂层以及绝缘涂层；所述热障涂层为：zro2-y2o3涂层，其中zro2-y2o3涂层含有t-zro2、c-zro2混合相；所述绝缘涂层为aln、bn陶瓷涂层，其中aln、bn混合涂层含有w-aln、c-bn和w-bn混合相。

进一步地，所述电磁感应加热线圈材质为紫铜。

进一步地，所述热障涂层厚度为200～500μm；所述绝缘涂层厚度为50～100μm。

进一步地，t-zro2相含量为70～80wt.％、c-zro2相量为20～30wt.％。

进一步地，w-aln相含量为50～60wt.％、c-bn相含量为20～30wt.％、w-bn相含量为10～20wt.％。

一种电磁感应加热线圈用防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)紫铜线圈预处理：将线圈依次进行除油、水洗、微蚀、水洗；微蚀液由10～50g/l过硫酸钠、15～30g/l硫酸、0.5～2g/l苯并三氮唑、余量水组成。

(2)大气等离子喷涂热障涂层：将线圈加热至400～500℃，采用zro2、7～9wt.％y2o3混合粉末，在预处理后的线圈表面喷涂zro2-y2o3涂层；喷涂参数为：功率20-30kw、电流400～500a、ar50～100sccm、h220～50sccm、喷涂距离80～120mm、移动速率150～200mm/s、送粉速率20-30rpm。

(3)多弧离子镀沉积绝缘涂层：将步骤(2)所述线圈置于多弧离子镀设备中，al靶、bn靶相对置于靶位上；真空室加热至250～500℃、抽真空至2～5×10^-5pa，通入ar、基体施加300～400v负偏压对线圈表面离子轰击10～20min。升高温度、通入ar、n2、同时开启离子镀弧源al靶和bn靶，设置温度500～600℃、ar流量20～50sccm、n2流量50～100sccm、al靶电流50～70a、al靶电流80～100a；基体负偏压450～500v开始镀膜，镀膜时间5～10min。

(4)关闭靶电源、偏压电源，停止通入ar、n2，冷却至室温取出线圈。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：

1、由于电磁感应加热线圈通常材质为表面光滑的紫铜管，所以本发明采用微蚀液对线圈表面进行微蚀，从而对铜管表面进行咬蚀获得粗糙表面，可以提高线圈与整体防护涂层之间的结合力。

2、氧化钇稳定氧化锆热障涂层具有高温热稳定性以及高温抗氧化性，能够有效的冶炼熔体对线圈的侵蚀；同时能够减少线圈的热损耗。

3、aln陶瓷、bn陶瓷具有优异的绝缘性能、耐电压击穿强度，本发明通过多弧离子镀技术制备了两者混合的陶瓷涂层，通过工艺参数的优化制备出良好绝缘性、高导热系数、高耐电压击穿强度一级抗高温氧化的保护层，即达到保护线圈的作用同时避免额外涂层对线圈本申请性能的影响。

4、工艺简单、可控，可广泛用于电磁感应加热线圈的防护，大大提高了线圈的使用寿命、降低维护成本。

附图说明

图1为本发明电磁感应加热线圈本体、防护涂层截面的结构示意图，其中1：线圈本体，2：热障涂层，3：绝缘涂层。

图2为实施例热障涂层的扫描电镜图。

图3为实施例aln、bn陶瓷涂层的扫描电镜图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种电磁感应加热线圈用防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)紫铜线圈预处理：将线圈依次进行除油、水洗、微蚀、水洗；微蚀液由20g/l过硫酸钠、20g/l硫酸、1g/l苯并三氮唑、余量水组成。

(2)大气等离子喷涂热障涂层：将线圈加热至450℃，采用zro2、7wt.％y2o3混合粉末，在预处理后的线圈表面喷涂zro2-y2o3涂层；喷涂参数为：功率25kw、电流400a、ar80sccm、h230sccm、喷涂距离90mm、移动速率15mm/s、送粉速率20rpm。

(3)多弧离子镀沉积绝缘涂层：将步骤(2)所述线圈置于多弧离子镀设备中，al靶、bn靶相对置于靶位上；真空室加热至300℃、抽真空至3×10^-5pa，通入ar、基体施加350v负偏压对线圈表面离子轰击10min。升高温度、通入ar、n2、同时开启离子镀弧源al靶和bn靶，设置温度500℃、ar流量50sccm、n2流量100sccm、al靶电流50a、al靶电流90a；基体负偏压450v开始镀膜，镀膜时间10min。

(4)关闭靶电源、偏压电源，停止通入ar、n2，冷却至室温取出线圈。

实施例2

一种电磁感应加热线圈用防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)紫铜线圈预处理：将线圈依次进行除油、水洗、微蚀、水洗；微蚀液由30g/l过硫酸钠、20g/l硫酸、0.5g/l苯并三氮唑、余量水组成。

(2)大气等离子喷涂热障涂层：将线圈加热至400℃，采用zro2、9wt.％y2o3混合粉末，在预处理后的线圈表面喷涂zro2-y2o3涂层；喷涂参数为：功率30kw、电流500a、ar100sccm、h250sccm、喷涂距离120mm、移动速率200mm/s、送粉速率25rpm。

(3)多弧离子镀沉积绝缘涂层：将步骤(2)所述线圈置于多弧离子镀设备中，al靶、bn靶相对置于靶位上；真空室加热至400℃、抽真空至5×10^-5pa，通入ar、基体施加300负偏压对线圈表面离子轰击20min。升高温度、通入ar、n2、同时开启离子镀弧源al靶和bn靶，设置温度600℃、ar流量40sccm、n2流量80sccm、al靶电流70a、al靶电流100a；基体负偏压500v开始镀膜，镀膜时间8min。

(4)关闭靶电源、偏压电源，停止通入ar、n2，冷却至室温取出线圈。

实施例3

一种电磁感应加热线圈用防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)紫铜线圈预处理：将线圈依次进行除油、水洗、微蚀、水洗；微蚀液由10g/l过硫酸钠、15g/l硫酸、2g/l苯并三氮唑、余量水组成。

(2)大气等离子喷涂热障涂层：将线圈加热至500℃，采用zro2、7wt.％y2o3混合粉末，在预处理后的线圈表面喷涂zro2-y2o3涂层；喷涂参数为：功率25kw、电流450a、ar60sccm、h240sccm、喷涂距离80mm、移动速率150mm/s、送粉速率25rpm。

(3)多弧离子镀沉积绝缘涂层：将步骤(2)所述线圈置于多弧离子镀设备中，al靶、bn靶相对置于靶位上；真空室加热至300℃、抽真空至4×10^-5pa，通入ar、基体施加300v负偏压对线圈表面离子轰击15min。升高温度、通入ar、n2、同时开启离子镀弧源al靶和bn靶，设置温度550℃、ar流量30sccm、n2流量70sccm、al靶电流60a、al靶电流90a；基体负偏压450v开始镀膜，镀膜时间10min。

(4)关闭靶电源、偏压电源，停止通入ar、n2，冷却至室温取出线圈。

一、采用扫描电镜设备观察实施例1-3制备的热障涂层、aln、bn陶瓷涂层的表面形貌。

其中图2(a)-(c)对应实施例1-3步骤(2)获得的大气等离子喷涂热障涂层的形貌。大气等离子喷涂制备的热障涂层表面均较为粗糙，孔隙多，有部分未熔融或半熔融粉末粒子堆叠在涂层的表面。基于上述形貌特点，本发明在电弧离子镀制备沉积绝缘涂层之前对热障涂层表面进行离子轰击处理，能够改善起粗糙度、对热障涂层有效致密化；此外，离子轰击可以促使形成活化表面，有利于厚度绝缘涂层的沉积。

其中图3(a)-(c)对应实施例1-3步骤(3)获得的绝缘涂层的形貌。从图3可以看出，由多弧离子镀沉积的aln、bn混合涂层表面致密。能够有效阻止金属熔体进渗入内部、减少其对线圈的腐蚀，可以提高线圈的使用寿命。

二、采用ⅹ射线衍射(xrd)测试实施例1-3制备的热障涂层、aln、bn陶瓷涂层结构。测试结果表明，zro2-y2o3热障涂层含有t-zro2、c-zro2混合相；aln、bn混合涂层含有w-aln、c-bn和w-bn混合相。并根据衍射峰强度拟合计算得到了各相的含量，具体结果记录于表1。

表1

三、防护层性能测试，对实施例1-3制备得到的防护涂层进行导热系数、电阻率、耐电压击穿强度表征。具体数据记录于表2。

表2

在一定程度上，整体涂层厚度越厚，耐电压击穿强度越大；防护涂层的导热系数高达200w·m^-1·k^-1，由此可见具有优异的导热性能，能够有效避免涂层对线圈传导热能的影响。此外，涂层也具有高达10¹⁴的电阻率，说明防护涂层的绝缘性能良好。

aln的含量越高，相应的可以提高整体防护层的导热系数，故本发明通过控制多弧离子镀工艺参数，从而提高aln相在aln、bn混合涂层中的含量。

四、抗高温氧化测试。

将实施例1-3制备得到的防护涂层置于空气中，加热至1100℃高温氧化2h。对氧化前后的涂层进行xrd、xps测试，经过对比，xrd图谱的出峰位置无改变。经过xps拟合得到的zr、y、o、al、n、b的含量也基本未升高或降低。由此可知，防护涂层在高温下是稳定的，能够抵抗高温环境的影响。

需要说明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。