一種複合耐磨塗層的製備方法與流程
2023-11-04 06:19:47
本發明涉及材料技術領域，尤其涉及一種Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層的製備方法。
背景技術：
磨損是金屬零件失效的三種主要原因(磨損、腐蝕和疲勞)之一。它所造成的經濟損失是十分巨大的，如美國1981年公布的數字，每年由於磨損而造成的損失高達1000億美元。其中材料消耗約為200億美元，相當於材料年產量的7％。由於材料耐磨性較差，我國大量基礎零件的損失壽命普遍大幅度低於國外先進產品的水平，因此直接及間接的經濟損失也是十分驚人的。
僅就冶金礦山、農機、煤炭、電力、和建材五個工業部門不完全的統計，每年僅由於磨料磨損而需要補充的備件就達100萬噸鋼材，相當於15～20億人民幣。又如機械工業每年所用的鋼材，約有一半是消耗在備件的生產上，而備件中的大部分是由於磨損壽命不高而失效的，如約40％的農機具備件是由於磨料磨損消耗的，約30％的鍋爐鋼管是由於腐蝕磨損失效的。
在冶金礦山生產中，機械的工況和使用環境十分惡劣，磨損失效是機械失效的主要原因。以液漿泵為例，它是用來抽取的洗礦後剩下的尾礦砂泥漿，泥漿中含有部分硬度較髙的精礦砂、沙礫以及較大的石塊，而且其中還含有硫等腐蝕性的物質，加之運送泥漿時需要較高的壓頭，因此泵中流體的速度很高。具有較大的衝擊力。這些工況條件決定了渣漿泵在使用時即要能承受多種形式的磨損，又要有很高的機械韌性和強度，因而對泵過流部件的材質提出了很高的要求。然而單一材料的性能很難滿足這種即要有很高的機械強度，又要有能耐磨、耐腐的要求。
熱噴塗工藝及複合材料的產生，為解決這個問題開闢了一片新的前景。例如，將耐磨陶瓷材料噴塗在耐衝擊的金屬材料上，將兩種材料取長補短，優勢互補，可以滿足機械設備日益提高的機械負荷和對抗磨損性的苛刻要求。
熱噴塗複合耐磨塗層能否成功的關鍵在於耐磨性，然而噴塗材料與塗層的性質有很大的差異，所以，只能根據噴塗材料既有性質進行選材，至於耐磨塗層的耐磨性需要大量的性能試驗驗證。耐磨塗層質量除了與噴塗材料有關，還受到噴塗工藝與塗層結構的影響，這涉及塗層的結合強度和殘餘熱應力，高結合強度與低殘餘熱應力是熱噴塗工藝的最終目的。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種複合耐磨塗層的製備方法，所述複合塗層能夠提高基體的耐磨性能。
為達此目的，本發明採用以下技術方案：
一種複合耐磨塗層的製備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1-2混合，加入直徑4-7mm的ZrO2球磨介質，在球磨機中攪拌2-8小時；
(2)將有機黏結劑溶於水或乙醇，配置成有機黏結劑溶液，與球磨後的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1-5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散後的料漿噴霧乾燥，噴霧乾燥的進風溫度為200-300℃，出風溫度為80-120℃，轉速為3000-15000轉/分鐘，進料率為0.5-1升/分鐘，得到平均粒徑為30-60μm的粉末；
(5)將所述粉末在450-750℃下處理5-10分鐘，在1000-1200℃下處理15-30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末；
(6)將基材表面進行噴砂粗化並洗滌、乾燥；
(7)採用等離子噴塗設備，對所述基材進行等離子噴塗所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末，在基體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層。
本發明的所述等離子噴塗設備，是本領域的已知技術，其工藝條件的確定，可以根據本領域的現有技術，或者有限次試驗進行確定，本發明不再就其進行限定。
本發明所述Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4的質量比為1:2-10:0.5-2。
優選的，本發明所述的基材為渣漿泵的葉輪或殼體。即：
一種渣漿泵的葉輪或殼體複合耐磨塗層的製備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1-2混合，加入直徑4-7mm的ZrO2球磨介質，在球磨機中攪拌2-8小時；
(2)將有機黏結劑溶於水或乙醇，配置成有機黏結劑溶液，與球磨後的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1-5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散後的料漿噴霧乾燥，噴霧乾燥的進風溫度為200-300℃，出風溫度為80-120℃，轉速為3000-15000轉/分鐘，進料率為0.5-1升/分鐘，得到平均粒徑為30-60μm的粉末；
(5)將所述粉末在450-750℃下處理5-10分鐘，在1000-1200℃下處理15-30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進行噴砂粗化並洗滌、乾燥；
(7)採用等離子噴塗設備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進行等離子噴塗所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層。
優選的，所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層厚度為0.2-0.5mm。
優選的，在所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層與基體表面之間等離子噴塗NiCrAl底層材料。所述NiCrAl底層材料是市售產品，本領域技術人員可以購買得到，或者自己加工製備得到。例如，按照1-3:1-3:1-3的原子比復配得到。
將本發明得到的Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層基體置於水沙混合物中，進行旋轉磨損試驗，經過24小時後，稱重，並與磨損前的重量進行比較，磨損損失率低於0.01％，說明本發明製備得到的複合塗層耐磨且與基體結合緊密牢固。
具體實施方式
下面通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
實施例1
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層的製備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1混合，加入直徑4mm的ZrO2球磨介質，在球磨機中攪拌2小時；
(2)將有機黏結劑溶於水或乙醇，配置成有機黏結劑溶液，與球磨後的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：1；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散後的料漿噴霧乾燥，噴霧乾燥的進風溫度為200℃，出風溫度為80℃，轉速為3000轉/分鐘，進料率為0.5升/分鐘，得到平均粒徑為30μm的粉末；
(5)將所述粉末在450℃下處理5分鐘，在1000℃下處理15分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進行噴砂粗化並洗滌、乾燥；
(7)採用等離子噴塗設備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進行等離子噴塗所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層。
實施例2
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層的製備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:2混合，加入直徑7mm的ZrO2球磨介質，在球磨機中攪拌8小時；
(2)將有機黏結劑溶於水或乙醇，配置成有機黏結劑溶液，與球磨後的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：5；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散後的料漿噴霧乾燥，噴霧乾燥的進風溫度為300℃，出風溫度為120℃，轉速為15000轉/分鐘，進料率為1升/分鐘，得到平均粒徑為60μm的粉末；
(5)將所述粉末在750℃下處理10分鐘，在1200℃下處理30分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進行噴砂粗化並洗滌、乾燥；
(7)採用等離子噴塗設備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進行等離子噴塗所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層。
實施例3
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層的製備方法，其包括：
(1)將Cr2O3納米粉末、Al2O3和Si3N4與水或乙醇按照體積比1:1.5混合，加入直徑5mm的ZrO2球磨介質，在球磨機中攪拌5小時；
(2)將有機黏結劑溶於水或乙醇，配置成有機黏結劑溶液，與球磨後的納米Al2O3-Cr2O3-Si3N4粉末混合均勻，攪拌成料漿，所述料漿固液比為1：3；
(3)超聲分散所述料漿至少10分鐘；
(4)將所述超聲分散後的料漿噴霧乾燥，噴霧乾燥的進風溫度為250℃，出風溫度為100℃，轉速為12000轉/分鐘，進料率為0.7升/分鐘，得到平均粒徑為50μm的粉末；
(5)將所述粉末在550℃下處理8分鐘，在1100℃下處理20分鐘，得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末；
(6)將渣漿泵的葉輪或殼體表面進行噴砂粗化並洗滌、乾燥；
(7)採用等離子噴塗設備，對所述渣漿泵的葉輪或殼體表面進行等離子噴塗所述Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合陶瓷粉末，在渣漿泵的葉輪或殼體表面得到Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層。
將實施例1-3得到的Al2O3-Cr2O3-Si3N4複合耐磨塗層基體置於水沙混合物中，進行旋轉磨損試驗，經過24小時後，稱重，並與磨損前的重量進行比較，磨損損失率低於0.01％，說明實施例1-3製備得到的複合塗層耐磨且與基體結合緊密牢固。