金属基高温耐磨陶瓷涂层的研制及耐磨性能的影响因素

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第２期　２Ｏ０２年６月　・山东陶瓷　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．　科学实验・　文章编号：ｌ００５－０６３９（２００２）０２—００ｌ　ｏ４　金属基高温耐磨陶瓷涂层的研制　及耐磨性能的影响因素　周武艺，唐绍裘，刘文超　（湖南大学材料科学与工程学院，湖南４１００８２）　摘要：本课题研制了一种用陶瓷骨料与自制无机胶粘剂为原料，具有高温耐磨性能的陶瓷　涂层配方，并探讨了影响涂层耐磨性能的因素。发现：当磷酸铝胶粘剂中ＡｈＯ３与　Ｏ５之比为　１．３：３　１．４：３，涂层中的骨料与胶粘剂的配比为１．７：１，且骨料中粗颗粒含量为４０～５０％时，所　配制的涂层耐磨性能最佳。　关键词：耐磨性；陶瓷涂层；配方　中图分类号＂ＴＱ１７４，７５　８．１６　文献标识码：Ａ　耐磨性能，而碳化硅在高温下不太稳定，易被氧　ｌ　刖舌　化，但其具有优良的耐磨性能。高铝水泥主要是　加快涂层的固化速度，缩短涂层的固化时间，同时　在化工、冶金、电力等行业经常会遇到金属高　温磨损现象。以火电厂发电为例，锅炉“四管”由　起到硬化稳定作用。无机胶粘剂使用氢氧化铝和　磷酸自制的磷酸铝胶粘剂。该胶粘剂的粘结性能　于长期处于高温、磨损、冲刷、热震等工况下运行。　因此，常常导致暴管泄漏等现象。而暴管泄漏现　象的２８．７　４５、３％又是由磨损造成的。过早的停　好，且耐高温，方便易得。各原料的性状见表１。　表１　主要原料的种类及性状　炉维修更换，将造成较大损失。如：一台３０万千　瓦的锅炉每停产一天，将少发电７２０万度。但是　如果在金属基体涂履一层高温耐磨涂层则将对金　属基体起到保护作用，从而延长金属基体的使用　寿命。由于陶瓷材料多具有离子键和共价键结　构，键能高，原子间结合力强，致使陶瓷材料具有　高熔点、高硬度、高化学稳定性、摩擦系数小等优　点。而陶瓷涂层若与金属形成复合体则将既有陶　瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀等性能，又兼有金属　材料的良好韧性。本课题以陶瓷骨料和自制的无　２．２试验配方　通过多次试验，最后确定配方的范围为：无机　胶粘剂：３５　４５％；ＳｉＣ（１４ｔ￣ｍ）：１０　１５％：ＳｉＣ　机胶粘剂为原料，研制出一种具有高温耐磨性能　的涂层，并且讨论了涂层耐磨性能的影响因素。　（５ｔｍａ）：１５　２０％；刚玉（４０￣ｔｍ）：１０　１５％；刚玉　（１ｉｍａ）：１５　２０％；高铝水泥：１０　１５％。　２．２涂层制备工艺　２实验　２．１主要原料　将自制的无机胶粘剂与陶瓷骨料按上述比例　混合后，搅拌均匀，然后用刷涂法涂施于处理后的　金属基体表面，通过一定的硬化制度即可得到性　本配方所用的主要原料有刚玉、碳化硅、高铝　水泥、自制无机胶粘剂等。刚玉具有良好的高温　收稿ｔａ期：２００￣一１２—３０　作者简介：周武艺，２６岁，男，湖南大学硕士生　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　周武艺等：金属基高温耐磨陶瓷涂层的研制及其耐磨性能的影响因素　ｌ５　图１　涂层的制备工艺流程图　能良好的金属基陶瓷涂层，其制工艺流程图见图　ｌ。　２．３涂层性能测试　２．３．１涂层的抗磨性能试验　采用ＰＭＪ—ｌ型磨损实验机对涂层的耐磨性进　行测定，磨损试验数据表明：Ａ３钢样每１０ｈ磨损　后平均单位面积失重￡　＝０．０１２９ｇ／ｃｍ２，其标准偏　差为ｄ＝０．００６９８。涂层试样每１０ｈ磨损后平均单　位面积失重　＝０．００２１ｇ／ｃｍ２。涂层耐磨性能在　Ａ３钢的６倍以上。　２．３．２涂层的耐温和耐热冲击试验　试验表明，涂层能经受８００ｃＩ＝高温加热、室温　冷却累积ｌ０次以上的循环热冲击。说明涂层不　仅具有足够的耐８００ｃＩ＝高温和耐热冲击性，而且　有足够的防氧化能力。　２．３．３涂层的剪切强度、硬度和导热系数　涂层试样的平板剪切强度为２．０～４．４ＭＰａ，　平均值为３．１９ＭＰａ。与大部分无机粘接剂的平板　剪切强度１．３～３．０ＭＰａ相比，涂层的结合强度达　到或高于它们的上限值。　涂层莫氏硬度为７～８，显微硬度ＨＶ５５０。　涂层导热系数为：０．Ｏ９０Ｗ／ｃｍ・Ｋ。　２．４应用研究　在实验室制备工艺的基础上，通过调整投料　量、投料次数以及分段控制反应温度以探索工业　化生产工艺条件，并一次性试制高温耐磨涂料　１００ｋｇ。工艺过程及性能检测结果表明，高温耐磨　涂层的制备工艺参数稳定，易于实现工业化，且各　项技术指标达到或超过了实验室研究结果。主要　性能指标如下：　硬度：莫氏硬度７～８，显微硬度ＨＶ５００～５５０　耐磨性：为Ａ３钢的６倍左右　抗热冲击性８００￣Ｃ－－￣２０￣Ｃ（水冷）超过ｌ０次　试制的涂料于２０００年５月被我国最大的火　力发电厂——广东沙角电厂选用进行应用试验，　涂施在３０万千瓦发电组锅炉内１１７根加热器管　磨损较严重的弯头部位，涂施面积平整光滑、无缺　陷。　３影响陶瓷涂层耐磨性能的因素　３．１胶粘剂对涂层耐磨性的影响　胶粘剂的粘结性能极大地影响涂层的耐磨性　能。胶粘剂把无机陶瓷骨料与金属基体在界面处　通过互扩散而联结起来［　，因此胶粘剂的选择是　至关重要的。而磷酸铝胶粘剂具有在高温下表现　很好的粘结性能，同时还具有较好的耐磨性能。　因此本实验选用磷酸铝作为胶粘剂。磷酸铝胶粘　剂可用氢氧化铝和磷酸（８５％）在一定条件下来制　备。不同条件下制备的胶粘剂对涂层的耐磨性能　会产生不同的影响，通过大量实验发现在磷酸铝　中，随着Ａｌ２Ｏ３与Ｐ２Ｏ５之比的不同，合成的磷酸铝　胶粘剂性能也不同。当Ａｌ　Ｏ　与Ｐ，　之比在１．３　：３～１．４：３之间时涂层的耐磨性能最佳ｌ　２。２＿　３．２胶粘剂与骨料配比对涂层耐磨性的影响　通常提高涂层的耐磨性有两条途径：其一，选　用耐磨性好、结合强度高的粘结剂；其二，加入高　温耐磨性的硬质材料。与陶瓷骨料相比，无机胶　粘剂的硬度和耐磨性均较低，为寻找无机胶粘剂　与骨料的最佳配比，设计实验见表２：　表２　粘结剂与骨料的配比　骨料：胶粘剂①（埘％）　１．４：１　１．６：１　１．７：１　１．８：１　２．Ｏ：１　①无机粘结剂的密度：ｐ＝１．６４ｇ／ｅｍ３　涂层采用图ｌ的工艺流程制备，用ＰＭＪ—ｌ型　磨损实验机对涂层耐磨性进行测试，各配比的耐　磨性如图２所示：　维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ６　山东陶瓷　第２５卷　图２骨料与粘结剂△配比对涂层磨损量Ｐ的影响　由此看出：当骨料与粘结剂的比值小于１．７　时，涂层的耐磨性随骨料的加入量增加而降低。　这是因为涂层中陶瓷骨料的加入量不同，形成的　涂层内部结构也有差别，这就使它们的失效机理　也不同。当涂层中的陶瓷骨料的加入量较少时，　骨料周围有较多的粘结剂。由于磨粒的硬度大于　固体胶粘剂的硬度，故涂层的磨损主要发生在粘　结剂上，因而，磨损量较大。随着骨料加入的增　加，骨料周围包裹有适量的粘结剂，涂层内部的缺　陷大大减少，涂层的硬度较高。此时，磨损主要发　生在较硬的陶瓷颗粒上，故磨损量大大降低。当　骨料的加入量大于临界比例后，由于骨料的增加，　胶粘剂对骨料的嵌合程度降低，骨料在磨损时易　脱落，在涂层表面形成缺陷，从而加剧了涂层的磨　损。　３．３　陶瓷骨料粒度对涂层耐磨性的影响　陶瓷骨料的粒度影响涂层耐磨性能的因素包　括以下几个方面：首先，骨料的粒度与磨损状况有　关，对于磨粒磨损状况，粒度越大形成的涂层耐磨　性越好；相反，对于摩擦磨损状况，骨料越细形成　的涂层耐磨性越好；其次，颗粒的堆积形成，单一　粒径的骨料在形成涂层时，颗粒间的空隙较多，这　些空隙往往由胶粘剂和气孔占据。当涂层中加入　不同粒径的骨料时，小颗粒填充颗粒间的空隙，形　成紧密堆积，使涂层中的缺陷大大减少；再次，骨　料的比表面积对于相同质量的颗粒而言，粒径越　小，比表面积越大，在胶粘剂一定的条件下，粗细　颗粒的比例的变化可能会导致粘结剂的相对量发　生变化ｌ１一ｊ。为了寻求骨料中粗细颗粒的最佳比　例，设计实验见表３：　表３　粗细颗粒的配比　编号　１　２　３　４　５　粗颗粒含量（埘％）　２ｏ　４０　５ｏ　６０　８Ｏ　图３粗颗粒含量Ｈ与涂层磨损量Ｐ的关系　粗颗粒含量与涂层磨损量的关系如图３所　示：　图３表明，在Ｂ点以前，随粗颗粒含量增加涂　层的耐磨性增强，是由于胶粘剂对骨料的嵌合作　用增强，以及粗细颗粒级配，胶粘剂与骨料的配比　优化的结果；在Ｂ点处，影响涂层的耐磨性能的　各因素达到最佳点，涂层表现出优异的耐磨性：Ｂ　点以后影响涂层耐磨性能的各种因素开始偏离最　佳比，致使涂层耐磨性下降。　４结论　选用自制的无机胶粘剂和陶瓷骨料通过合理　配方，得到一种具有优良的高温耐磨性能的高温　耐磨陶瓷涂层。当磷酸铝胶粘剂中Ａｌ２０　与Ｐ２０　之比为１．３：３～１．４：３、配置的涂层中骨料与胶粘　剂的配比为１．７：１，且骨料中粗颗粒含量为４０～　４５％（ｗｔ％）时，涂层中的骨料形成紧密堆积，涂层　结构致密，耐磨性较好。　参考文　献　［１］Ｒ．Ｗ．卡恩，Ｐ哈森，Ｅ．Ｊ．克雷默，材料科学与技术丛书（陶瓷　工艺）．科学出版社，１９９９　［２］周武艺．唐绍裘等．湖南大学学报．２８（６）：３５　３８，２０００　［３］裴字涛．欧阳家虎．雷廷权．材料导报．１：６０　６３，１９９６　［４］任靖日．全石三．摩擦学报．２０（１）：１８　２１，２０００　［５］Ｓ．Ｓ．ｋｉｎ，Ｓ．Ｍ．Ｋｉｎ，Ｓ．Ｍ．Ｈｓｕ，Ｗｅａｒ，１７９：６９　７３，１９９４　『６］黄志．苏立志．李志章．摩擦学报．２０（５）：３４８　３５１，２０００　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　周武艺等：金属基高温耐磨陶瓷涂层的研制及其耐磨性能的影响因素　ｌ７　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｍａｔｒｉｘ－ｃｅｒａｍｉｃ　Ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　Ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｌＩｉｇｌｌ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｅ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｗｅｎ—ｃｈａｏ　Ｚｈｏｕ　Ｗｌｔ—ｙｉ，ＴＡＮＧ　ｓｈａｏ—ｑｉｕ．　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｈｕｎａｎ　４１００８２）　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｐｒｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｗｅａｌ＂一ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｎ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｐｒｅ－　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｃｅｒａｍｉｃ　ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ　ａｎｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｂｏｎｄ．Ｗｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｃｕｓｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｇ．Ｗｅ　ｆｎｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｇ　ｉｎｓ　ｂｅｓｔ　ｗｈｅｎ　Ａ１２０３／Ｐ２０５　ｉｓ　１．３：３—１．４：３；ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ　ａｎｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｂｏｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｇ　ｉｎｓ　１．７：１；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｂｉｇ　ｇｒａｉｎｓ　ｉｓ　４０—５０％　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔｉｇ：Ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｎｎｇ；Ｐｒｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　硅苑科技首批国礼瓷起程晋京　［本刊讯］山东硅苑新材料科技股份有限公司国谊分公司研制生产的首批２００套中华　龙国礼瓷，２００２年５月２３日起程晋京。２３日下午３点，淄博市委副书记邹大民、副市长宋　锡坤、市长助理曹在堂出席了在硅苑科技举行的中华龙国礼瓷晋京仪式。近几年来，硅苑　科技坚持“精品报国，追求卓越”的企业精神，组织专家、技术人员在生产、工艺上不断创　新，在１９９９年开发研制的中华龙国宴专用瓷的基础上，今年又开发出中华龙国礼瓷，被国　家有关部门定为国礼专用瓷。中华龙国礼瓷，既吸收了传统宫庭瓷的特色，又融合ｒ现代　制瓷新技术，是高科技陶瓷技术的结晶。特别采用ｒ当今世界最新的高温快烧釉中彩装　饰技法，无铅、镉溶出，耐磨、耐酸碱腐蚀，是真正的“绿色陶瓷”。硅苑科技研制开发的中　华龙国礼瓷定为国家礼品用瓷，这将进一步提高淄博的知名度，推动全市陶瓷工业的发　展。市领导对“中华龙国礼瓷”的生产提出了更高的要求，希望硅苑科技继续不断创新，以　创名牌带动创效益。同时指出，淄博日用陶瓷的发展，要在面向大众的基础上，大力推进　科技创新，按照“特色化、工艺化、系列化、高档化”的发展思路，规范生产工艺，提高设计水　平，加强图案、颜色的协调和风格定位，使之具有深厚的文化底蕴，真正成为既是使用品，　又是工艺品；要注重知识产权的保护，提高科技含量，创名牌、创效益，向国际市场冲刺，带　动淄博陶瓷工业的大发展。　（尚桂汝）