电弧喷涂制备金属基陶瓷复合涂层技术 【技术领域】
本发明属于材料加工工程中的表面工程领域，是利用电弧喷涂的方法来制备一种性能良好的金属基陶瓷复合涂层，主要应用于防腐、耐磨、装饰等各个工业领域。
背景技术
近年来，以金属为基底的陶瓷涂层发展很快，在金属基底上涂陶瓷涂层，能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来，使材料兼具有金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的绝缘性、耐高温、耐磨损及耐腐蚀等性能。制备金属基陶瓷复合涂层的方法很多，有喷涂法、物理气相沉积、化学气相沉积、复合镀、溶胶凝胶、原位反应法。热喷涂是表面工程中应用最为广泛的技术之一，应用于产品制造和设备维修，能提高产品质量，延长使用寿命，挽回废旧件的经济损失，有显著的经济效益和社会效益，现已在航天、航空、冶金、机械制造、煤炭、电力、化工、纺织等工业部门得到应用。热喷涂技术主要有：火焰喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂和电弧喷涂。表1列出了各种喷涂方法的特点。
1 火焰喷涂是利用气体燃烧发出的热量进行喷涂，具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资少等优点，另外它的火焰温度一般为3000℃，只适用于低熔点材料喷涂，不能用来喷涂熔点很高地陶瓷材料。
2 超音速火焰喷涂(HVOF)喷涂粒子飞行速度高，冲击能量大，可形成致密、结合力高的喷涂层，尤其适合于喷涂碳化物和硼化物等金属陶瓷材料。但是超音速火焰喷涂喷涂成本太高，设备复杂不易现场操作。
3 等离子喷涂孔隙率低，结合性好，用途多，基材温度低，无污染，射流高温区的温度可达到10000K以上，能熔化所有的固体物质，尤其适用于喷涂陶瓷涂层，美国、日本等国的等离子喷涂发展较快，但是等离子喷涂成本高，不宜现场操作，大大限制了它的生产应用。
4 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化，用压缩气体把已熔化的金属雾化呈微熔滴，并使其加速以很高的速度沉积到基体表面形成涂层的热喷涂方法。这种方法的突出优点是：(1)生产效率高；(2)能源利用率高，能耗少；(3)成本低；(4)易于现场操作。但是电弧喷涂实芯丝材难以得到金属基陶瓷复合涂层，实心丝材一般要经过熔炼、浇注、锻造、轧制和拔丝等工序，喷涂的材料必须导电，因此对陶瓷材料无能为力，只适用于喷涂金属及合金。
经检索国内外未见电弧喷涂粉芯线材制备金属基陶瓷复合涂层的专利报道。
【发明内容】
本发明采用电弧喷涂粉芯线材的方法制备金属基陶瓷复合涂层，解决了陶瓷粉不导电的问题。通过采用合理的电弧喷涂参数，得到性能良好的金属基陶瓷复合涂层。
本发明提供了一种电弧喷涂制备金属基陶瓷复合涂层技术，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)、采用现有技术制备金属外皮包裹陶瓷粉的粉芯线材；
(2)、在喷涂之前采用现有技术对喷涂基材进行除污、喷砂处理；
(3)、使用上述步骤(1)中制成金属外皮包裹陶瓷粉的粉芯线材在经过上述除污、喷砂处理的喷涂基材表面上，按照现有技术中的电弧喷涂时的工艺参数进行喷涂，制备金属基陶瓷复合涂层。
粉芯线材是由金属外皮和粉芯组成，调节金属外皮和粉芯成分或调节加粉系数即可调节涂层成分，因此调节涂层非常容易，而且质量好，成分低，使用设备简单，操作方便。
本发明中粉芯线材与其他粉芯线材不同在于金属外皮包裹的是陶瓷粉。
【附图说明】
图1：粉芯线材轧制过程示意图；
图2：实施例中几种涂层在650℃时的氧化动力学曲线。
【具体实施方式】
此试验中粉芯线材的制备选用Cr3C2、Al2O3、TiO2陶瓷粉末，质量百分比含量为：天然金红石(TiO2)：10-20％，Al2O310-30％，Cr3C260-80％。
天然金红石(TiO2)：少量的Ti不仅可以起到抗氧化作用，同时改变了氧化膜的力学性能，提到了氧化膜的韧性，增加了涂层和基体的结合力，有效地防止了氧化膜的剥落。
Al2O3：具有相当好的耐磨性，Al也是比较常见的且有实际经济价值的耐高温腐蚀元素。
Cr3C2：具有很高的硬度，Cr与氧的亲和力很强，高温氧化时能在金属表面形成Cr3O2膜，有良好的抗高温氧化和热腐蚀的能力。
采用昆明重机厂生产的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制造喷涂丝，轧制过程见图1。材料为14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的低碳冷轧钢带。先将其轧成U形，再向U形槽中加入配置好的Cr3C2、Al2O3、TiO2药粉，药粉的填充率(药粉重量占喷涂丝总重的百分率)为34-36％，将U形槽合口，使药粉包裹其中。
基材选用20号钢，喷涂前全部基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.55MPa，喷涂设备是JZY型电弧喷涂机，喷涂工艺参数见表2。
实施例1：将材料为14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的低碳冷轧钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的质量百分比为Cr3C2粉末60％、Al2O3粉末30％、TiO2粉末10％的Cr3C2、Al2O3、TiO2药粉，药粉的填充率(药粉重量占喷涂丝总重的百分率)为34％，将U形槽合口，使药粉包裹其中，制成粉芯线材。喷涂基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.55MPa。用制成的粉芯线材在处理好的基材表面按照表2中的喷涂工艺参数进行电弧喷涂。
实施例2：将材料为14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的低碳冷轧钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的质量百分比为Cr3C2粉末65％、Al2O3粉末15％、TiO2粉末20％的Cr3C2、Al2O3、TiO2药粉，药粉的填充率(药粉重量占喷涂丝总重的百分率)为35％，将U形槽合口，使药粉包裹其中，制成粉芯线材。喷涂基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.55MPa。用制成的粉芯线材在处理好的基材表面按照表2中的喷涂工艺参数进行电弧喷涂。
实施例3：将材料为14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的低碳冷轧钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的质量百分比为Cr3C2粉末70％、Al2O3粉末15％、TiO2粉末15％的Cr3C2、Al2O3、TiO2药粉，药粉的填充率(药粉重量占喷涂丝总重的百分率)为35％，将U形槽合口，使药粉包裹其中，制成粉芯线材。喷涂基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.55MPa。用制成的粉芯线材在处理好的基材表面按照表2中的喷涂工艺参数进行电弧喷涂。
实施例4：将材料为14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的低碳冷轧钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的质量百分比为Cr3C2粉末80％、Al2O3粉末10％、TiO2粉末10％的Cr3C2、Al2O3、TiO2药粉，药粉的填充率(药粉重量占喷涂丝总重的百分率)为36％，将U形槽合口，使药粉包裹其中，制成粉芯线材。喷涂基材用质量百分比浓度为99.8％丙酮清洗，粒度为25目的金刚玉砂喷砂后进行电弧喷涂，喷砂压力为0.55MPa。用制成的粉芯线材在处理好的基材表面按照表2中的喷涂工艺参数进行电弧喷涂。喷涂之后进行表面洛氏硬度、结合强度和抗高温氧化性能测试。表3是涂层的表面洛氏硬度，试样选用55×25×5mm，涂层厚度为0.5mm.。表4是涂层结合强度，实验依据国标GB9796-88中所规定的拉力实验法进行测试，涂层厚度为0.3mm.。表5是涂层抗高温氧化性能，试样选用10×10φmm的圆柱体，涂层厚0.5mm，在650℃下加热100个小时。
实施例中得到的粉芯线材送丝容易，电弧稳定，工艺稳定，粉末燃烧较充分，得到铁基陶瓷复合涂层，涂层表面质量较好。通过表3、4、5可以看出涂层有较高的硬度和结合强度，良好的抗高温氧化性能，并且成本低，主要适用于锅炉“四管”的表面氧化腐蚀问题。
本发明不局限于实施例，本领域的技术人员不需要创造性劳动就可以适用于电弧喷涂制备其它金属基(Ni、Zn或Cu基等)陶瓷复合涂层技术。
表1
等离子喷涂 火焰喷涂法 电弧喷涂法 超音速火焰
法 法
粒子冲击速 200-500 50-70 342-388 425-675
度
(m/s)
近似温度值 5000-10000 3000 5000 2900
(K)
孔隙率(％) 1-10 10-15 10-15 1-10
结合强度 30-70 5-10 10-30 50-70
(Mpa)
优点 孔隙率低， 设备简单， 成本低，效 孔隙率低，
结合性好， 工艺灵活 率高。污染 结合性好，
多用途，基 低，基材温 材料氧化、
材温度低， 度低 分解受到抑
无污染 制
限制 成本高 通常孔隙率 只应用于导 噪音大，成
较高，结合 电喷涂材 本高，粉末
性差，对工 料，通常孔 尺寸要求严
件要加热 隙率较高 格
表2工艺参数电弧电流A电弧电压V压缩空气压MPa喷涂距离mm180-20030-320.6150
表3试样编号 表面洛氏硬度(HR30N) 平均值 1 2 3 4 5实施例1 57.0 62.0 56.1 57.0 57.1 57.8实施例2 58.0 62.0 59.0 57.5 56.5 58.6实施例3 63.1 64.0 63.5 66.2 64.0 64.2实施例4 64.0 62.0 65.0 63.5 59.5 62.8
表4 试样编号 拉断载荷P(KN)结合强度平均值σ (N/mm2) 1 2 3 4 实施例1 10.28 13.64 12.48 13.86 26.00 实施例2 18.52 18.34 19.01 16.29 36.75 实施例3 22.37 20.82 21.58 23.16 44.78 实施例4 20.14 19.65 21.02 20.37 41.34