專(zhuān)利名稱(chēng)：一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層。
背景技術(shù)：
目前，三元硼化物(Mo2FeB2)陶瓷涂層的制備方法主要集中在真空液相燒結(jié)法、原位反應(yīng)合成法，但制備工藝均存在一定不足。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于三元硼化物陶瓷涂層的研究較少，自潤(rùn)滑三元硼化物陶瓷涂層的研究更是未見(jiàn)報(bào)道。稀土元素具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在潤(rùn)滑材料的應(yīng)用中取得了較大的成績(jī)，稀土元素還有許多未被人們認(rèn)識(shí)的特殊性質(zhì)，特 別是其化合物的作用機(jī)理更有待于探討。將其添加到三元硼化物陶瓷涂層中，預(yù)期獲得具有較低摩擦系數(shù)的三元硼化物金屬陶瓷涂層的研究從未見(jiàn)過(guò)報(bào)道。金屬基陶瓷涂層材料，因其兼具了金屬與陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，三元硼化物基金屬陶瓷作為一種性能優(yōu)良的新型硬質(zhì)材料，備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。目前，日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研究了多個(gè)體系的三元硼化物基金屬陶瓷，并已應(yīng)用于制罐工具、注射成型機(jī)的零件、鋼絲冷熱拉模、鍋爐熱交換管的保護(hù)零件等。而國(guó)內(nèi)對(duì)于三元硼化物陶瓷的研究起步較晚，對(duì)于三元硼化物陶瓷涂層的研究更是始于近幾年。三元硼化物基金屬陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、低密度和高剛度，以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能等特點(diǎn)，但其摩擦因數(shù)一般都比較高，一般達(dá)到0. 7-0. 8之間，很難實(shí)現(xiàn)無(wú)油自潤(rùn)滑的目的。且傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式存在以下不足1)潤(rùn)滑劑中的添加劑不與陶瓷表面發(fā)生作用，因而不能形成能充分接觸的邊界膜；2)現(xiàn)有潤(rùn)滑劑由于隨溫度升高，其粘性呈指數(shù)下降，易造成微凸體直接接觸；3)高溫下容易發(fā)生液態(tài)潤(rùn)滑劑的性能衰減。因此，開(kāi)展有關(guān)陶瓷基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究日益受到重視，已經(jīng)成為當(dāng)前材料科學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。實(shí)現(xiàn)涂層的抗磨性與摩擦系數(shù)之間的配合協(xié)同成為解決該問(wèn)題的重中之重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用熱噴涂技術(shù)，以Mo粉、Fe粉和FeB粉為原料在Q235鋼基體上制備了Mo2FeB2三元硼化物陶瓷涂層，并在此基礎(chǔ)上加入具有減摩作用的CeO2粉末，采用熱噴涂技術(shù)制備含有CeO2組元的陶瓷涂層，利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)等設(shè)備和手段分析了噴涂粉末和陶瓷涂層的組成及形貌，并對(duì)涂層的熱震性能、致密性、顯微硬度、摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試，逐一分析CeO2的添加對(duì)陶瓷涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。本發(fā)明的含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，包括如下步驟第一步，基體預(yù)處理選用Q235鋼板材，對(duì)其表面進(jìn)行粗化處理后，在基體表面噴涂Ni-Al過(guò)渡層。第二步，噴涂喂料的制備將Mo粉、FeB合金粉和Fe粉混合均勻，按照質(zhì)量比《 (FeB) (Mo) (Fe)=32 48 20混合均勻成為金屬粉末，向金屬粉末中加入PVB粘結(jié)劑，金屬粉末與PVB粘結(jié)劑的質(zhì)量比例為5 :1，在100°C烘干箱中烘干I. 5 2h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分比為1% 5%稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料。第三步，陶瓷涂層的制備對(duì)預(yù)處理后的基體進(jìn)行預(yù)熱，然后噴涂制備陶瓷涂層，噴涂后進(jìn)行重熔，冷卻。噴涂工藝參數(shù)為噴射角度70 85°，噴涂距離130 150mm，移動(dòng)速度60 90mm* s—1，氧氣壓力0. 6 0. 8Mpa,乙炔壓力0. 10 0. IlMpa0本發(fā)明提供的含有CeO2組元的陶瓷涂層，當(dāng)陶瓷涂層制備中添加氧化鈰的質(zhì)量百分比為I 5%，陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為665 1405，孔隙率為7. 61 21. 78%，熱震次數(shù)40次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為15. 99 19. 8MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 31 0. 52之間。 當(dāng)陶瓷涂層制備中添加氧化鈰的質(zhì)量百分比為I 4%，陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為817 1405，孔隙率為7. 61 15. 58%，熱震次數(shù)53次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為16. 9 19. 8MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 34 0. 52之間。


圖I為本發(fā)明的含有氧化鈰的陶瓷涂層制備方法流程圖；圖2為本發(fā)明中陶瓷涂層結(jié)合力的測(cè)定簡(jiǎn)圖；圖3為本發(fā)明對(duì)比實(shí)施例中制備的三元硼化物陶瓷涂層的XRD衍射圖；圖4 (A)、(B)、(C)分別為對(duì)比實(shí)施例中制備的陶瓷涂層表面形貌、截面形貌、截面背散射圖像，圖4 (D)為圖4 (C)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的EDS曲線。圖5A為本發(fā)明中制備的含有氧化鈰1%的陶瓷涂層的XRD衍射圖；圖5B為本發(fā)明中制備的含有氧化鈰5%的陶瓷涂層的XRD衍射圖；圖6中，(A)添加l%Ce02涂層表面形貌；(B)添加3%Ce02涂層表面形貌；(C)添加5%Ce02涂層表面形貌；(D)添加3%Ce02涂層截面形貌；(E)添加5%Ce02涂層截面形貌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，工藝流程如圖I所示，主要包括基體試樣預(yù)處理、噴涂喂料制備及陶瓷涂層制備三大部分，具體如下第一步，基體預(yù)處理(I)試樣表面粗化基體材料為Q235鋼板材，化學(xué)成分見(jiàn)表I :表1Q235 — A鋼板化學(xué)成分(wt. %)
_C_Si_Mn_S_P_Fe
0.14 0.22 0.12 -0.30 0.30-0.65 <0.045_<0.050_^將厚度為6mm的Q235鋼板線切割裁成面積為25mmX 25mm的試樣，表面經(jīng)噴砂處理以除去表面氧化皮，使試樣表面活化并粗化，以增大工件和噴涂層的接觸面積，并且涂層的粗化能夠改變涂層殘余應(yīng)力，有利于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，為過(guò)渡層的制備奠定基礎(chǔ)。噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為剛玉砂(優(yōu)選20目)，噴涂距離100 150mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 6 0. 8MPa。(2) Ni-Al過(guò)渡層的制備過(guò)渡層材料選用鎳包鋁合金粉末，鎳包鋁粉Ni-Al粒度46. 67 103. 55 u m, Al元素的含量為質(zhì)量百分比10. 24%，其余為Ni。首先用火焰噴槍(QH-2/h型)對(duì)粗化的基體試樣進(jìn)行預(yù)熱(300 400°C，5 7分鐘)，以消除表面的水分和濕氣，提高噴涂材料與工件表面接觸的溫度，減小因基體與涂層的熱膨脹差異產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減小因其產(chǎn)生的涂層剝落。預(yù)熱后立即在試樣表面噴涂Ni-Al過(guò)渡層，緩解涂層和基體之間的熱應(yīng)力，提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度。第二步，噴涂喂料的制備Mo-FeB-Fe系噴涂喂料的制備過(guò)程為將Mo粉、FeB合金粉和Fe粉混合均勻，按照質(zhì)量比(0 (FeB): (Mo): (Fe) =32 :48 :20混合均勻形成金屬粉末，向金屬粉末中加入PVB粘結(jié)劑，金屬粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為5 :1，在100°C烘干箱中烘干I. 5 2h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為19T5%稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料。鐵粉粒度4. 95 u m,硼鐵粉FeB粒度6. 47 U m,氧化鈰為分析純。鑰粉粒徑300目，由于粒度與Fe粉及FeB粉粒度相近，造粒后的各粉體混合充分，經(jīng)噴涂后形成的涂層中各相分布均勻。所述的PVB粘結(jié)劑制備步驟具體如下(I)用量筒量取50ml濃度為98%的無(wú)水乙醇倒入150ml燒杯里，放在定時(shí)恒溫磁力攪拌器上加熱到60°C左右(此時(shí)PVB在乙醇中溶解度最大)；(2)稱(chēng)取3. 75g的PVB，緩慢的加入到燒杯中并不斷用玻璃棒攪拌，使無(wú)水乙醇和PVB充分混合，直至PVB完全溶解后停止加熱，最終得到無(wú)色、透明的PVB粘結(jié)劑。陶瓷粉體在制備噴涂喂料的過(guò)程中必須添加粘結(jié)劑，以增加粉體中粒子之間的結(jié)合強(qiáng)度。粘結(jié)劑在粉體制備過(guò)程中起到了粉體間的粘合作用，使分散的粒子更緊密地粘結(jié)在一起，在熱噴涂的高溫的環(huán)境下則會(huì)排出，不會(huì)為涂層引入新的成分。由于實(shí)驗(yàn)中選用的原料多為金屬粉末，為防止其在制備喂料過(guò)程中發(fā)生氧化，特選用聚乙烯醇縮丁醛(PVB)乙醇溶液為粘結(jié)劑(聚乙烯醇縮丁醛和無(wú)水乙醇均為分析純)，且乙醇溶液選用無(wú)水乙醇，確保制備過(guò)程中不引入水分，如果采用聚乙烯醇的水溶液為粘結(jié)劑則會(huì)使金屬粉末發(fā)生氧化，從而影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。第三步，陶瓷涂層的制備將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體試樣用丙酮清洗，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后立即嗔涂制備好的嗔涂喂料。試樣嗔涂完后，為提聞涂層性能及致S性，利用嗔涂火焰，對(duì)其進(jìn)行重熔處理，結(jié)束后，立即用鑷子將其夾入200°C烘箱中隨爐冷卻，避免因冷卻過(guò)快，使涂層與基體之間產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，而導(dǎo)致涂層剝落。噴涂及重熔的具體工藝參數(shù)如下基體預(yù)熱溫度300 400°C，時(shí)間5 7min，重熔溫度700 800°C，時(shí)間I 2min ； 噴射角度70 85 ° ,噴涂距離130 150mm,移動(dòng)速60 90mm s'氧氣壓力0. 6 0. 8Mpa,乙塊壓力 0. 10 0. IlMpa0
實(shí)施例中所選用的噴涂方法為氧乙炔火焰噴涂(選用噴槍型號(hào)為QH-2/H型火焰噴槍)，火焰溫度隨距噴嘴口距離增大而下降，溫度最高可達(dá)到3100°C，距噴嘴口 50mm范圍內(nèi)溫度較高，因此實(shí)施例中選定噴涂距離為距噴嘴口 IOOmm左右。氧壓為0. 7Mpa時(shí)，形成的涂層較為緊實(shí)，厚度較為均勻，并無(wú)剝落現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)上述方法制備得到的含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為665 1405，孔隙率為7. 61 21. 78%，熱震次數(shù)40次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為15. 99 19. 8MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 31 0. 52之間。實(shí)施例I 采用本發(fā)明提供的制備方法制備含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，噴涂粉末中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%的氧化鈰，制備方法步驟如下
第一步，基體預(yù)處理對(duì)基體進(jìn)行表面粗化，然后在其上制備N(xiāo)i-Al過(guò)渡層。所述的基體選用Q235鋼板，表面粗化采用噴砂方法，噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為20目剛玉砂，噴涂距離150mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 8MPa。在進(jìn)行過(guò)渡層制備之前可以先對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為300°C，預(yù)熱時(shí)間為7min。過(guò)渡層制備選用鎳包鋁粉。第二步，噴涂喂料的制備選取Mo粉、FeB合金粉和Fe粉分別為32g、48g、20g，加入PVB粘結(jié)劑，金屬粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比例為5 :1，在100°C烘干箱中烘干I. 5h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%的稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料。所述的PVB粘結(jié)劑是采用50ml濃度為98%的無(wú)水乙醇和3. 75g的PVB制備而成。第三步，陶瓷涂層的制備將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體試樣用丙酮清，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，基體預(yù)熱溫度400°C，預(yù)熱后立即在過(guò)渡層上噴涂制備好的噴涂喂料。試樣噴涂完后，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行重熔(溫度700°C，時(shí)間2min)處理，結(jié)束后，立即用鑷子將其夾入200°C烘箱中隨爐冷卻。采用氧-乙炔火焰熱噴涂的具體工藝參數(shù)為噴射角度85°，噴涂距離150mm，移動(dòng)速90mm s \氧氣壓力0. 8Mpa,乙塊壓力0. IlMpa0上述方法制備得到的陶瓷涂層中，見(jiàn)圖5A，除了有硬質(zhì)相及鐵基粘結(jié)相外，還有FeMoO4, B2O3等相生成，結(jié)果沒(méi)有Fe2O3產(chǎn)生，減少了涂層中的夾雜物，有利于提高涂層的致密性，如圖6A所示，涂層具有大氣中熱噴涂涂層中的典型特征，主要由大小不一的扁平顆粒組成(即片層結(jié)構(gòu))，涂層表面孔洞較少，明顯優(yōu)于未添CeO2的涂層。涂層的顯微硬度Hvai為817 1376，孔隙率為15. 58%，低于未添加氧化鈰的對(duì)比實(shí)施例的孔隙率(19. 14%)，熱震次數(shù)53次，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為16. 9MPa，涂層摩擦系數(shù)在0. 47 0. 49之間。實(shí)施例2 采用本發(fā)明提供的制備方法制備含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，噴涂粉末中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%的氧化鈰，制備方法步驟如下第一步，基體預(yù)處理對(duì)基體Q235鋼進(jìn)行表面粗化，然后在其上制備N(xiāo)i-Al過(guò)渡層。
所述的基體表面粗化采用噴砂方法，噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為20目剛玉砂，噴涂距離100mm,噴砂角度90° ,壓縮空氣壓力0. 6MPa。在進(jìn)行過(guò)渡層制備之前可以先對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為400°C，預(yù)熱時(shí)間為 5min。第二步，噴涂喂料的制備選取Mo粉、FeB合金粉和Fe粉分別為32g、48g、20g，加入PVB粘結(jié)劑，金屬粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比例為5 :1，在100°C烘干箱中烘干2h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%的稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料。所述的PVB粘結(jié)劑是采用50ml濃度為98%的無(wú)水乙醇和3. 75g的PVB制備而成。第三步，陶瓷涂層的制備將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體試樣用丙酮清，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，基體預(yù)熱溫度 400°C，預(yù)熱后立即噴涂制備好的噴涂喂料。試樣噴涂完后，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行重熔處理(溫度800°C，時(shí)間lmin)，結(jié)束后，立即用鑷子將其夾入200°C烘箱中隨爐冷卻。采用氧-乙炔火焰熱噴涂的具體工藝參數(shù)為噴射角度70°，噴涂距離130mm，移動(dòng)速60mm
氧氣壓力0. 6Mpa,乙炔壓0. IMpa0上述方法制備得到的涂層中主要相為Mo2FeB2、Fe、FeMoO4、B2O3和CeO2，涂層的顯微硬度Hvai為817-1385，孔隙率為10. 61%，熱震次數(shù)54次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為17. 31MPa，涂層摩擦系數(shù)在0. 49-0. 52之間。實(shí)施例3 采用本發(fā)明提供的制備方法制備含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，噴涂粉末中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%的氧化鈰，制備方法步驟如下第一步，基體預(yù)處理對(duì)基體進(jìn)行表面粗化，然后在其上制備N(xiāo)i-Al過(guò)渡層，鎳包鋁粉Ni-Al粒度103. 55 u m。所述的基體選用Q235鋼板，表面粗化采用噴砂方法，噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為20目剛玉砂，噴涂距離120mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 7MPa。在進(jìn)行過(guò)渡層制備之前可以先對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為400°C，預(yù)熱時(shí)間為 6min。第二步，噴涂喂料的制備 選取Mo粉、FeB合金粉和Fe粉分別為32g、48g、20g，加入20g PVB粘結(jié)劑，在100°C烘干箱中烘干I. 5h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%的稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料。所述的PVB粘結(jié)劑是采用按照50ml濃度為98%的無(wú)水乙醇和3. 75g的PVB的配比制備而成。第三步，陶瓷涂層的制備將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體試樣用丙酮清洗，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，基體預(yù)熱溫度350°C，預(yù)熱后立即噴涂制備好的噴涂喂料。試樣噴涂完后，利用噴涂火焰對(duì)其進(jìn)行重熔處理(溫度750°C，時(shí)間2min)，結(jié)束后，立即用鑷子將其夾入200°C烘箱中隨爐冷卻。采用氧-乙炔火焰熱噴涂的具體工藝參數(shù)為噴射角度75°，噴涂距離140mm，移動(dòng)速80mm
氧氣壓力0. 8Mpa,乙炔壓0. IlMpa0
上述方法制備得到的陶瓷涂層中，主要相為Mo2FeB2、Fe、FeMoO4、B2O3和CeO2，如圖6B和6D所示，表明形貌中可以清晰的看見(jiàn)液滴融化后，流淌鋪展的形貌，可見(jiàn)CeO2的添加可以有效改善涂層表面形貌，減少涂層中的孔隙及生粉夾雜，涂層與Ni-Al層之間結(jié)合緊密，界線不明顯，界面處缺陷較少；涂層的顯微硬度Hva:為879-1405，孔隙率為7. 61%，熱震次數(shù)60次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為19. 80MPa。磨損時(shí)間為IOmin時(shí)，對(duì)比實(shí)施例涂層的磨損量為0. 0274g，添加3%Ce02的陶瓷涂層磨損量為0. 0072g，耐磨性是未添加Ce02陶瓷涂層的3. 81倍；磨損時(shí)間為15min時(shí)，原始粉末陶瓷涂層的磨損量為0. 0379g，添加3%Ce02的陶瓷涂層磨損量為0. 0087g,耐磨性是未添加CeO2陶瓷涂層的4. 37倍；磨損時(shí)間為20min時(shí)原始粉末陶瓷涂層的磨損量為0. 0494g，添加3%Ce02的陶瓷涂層磨損量為0. 0148g，耐磨性是未添加CeO2陶瓷涂層的3. 34倍。在300N的載荷下，未添加CeO2陶瓷涂層的磨損量為0. 0123g，添加3%Ce02的陶瓷涂層的磨損量為0. 0041g，耐磨性是未添加CeO2陶瓷涂層的3. 00倍；在400N載荷下，未添加CeO2陶瓷涂層磨損量為0. 0274g,添加3%Ce02的陶瓷涂層的磨損量為0. 0072g,耐磨性是未添加CeO2陶瓷涂層的3. 81倍；在500N載荷下，未添加CeO2陶瓷涂層磨損量為0. 0449g，添加3%Ce02的陶瓷涂層的磨損量為0. 0043g,耐磨性是未添加CeO2陶瓷涂層的10. 44倍。涂層的摩擦系數(shù)在0. 34-0. 36之間。實(shí)施例4 采用本發(fā)明提供的制備方法制備含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，噴涂粉末中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4%的氧化鈰，制備方法步驟如下第一步，基體進(jìn)行表面粗化噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為20目剛玉砂，噴涂距離150mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 8MPa。其余同實(shí)施例I。第二步，噴涂喂料中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4%的稀土氧化鈰，其余同實(shí)施例I。第三步，陶瓷涂層的制備采用氧-乙炔火焰熱噴涂的具體工藝參數(shù)為噴射角度85° ,噴涂距離150mm,移動(dòng)速90mm s'氧氣壓力0. 8Mpa,乙炔壓0. IlMpa,其余同實(shí)施例
Io上述方法制備得到的涂層中主要相為Mo2FeB2、Fe、FeMoO4, B2O3和CeO2,陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為862 1392，孔隙率為9. 13%，熱震次數(shù)60次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為18. 60MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 38 0. 40之間。實(shí)施例5 采用本發(fā)明提供的制備方法制備含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，噴涂粉末中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的氧化鈰，制備方法步驟如下第一步，基體預(yù)處理表面粗化噴砂處理工藝參數(shù)為噴砂磨粒為20目剛玉砂，噴涂距離120mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 8MPa。其余同實(shí)施例2。第二步，噴涂喂料中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的稀土氧化鈰，其余同實(shí)施例2。第三步，陶瓷涂層的制備采用氧-乙炔火焰熱噴涂的具體工藝參數(shù)為噴射角度75° ，噴涂距離150mm,移動(dòng)速90mm s S氧氣壓力0. 6Mpa,乙塊壓0. IMpa0上述方法制備得到的陶瓷涂層中，如圖5B所示，除了有硬質(zhì)相Mo2FeB2及鐵基粘結(jié)相外，還有FeMoCVB2O3等相生成，涂層中幾乎檢測(cè)不到Fe，但是有FeO生成，說(shuō)明涂層在制備過(guò)程中發(fā)生了氧化，尤其是涂層表層氧化較為嚴(yán)重。涂層的顯微硬度HvaiS 665 1142，孔隙率為21. 78%，熱震次數(shù)40次，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為15. 99MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 31 0. 33之間。圖6C即為5%Ce02涂層表面形貌，可以看見(jiàn)由于涂層表面孔隙較多而形成的疏松結(jié)構(gòu)，并有少量未融顆粒夾雜。圖6E為涂層的截面形貌圖，由圖可見(jiàn)添加5%Ce02涂層界面處缺陷較多，并且涂層內(nèi)部孔隙較多，噴涂過(guò)程中融化及半融化的液滴的疊加、堆積不如添加3%Ce02涂層致密。對(duì)上述實(shí)施例制備得到的涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件分別為I、采用日本理學(xué)D/MAX-RB型X-射線衍射儀對(duì)粉體及涂層的物相組成進(jìn)行分析。X射線衍射儀采用Cu靶，其中掃描速度為2° /min，掃描范圍1(T80°，步長(zhǎng)為0.02°，電壓為40kV，電流為30mA。2、用日立SSX-550型掃描電鏡(SEM)和QUANTA 200F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀察噴涂喂料的形貌和三元硼化物金屬陶瓷涂層的表面及截面，并對(duì)涂層的磨損后的表面形貌進(jìn)行觀察分析。
3、抗熱震性試驗(yàn)采用急冷急熱法測(cè)定，試驗(yàn)時(shí)將試樣加熱到400°C，恒溫保溫IOmin0然后迅速取出淬入室溫水中，待水面平靜后取出，自然晾干后,觀察涂層表面是否出現(xiàn)裂紋或剝落，若無(wú)上述現(xiàn)象出現(xiàn)，即作為一次熱沖擊循環(huán)。然后再將試樣放入爐內(nèi)，依次循環(huán)，直至涂層出現(xiàn)裂紋或剝落，分別記錄試樣的抗熱震循環(huán)次數(shù)和每一次熱循環(huán)后涂層的變化情況。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)組分取3個(gè)試樣，最終結(jié)果為各組分內(nèi)3試樣結(jié)果的平均值。4、本發(fā)明中以孔隙率大小來(lái)判定涂層致密性的好壞。采用浮力法進(jìn)行測(cè)量，其具體的測(cè)試過(guò)程如下首先，將涂層與基體剝離并稱(chēng)重，得到干燥質(zhì)量Hl0 ;再將充分干燥后的試片用細(xì)線懸掛，浸入蒸餾水中，浸潤(rùn)排氣，待氣泡排完后，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出試片在水中的重力，得到試片的水中質(zhì)量Hl1 ;將試片從水中取出，迅速用濕布擦干表面并稱(chēng)重，得到飽和水試片在空氣中的質(zhì)量Hl2 ;涂層孔隙率由下式得P = 一-
m, - m
LI式中p —孔隙率；mQ —水試片的干燥質(zhì)量(g);!!^ —飽和水試片在水中的質(zhì)量(g);m2 一飽和水試片在空氣中的質(zhì)量(g)。5、涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用對(duì)接法測(cè)定，將兩個(gè)噴涂試樣I采用氰基丙烯酸酯2粘結(jié)到一起，并固定在自制卡具3上，如圖2所示，以便于往拉伸試驗(yàn)機(jī)上裝配。進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，記錄斷裂時(shí)的載荷，測(cè)定其拉伸強(qiáng)度即為涂層自身的結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)接法的具體工藝參數(shù)為試樣的對(duì)接面積約為15mmX 15mm,拉伸速度< 25mm/min，每個(gè)配方取三組試樣進(jìn)行拉伸，對(duì)其取平均值即為涂層的結(jié)合強(qiáng)度。涂層結(jié)合強(qiáng)度0(N/mm2)可以根據(jù)O =F/A計(jì)算，其中A為涂層面積(mm2)，F(xiàn)為試樣斷裂時(shí)的最大載荷(N)。6、涂層的顯微硬度測(cè)試是在HV —1000顯微硬度儀上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所用的壓頭為四棱錐形金剛石壓頭，載荷100g，加載時(shí)間10s。7、陶瓷涂層的耐磨性能測(cè)試將制備的涂層和鋼基體進(jìn)行了磨粒磨損和粘著磨損試驗(yàn),并對(duì)其耐磨性進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)施例6 作為對(duì)比實(shí)施例，本實(shí)施例中選用Mo粉、Fe粉和FeB粉為原料，采用熱噴涂技術(shù)在Q235鋼基體上制備的過(guò)渡層的表面制備了 Mo2FeB2三元硼化物陶瓷涂層，制備方法與含有氧化鈰的陶瓷涂層的制備方法相同。涂層致密孔隙較少，主要由Mo2FeB2和Fe基粘結(jié)相組成，伴有少量的Fe203。熱噴涂三元硼化物陶瓷涂層孔隙率為19. 14%，結(jié)合強(qiáng)度為16. 05MPa，抗熱震性能最大可達(dá)40次，其磨粒磨損性能較Q235基體提高50%，耐粘著磨損性能較Q235基體提聞59%。如圖3所示，涂層的主要成分為Mo2FeB2硬質(zhì)相、Fe基粘結(jié)相。粉體經(jīng)過(guò)機(jī)械混合、造粒過(guò)程并沒(méi)有新相產(chǎn)生，硬質(zhì)相Mo2FeB2的形成完全是在噴涂及重熔過(guò)程中，依靠氧乙炔焰產(chǎn)生的高溫反應(yīng)形成。硬質(zhì)相Mo2FeB2的硬度相當(dāng)于硬質(zhì)合金的硬度，它的存在將有利于涂層的耐磨性能。另外，由于火焰溫度較高、粉末顆粒經(jīng)過(guò)氧-乙炔火焰加熱后飛向基體過(guò)程中并無(wú)外加保護(hù)氣氛，因而，部分鐵粉被氧化，涂層中含有少量的Fe203。圖4 (A)為熱噴涂涂層表面形貌。由圖可以看到表面為灰黑色，呈珊瑚狀典型形貌，涂層表面存在少量的孔隙。圖4 (B)為熱噴涂涂層截面形貌，由圖可見(jiàn)，涂層與基體間結(jié)合緊密，界面干凈、僅個(gè)別區(qū)域存在缺陷，陶瓷涂層與Ni-Al層之間結(jié)合更加緊密，無(wú)明顯界限，涂層堆積緊密，內(nèi)部孔隙較少。圖4 (C)為涂層截面背散射圖像，圖4 (D)為相應(yīng) 點(diǎn)的能譜分析。結(jié)合EDS和XRD分析可知圖中淡灰色區(qū)域?yàn)镸o2FeB2硬質(zhì)相，由圖可見(jiàn)，涂層中分著一些大小不一的硬質(zhì)相。實(shí)驗(yàn)所用的壓頭為四棱錐形金剛石壓頭，載荷100g，加載時(shí)間10s。測(cè)試結(jié)果表明涂層具有比基體更高的顯微硬度，基體顯微硬度為Hvai 170，而涂層的硬度在Hvai763 1363之間。對(duì)實(shí)施例中制備的陶瓷涂層的磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，可知，帶有陶瓷涂層試樣的耐磨性?xún)?yōu)于無(wú)涂層的Q235鋼的基體，并且在磨損時(shí)間為16min時(shí)，兩種試樣表現(xiàn)出的耐磨性差異最大，Q235基體的單位面積磨損量為114. 22g/m2，涂層試樣的單位面積磨損量為75. 72g/m2，耐磨性為基體的I. 5倍。而且基體磨損較為嚴(yán)重，磨痕較深，表面有明顯的犁皺形成的溝槽；而陶瓷涂層被磨損區(qū)域較少，并且磨痕較少較淺，隨著磨損的進(jìn)行，硬度較低的粘結(jié)相流失，硬質(zhì)相逐漸暴露出來(lái)，與對(duì)磨材料相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生剝落，留下凹坑。在300N、400N、500N三個(gè)載荷條件下，陶瓷涂層的耐磨性能均優(yōu)于Q235剛基體，且涂層與基體的失重量均隨著載荷的增加而增加。在載荷為500N時(shí)，基體磨損失重量為0. 0712g，涂層的磨損失重量為0. 0449g。耐磨性較基體提高了 59%。這是由于涂層中Mo2FeB2硬質(zhì)相的存在，提高了涂層的硬度，這一方面提高了涂層自身的抗磨性；另一方面，Mo2FeB2硬質(zhì)相的存在，在一定程度上降低了涂層材料與摩擦副材料互溶性，從而減弱了粘著現(xiàn)象 的產(chǎn)生。添加CeO2后的涂層主要由Mo2FeB2、Fe基粘結(jié)相、MOFeO4和B2O3組成；加入CeO2的陶瓷涂層致密性、抗熱震性、結(jié)合強(qiáng)度及顯微硬度隨CeO2含量的變化規(guī)律基本一致，隨其含量的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)，其中添加3%Ce02的陶瓷涂層性能最優(yōu)，孔隙率僅為7. 61%，抗熱震性能可達(dá)60次，結(jié)合強(qiáng)度為19. 80Mpa，顯微硬度為Hvai 879 1405。涂層抗磨性隨CeO2含量的增加，成先升高后降低的趨勢(shì)。其中3%&02含量涂層耐磨性最好。磨粒磨損性能是未添加CeO2涂層的I. 7倍；粘著磨損性能是未添加CeO2涂層的3. 34 10. 44倍。
權(quán)利要求
1.一種三元硼化物陶瓷涂層，其特征在于選用Mo粉、Fe粉和FeB粉為原料，采用熱噴涂技術(shù)在Q235鋼基體上制備的過(guò)渡層的表面制備，涂層主要由Mo2FeB2和Fe基粘結(jié)相組成，伴有Fe2O3。
2.一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，其特征在于選用Mo粉、Fe粉和FeB粉為原料，添加質(zhì)量百分比為1% 5%氧化鈰，采用熱噴涂技術(shù)在Q235鋼基體上制備的過(guò)渡層的表面制備，陶瓷涂層中主要成分為Mo2FeB2硬質(zhì)相、Fe基粘結(jié)相，還有FeMo04、B203和Ce02。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，其特征在于陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為665 1405，孔隙率為7. 61 21. 78%，熱震次數(shù)40次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為15. 99 19. 8MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 31 0. 52之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層，其特征在于如果陶瓷涂層制備中添加氧化鈰的質(zhì)量百分比為I 4%，陶瓷涂層的顯微硬度Hvai為817 1405，孔隙率為7. 61 15. 58%，熱震次數(shù)53次以上，粘結(jié)面積為225mm2條件下，抗拉強(qiáng)度為16. 9 19. 8MPa，涂層的摩擦系數(shù)在0. 34 0. 52之間。
5.一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于 第一步，基體預(yù)處理 選用Q235鋼板材，對(duì)其表面進(jìn)行粗化處理后，在基體表面噴涂Ni-Al過(guò)渡層； 第二步，噴涂喂料的制備 將Mo粉、FeB合金粉和Fe粉混合均勻，按照質(zhì)量比《 (Fe-B) (Mo) : (Fe) =32 48 :20混合均勻，加入PVB粘結(jié)劑，金屬粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比例為5 :1，在100°C烘干箱中烘干I. 5 2h，將烘干后的團(tuán)聚粉體破碎，過(guò)200目篩，然后向其中加入質(zhì)量百分比為1% 5%稀土氧化鈰，混合均勻，得到噴涂喂料； 第三步，陶瓷涂層的制備 對(duì)預(yù)處理后的基體進(jìn)行預(yù)熱，然后噴涂制備陶瓷涂層，噴涂后進(jìn)行重熔，冷卻；噴涂工藝參數(shù)為噴射角度70 85°，噴涂距離130 150mm，移動(dòng)速度60 90mm* s—1，氧氣壓力 0. 6 0. 8Mpa,乙塊壓 0. 10 0. IlMpa0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于所述的基體表面粗化采用噴砂處理，工藝參數(shù)為噴砂磨粒為剛玉砂，噴涂距離100 150mm，噴砂角度90°，壓縮空氣壓力0. 6 0. 8MPa ；Ni-Al過(guò)渡層的制備選用鎳包鋁合金粉末，粒度46. 67 103. 55 u m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于所述噴涂喂料中鐵粉粒度4. 95 u m，硼鐵粉FeB粒度6. 47 u m，氧化鈰為分析純，鑰粉粒徑300目。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于所述的PVB粘結(jié)劑制備步驟具體如下 (I)用量筒量取50ml濃度為98%的無(wú)水乙醇倒入150ml燒杯里，放在定時(shí)恒溫磁力攪拌器上加熱到60°C ；(2)稱(chēng)取3. 75g的PVB，加入到燒杯中并不斷用玻璃棒攪拌，使無(wú)水乙醇和PVB充分混合，直至PVB完全溶解后停止加熱，最終得到無(wú)色、透明的PVB粘結(jié)劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于第三步中基體預(yù)熱溫度300 400°C，時(shí)間5 7min ;重熔溫度700 800°C，時(shí)間1~2min
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含有氧化鈰的三元硼化物陶瓷涂層及其制備方法，屬于涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用熱噴涂技術(shù)，以Mo粉、Fe粉和FeB粉為原料在Q235鋼基體上制備了Mo2FeB2三元硼化物陶瓷涂層；并在此基礎(chǔ)上加入具有減摩作用的CeO2粉末，采用相同工藝制備含有CeO2組元的Mo2FeB2三元膨化物陶瓷涂層。本發(fā)明制備涂層耐磨粒磨損性能較Q235基體提高50%，耐粘著磨損性能較Q235基體提高59%，表現(xiàn)出良好的抗磨損性能，其摩擦系數(shù)較高為0.31～0.52之間。
文檔編號(hào)C23C4/10GK102703850SQ201210195288
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者李智超, 董世知, 馬壯 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)