CN101462879A - 氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法，所述方法包括以下工艺步骤：一、配料：按化学计量配比取两种或两种以上能够进行自蔓延高温合成反应的反应物粉料以及占反应物总重量0～40％的金属粉料做为添加物粉料，进行配料；二、混合；三、涂覆：将步骤二混合后的粉料涂覆于打磨后的工件表面；四、烘干；五、氩弧焊辅助SHS：采用电流80A，电压60V的电弧对工件涂层点燃，工件表面涂层便产生自蔓延反应，在金属基体表面产生了陶瓷涂层。本发明的优点是：直接在金属表面形成制备光滑、致密、结合强度高、气孔率低的高质量陶瓷涂层；热利用效率高，涂层制备成本低；易于控制，烧损和溅射现象小，安全可靠。

Description

氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法

(一)技术领域

本发明是一种在金属表面制备陶瓷涂层的方法。属于材料表面工程技术领域。

(二)背景技术

近年来，随着陶瓷材料的大规模研究开发，陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注。金属表面涂覆陶瓷涂层可以提高材料耐磨、耐蚀性能或抗高温性能。有很多方法可以在金属表面形成陶瓷涂层。实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷的应用范围。但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料，相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异，特别是化学键差异较大，采用常规的焊接方法不能实现有效连接。因此，陶瓷—金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点。常用的陶瓷—金属的连接方法有三种：焊接连接、机械连接和粘接连接。焊接连接的特点是连接界面为扩散、物理力、化学键作用。接头强度高，有一定的气密性，耐高温，可靠性较高。但其工艺成本高，接头存在内应力。机械连接界面为机械力作用，接头无气密性，易产生应力集中。粘接连接界面为物理力、化学键作用。机械连接和化学连接工艺的使用范围很有限，这两种工艺联合使用虽可以进一步增加接头强度并获得气密性接头，但使用条件也较有限。一但考虑复杂受载条件、较高使用温度及可靠性因素时，就只能选择陶瓷—金属的焊接连接工艺。

钨极惰性气体保护电弧焊是一种以钨棒为一个电极，以焊件为另一个电极，用惰性气体(氩，氦或氩与氦的混合)保护两电极之间的电弧，熔池及母材热影响区而实施电弧焊接作业的焊接方法。因常采用氩气保护，通常简称其为钨极氩弧焊或TIG焊。

钨极氩弧焊具备有下列特点：

1)焊接时无需使用焊条或熔剂和焊剂，焊接后无需清除残余熔剂或焊渣。因为氩气本身也不与金属和陶瓷发生物理化学反应，可良好地保护填充焊丝、熔池及母材热影响区而不受氧化。

2)钨极电弧稳定，即使在焊接电流小于10A的情况下，电弧仍可以保持稳定，特别适合于焊接铝合金薄板。

3)热源和填充焊丝可分别控制，热输入易于调整。

4)由于填充丝不通过电流，无熔滴过渡，故电弧安静，噪声小，无金属飞溅。

5)交流氩弧焊是具有对母材表面氧化膜的阴极清理作用，特别有利于焊接表面易氧化的铝、镁及其合金。

6)钨极载流(电流)能力较低，生产效率不高。

7)氩气及氦气价格较高，不利于降低生产成本。

8)钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大，不适于室外作业。

自蔓延高温合成技术(Self-propagating High Temperature Synthesis，简称SHS技术)源于前苏联20世纪60年代后期，该技术是利用化学反应放热、增殖及传播并同时进行材料合成。该技术开始主要用于制备TiB2、TiC等纯陶瓷粉料，经过几十年的发展现在已经可以制备几百种纯陶瓷粉料和多种陶瓷复合材料。但SHS技术在金属表面工程方面的应用还没有深入广泛的研究。特别是直接在金属表面形成陶瓷涂层还存在以下两方面的问题：

1)在金属表面不预热或预热温度在500℃以下时，单一SHS法在金属表面进行SHS反应不能形成陶瓷涂层，虽然许多SHS反应的绝热温度可以达到2000～3000℃，但由于金属良好的导热性和SHS反应层较薄，总放热量少，金属表面的SHS反应在短时间内无法使基体金属表面处于熔融状态，生成的陶瓷组分也不能与金属熔合，因此，用单一SHS法涂覆工艺在金属表面形成陶瓷涂层的方法是很困难的。

2)在金属表面预热温度到500℃以上时，根据不同SHS反应放热量，在某一温度下，可以使金属表面熔化，并形成陶瓷涂层。但金属基体预热到较高温度会引起变形，并在随后冷却中，由于金属与陶瓷热膨胀的不匹配引起热应力，导致陶瓷层易于剥落。

(三)发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种直接在金属表面形成制备光滑、致密、结合强度高、气孔率低的高质量陶瓷涂层；热利用效率高，涂层制备成本低；易于控制，烧损和溅射现象小，安全可靠的氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法，所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、配料

按化学计量配比取两种或两种以上能够进行自蔓延高温合成反应的反应物粉料以及占反应物总重量0～40％的金属粉料进行配料，所述的金属粉料是Ti、Fe、Ni、Al或Zr，能够进行自蔓延高温合成反应的反应物粉料是Ti和C。

步骤二、混合

将步骤一配成的反应物均匀混合2～4小时，配制出需要的混合粉料。

步骤三、涂覆

将步骤二混合后的粉料涂覆于打磨后的工件表面，具体涂覆方法是：将所述混合粉料加入适量水或羧甲基纤维素的水溶液，搅拌均匀后在经打磨的工件表面喷涂或手工刷涂。

步骤四、烘干

将经步骤三涂覆的工件在110℃～120℃烘干1～2小时，以除掉其中的水分。

步骤五、氩弧焊辅助SHS

这一过程是采用电流80A，电压60V的电弧对工件涂层点燃，工件表面涂层便产生自蔓延反应，在自蔓延反应的同时放出的高热量使得工件表面的局部处于熔融态，并且工件表面涂覆层产生自蔓延反应形成带有金属中间过渡层的陶瓷涂层，相当于焊接中的熔池使反应后的陶瓷相能够与金属基体很好的结合在一起，从而在金属基体表面产生了陶瓷涂层。

步骤六、停机、质量检查

检验工件陶瓷层和中间过渡层厚度及表面质量，合格后待用。

本发明可以在金属基体与陶瓷涂层之间形成金属中间过渡层，其形成过程是：自蔓延反应生成的金属或添加物中的金属在自蔓延放热和氩弧焊电弧作用下熔化，由于熔融金属的比重及其与金属基体表面的亲和力均大于熔融陶瓷，从而在金属基体与陶瓷涂层之间形成金属过渡层，降低陶瓷材料涂层的内应力，提高结合强度；金属表面陶瓷涂层的主要组分是Al₂0₃、TiC及ZrO₂等。它们不是由直接涂覆在金属表面的陶瓷粉料在电弧烧结下形成的，而是由于自蔓延反应合成的产物。

本发明克服了现有技术在陶瓷与金属之间的结合问题，如，无法在金属表面制备出完整连续的陶瓷涂层和金属基体表面加热不足，涂层的粘结强度、硬度和沉积效率降低的不足；同时也克服了SHS反应低温无法在金属表面形成陶瓷涂层、而在高温时金属表面形成陶瓷涂层可操作性差的不足，在金属表面直接制备出具有金属过渡层和与金属基体结合强的完整、连续的TiCNi、TiCFe及Al₂O₃和ZrO₂基复合材料陶瓷涂层。

本发明的基本构思是依据SHS反应是高放热化学反应过程的原理，把SHS技术与氩弧焊焊接技术结合起来，在金属表面涂覆一层能够进行SHS反应生成陶瓷涂层的粉料及添加物粉料，用电弧点燃涂层材料并产生自蔓延反应，由于这一化学反应过程在电弧及涂层自身放出高热量的支持下继续进行，在反应同时保持陶瓷粉料、添加物熔融和金属表面熔化的前提下，将SHS反应蔓延到整个金属表面，生成的陶瓷组分与熔融金属表面充分熔合，物料中的金属熔化并在金属基体与陶瓷涂层之间形成金属过渡层，从而形成完整连续的陶瓷涂层，实现本发明的任务。

本发明获得高结合强度的金属相与陶瓷相的条件是，反应物料应采用能够进行自蔓延反应并产生陶瓷材料、金属材料的粉料或在采用能够进行自蔓延反应的材料，但反应物如果只能产生陶瓷材料而不能产生金属材料的反应粉料时，则应在反应物粉料中另加入金属粉料添加物。

本发明的主要优点是：

1)自蔓延高温合成(SHS)同氩弧焊电弧焊接技术相结合发展起来的反应电弧涂层技术可以合成出性能优异的涂层，同时利用反应放热提高温度，从而提高涂层与基材的结合强度，克服单一电弧法和单一自蔓延法的不足，降低原料成本。

陶瓷涂层是SHS反应在电弧的辅助作用下，利用廉价的原始材料直接由反应物生成，节约材料成本。

3)节省能源，降低设备成本，实际操作电流为80A，电压60V，节省能源，易于控制，烧损和溅射现象小。

(四)具体实施方式

下面结合本发明的具体实施例，进一步说明本发明的细节。

在30×50mm，厚6mm的45#钢耐磨块上，要求表面涂敷一层厚0.2mm的TiCNi陶瓷涂层，金属中间过渡层为Ni，采用本发明方法制备，其步骤如下：

步骤一、配料

涂层材料由Ti+C+Ni组成，分别取商业供应粉料粒度为200-270目的Ti粉12.8g，C粉3.2g，添加物为Ni粉，取4g，总重为20克。

步骤二、混合

将步骤一配成的粉料均匀混合2～4小时，配制出需要的混合粉料。

步骤三、涂覆

将工件表面酸洗去除污物，用200#砂布打磨至光滑，将步骤二混合后的粉料涂覆于打磨后的工件表面，具体涂覆方法是：将所述混合粉料加入10ml水和20g羧甲基纤维素，搅拌均匀后在经打磨的工件表面手工刷涂0.5mm厚。

步骤四、烘干

将经步骤三涂覆的工件在110℃～120℃烘干1～2小时，以除掉其中的水分。

步骤五、氩弧焊辅助SHS

取电流为80A，电压60V，涂覆层材料在电弧加热下被引燃进行自蔓延反应，金属表面在自蔓延反应放出大量热和电弧加热的同时作用下出现表层熔化，自蔓拜反应生成物TiCNi在自身放热和电弧加热条件下呈熔融或液态与金属表面熔合形成连续陶瓷材料涂层，同时添加物Ni在金属基体与陶瓷涂层之间形成金属中间过渡层，提高结合强度。

步骤六、停机、质量检查

经检测制备的陶瓷涂层表面光滑、完整连续，表面涂层是TiCNi，层厚0.15mm，中间过渡层Ni，表面涂层厚度为0.05mm。

Claims (1)

1、一种氩弧焊辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法，其特征在于：所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、配料

按化学计量配比取两种或两种以上能够进行自蔓延高温合成反应的反应物粉料以及占反应物总重量0～40％的金属粉料进行配料，所述的金属粉料是Ti、Fe、Ni、Al或Zr，能够进行自蔓延高温合成反应的反应物粉料是Ti和C。

步骤二、混合

将步骤一配成的反应物均匀混合2～4小时，配制出需要的混合粉料，

步骤三、涂覆

将步骤二混合后的粉料涂覆于打磨后的工件表面，具体涂覆方法是：将所述混合粉料加入适量水或羧甲基纤维素的水溶液，搅拌均匀后在经打磨的工件表面喷涂或手工刷涂，

步骤四、烘干

将经步骤三涂覆的工件在110℃～120℃烘干1～2小时，

步骤五、氩弧焊辅助SHS

采用电流80A，电压60V的电弧对工件涂层点燃，工件表面涂层便产生自蔓延反应，在自蔓延反应的同时放出的高热量使得工件表面的局部处于熔融态，并且工件表面涂覆层产生自蔓延反应形成带有金属中间过渡层的陶瓷涂层，相当于焊接中的熔池使反应后的陶瓷相能够与金属基体很好的结合在一起，从而在金属基体表面产生了陶瓷涂层。