CN103147034A - 用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法 - Google Patents
用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,包括一次造粒步骤和二次造粒步骤,一次造粒步骤包括:先将天然玄武岩进行破碎处理;再进行粉碎处理;然后向所粉碎后的玄武岩粉末内添加CaO和Na2O等粉末,进行加热处理;最后将熔融后的改性玄武岩在冷水中进行淬冷处理,然后由球磨机将其粉碎成粉末;二次造粒步骤包括:先将所制备的玻璃态改性玄武岩粉末进行筛选;再将筛选出的玻璃态玄武岩粉末进行二次造粒;最后将二次造粒后的粉末进行筛选,筛选出粒径为30-100微米的粉末,即为改性玄武岩热喷涂粉末;通过该方法所制备的改性玄武岩热喷涂粉末,具备流动性极佳、结合强度高等性能。
Description
技术领域
本发明涉及用于热喷涂的粉末材料,尤其涉及一种用于热喷涂的具有低熔点、高流动性和高松装密度的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法。
背景技术
热喷涂技术是指,利用如电弧、等离子弧、燃烧等某种热源,将粉末状或丝状的金属和/或非金属涂层材料加热至熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流,将熔融或半熔融状态的金属和/或非金属涂层材料进行雾化,并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面上,金属和/或非金属涂层材料与基体材料结合而成具有多种功效的表面覆盖涂层,该涂层一般具有耐磨、耐蚀、耐高温等性能。而用于热喷涂的粉末材料是热喷涂技术的重要组成部分,它决定了涂层的物理和化学性能,在热喷涂技术的应用与发展中起着关键的作用。
业内均知,属基性火山岩的玄武岩,其在地球陆壳的含量极其丰富,较之现有的热喷涂的WC-Co合金、陶瓷、玻璃复合铝粉、玻璃复合陶瓷、玻璃复合NiCoCrAlY合金等材料,玄武岩的成本极低。另,玄武岩的主要成分如下表:
Chemical composition | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Fe2O3 | K2O | Na2O | Loss on Ignition |
Percentage/(wt%) | 53.79 | 16.85 | 5.47 | 3.87 | 9.01 | 3.21 | 3.20 | 4.60 |
因其特殊的成分,经试验,其本身还具有如下特性:其一、玄武岩具有较大的显微硬度,耐磨损性能高;其二、玄武岩具有相对较低的熔点(1400℃左右),但高温化学稳定性良好,耐高温氧化性能良好;其三、玄武岩属无机材料,耐盐、耐碱,具有较佳防腐蚀性能。
然而,因破碎后玄武岩粉末的颗粒形状很不规则,颗粒尺寸大小不一,具有较多棱角,大部分颗粒呈现多角状和片状,粉体的流动性不好,难以满足热喷涂材料的要求,以及作为热喷涂材料玄武岩的熔点较高,致使玄武岩作为热喷涂材料而制备涂层的难度极大,使得玄武岩在热喷涂领域难以实现大范围推广使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供了一种用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,通过该方法所制备的改性玄武岩粉末,其在具备耐磨损、耐高温氧化和耐腐蚀性能的前提下,还具备流动性极佳、熔点较低等性能,减小了制备玄武岩涂层的难度,有效促进了玄武岩在热喷涂领域的大范围推广应用。
(二)技术方案
为实现以上功能,本发明提供了一种用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,该方法包括一次造粒步骤100和二次造粒步骤200,
所述一次造粒步骤100包括:
步骤110、通过颚式破碎机将天然玄武岩进行破碎处理,处理后的粉末即为天然玄武岩粉末;
步骤120、将步骤110中所制备的天然玄武岩粉末送入球磨机进行粉碎处理;
步骤130、向步骤120中所粉碎后的玄武岩粉末内添加能够提供CaO和Na2O的粉体原料,混合均匀后送入高温箱式电阻炉进行加热处理,加热至1200℃并保持恒温不低于2小时,使所述添加有CaO和Na2O粉体原料的玄武岩粉末呈熔融状态;
步骤140、将步骤130中熔融后的玄武岩粉末送至冷水中进行淬冷处理,形成玻璃态的改性玄武岩,由球磨机将其粉碎成粉末,即为玻璃态改性玄武岩粉末;
所述二次造粒步骤200包括:
步骤210、将步骤140中所制备的玻璃态改性玄武岩粉末进行筛选,筛选出粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末备用;
步骤220、向步骤210中筛选出的玻璃态玄武岩粉末内添加金属粉末添加剂和PVA,匀速搅拌进行二次造粒;
步骤230、将步骤220中二次造粒后的粉末进行筛选,筛选出粒径为30-100微米的粉末,即为改性玄武岩热喷涂粉末。
优选的,所述步骤110中,将玄武岩破碎至其颗粒的粒径为2--10mm。
优选的,所述步骤120中,将天然玄武岩粉末粉碎至其颗粒的粒径小于160目。
优选的,所述步骤130中,所述的能够提供CaO和Na2O的粉体原料的总重量为玄武岩粉末重量的30%,且所述能够提供CaO的粉体原料和能够提供Na2O的粉体原料的重量比为2:1。
优选的,所述步骤140中,将玻璃态改性玄武岩粉碎至其颗粒的粒径为小于300目。
优选的,所述步骤210中,所述的金属粉末添加剂和PVA的总重量为粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末重量的30%,且所述添加剂和PVA的重量比在5:1到2:1之间。
优选的,所述金属粉末添加剂为镍基合金Ni-Al合金粉末。
优选的,所述金属粉末添加剂为Zn、Al金属粉末。
(三)有益效果
1、本发明提供的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,有效突破了玄武岩在热喷涂领域发展的瓶颈,使得玄武岩作为热喷涂涂层的大范围推广应用得以实现;
2、本发明所提供的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,通过添加能提供CaO和Na2O的材料,有效降低了玄武岩的熔点,降低了熔融玄武岩的难度和成本,进而减小了制备改性玄武岩粉末以及利用该粉末喷涂涂层的难度和成本;
3、本发明所提供的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,通过独特的二次造粒步骤,使得所制备的改性玄武岩粉末具有近于球形或椭球形的形状,有效改善了其流动性,且二次造粒所制备的改性玄武岩粉末的颗粒重量有所增加,提高了喷涂涂层的效率。
附图说明
图1、2、3是天然玄武岩粉末、玻璃态玄武岩粉末和本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的SEM图片;
图4、5、6是天然玄武岩粉末、玻璃态玄武岩粉末和本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的XRD图谱;
图7、8是本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的EDS图片;
图9、10、11是对天然玄武岩粉末、玻璃态玄武岩粉末和本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末分别进行TG-DSC测试的实验测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
为便于描述,本申请中的天然玄武岩粉末(即Raw Basalt Particles),下文简称为RBP;本申请中的玻璃态改性玄武岩粉末(即Glassy Basalt Particle),下文简称为GBP;本申请中利用本发明制备方法所制备的金属/改性玄武岩复合粉末(即Secondary Granulation Basalt Particles),下文简称为SGBP。
本发明所提供的一种用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,该方法包括一次造粒步骤100和二次造粒步骤200,
一次造粒步骤100包括:
步骤110、通过颚式破碎机将天然玄武岩进行破碎处理,破碎至其颗粒的粒径为2--10mm,处理后的粉末即为天然玄武岩粉末;
步骤120、将步骤110中所制备的天然玄武岩粉末送入球磨机进行粉碎处理,将其粉碎至其颗粒的粒径小于160目;
步骤130、向步骤120中所粉碎后的玄武岩粉末内添加能够提供CaO和Na2O的粉体原料(如CaCO3或Na2CO3等),具体添加时,能够提供CaO和Na2O的粉体原料的总重量为玄武岩粉末重量的30%,且所述能够提供CaO的粉体原料和能够提供Na2O的粉体原料的重量比为2:1,添加完并混合均匀后送入高温箱式电阻炉进行加热处理,加热至1200℃并保持恒温不低于2小时,使所述添加有CaO和Na2O粉体原料的玄武岩粉末呈熔融状态;
步骤140、将步骤130中熔融后的玄武岩粉末送至冷水中进行淬冷处理,形成玻璃态的改性玄武岩,由球磨机将其粉碎成粉末,粉碎至该粉末颗粒的粒径为小于300目,即为玻璃态改性玄武岩粉末。
所述二次造粒步骤200包括:
步骤210、将步骤140中所制备的玻璃态改性玄武岩粉末进行筛选,筛选出粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末备用;
步骤220、向步骤210中筛选出的玻璃态玄武岩粉末内添加金属粉末添加剂和PVA,匀速搅拌进行二次造粒;
在步骤220中,其中的金属粉末添加剂优选为镍基合金Ni-Al合金粉末,或者Zn、Al金属粉末等腐蚀电位更负的金属粉,作用一是要提高玻璃粉的密度,提高流动性,作用二是为了在涂层中引入腐蚀电位更负的金属粉,使其能够在基体腐蚀之前先进行腐蚀反应,这个过程符是牺牲阳极防腐蚀技术;且金属粉末添加剂和PVA的总重量为粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末重量的30%,且所述添加剂和PVA的重量比在5:1到2:1之间;
其中的二次造粒的原理为:由于PVA具有粘性,在搅拌粉体的时候滴加PVA可以将细小的金属和改性玄武岩的粉体粘接到一起,通过不断的搅拌,使团聚体相互碰撞相互摩擦,最终形成粒度均匀的、具有一定球形度的再造粒粉末;
步骤230、将步骤220中二次造粒后的粉末进行筛选,筛选出粒径为30-100微米的粉末,即为改性玄武岩热喷涂粉末。
本发明所提供的制备方法,是以储量丰富的玄武岩为材料,降低了制备涂层的材料成本,且玄武岩本身具备耐磨损、耐高温氧化、耐腐蚀等性能,极大地提高了涂层的性能,例如将其喷涂于长期暴露在气体或液体介质中的输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器等设备上,能够有效提高其耐磨损、耐腐蚀等性能;本发明所提供的制备方法,通过添加CaO和Na2O,降低了玄武岩的熔点,充分减小了熔融玄武岩的难度,进而降低了制备改性玄武岩粉末的成本,以及利用该粉末喷涂涂层的成本。
另,通过本发明所提供的制备方法所制备的玄武岩粉末,具有较佳的流动性,及较大的松装密度,更加符合作为热喷涂材料的要求。为更加充分的说明本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的性能,进行了试验以及测验,试验结果及其分析如下:
一、对于流动速率和松装密度实验结果如下表:
Powder type | Flow rate(g/s) | Loose density(g/cm3) |
RBP | 0.292 | 1.077 |
GBP | 0.483 | 1.157 |
SGBP | 0.806 | 1.389 |
参照GB/T 1482-2010金属粉末流动性测定标准漏斗法,我们对制备粉体的流动性进行了测定,由表内参数对比可知,SGBP与RBP和GBP相比,流动速率和松装密度都有明显的增加。热喷涂粉末需要具有良好的流动性,以利于连续、均匀、流畅地送入热喷涂焰流中,有利于提高涂层的质量;松装密度与粉末的呈球形状和粒度成正比,粉体中添加添加剂经过二次造粒后,粉体的形状更接近于球形,粒径相对增加,从而使粉体的流动速率和松装密度增加,提高了粉体的性能。
二、对于流动性等性能进一步分析如图1-8所示:
1、由图4所示的天然玄武岩粉末的XRD图谱可知,RBP的组成成分结构主要是结晶态,它是由天然矿石经过粉碎直接制成的;
通过图1所示的天然玄武岩粉末的SEM图片,能够很明显的发现,RBP形状很不规则,颗粒尺寸大小不一,具有较多棱角,大部分颗粒呈现多角状和片状,因此,RBP和GBP的流动性极差,难以满足热喷涂材料的要求。
2、由图5所示的玻璃态玄武岩粉末的XRD图谱可知,GBP呈非晶态结构,因为它是经过高温熔融、水淬后得到的是玻璃态物质;
通过图2所示的玻璃态玄武岩粉末的SEM图片,能够很明显的发现,RBP形状很不规则,颗粒尺寸大小不一,具有较多棱角,大部分颗粒呈现多角状和片状,因此,RBP和GBP的流动性极差,难以满足热喷涂材料的要求。
3、分析图6所示的本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的XRD图谱可知,图中所示的衍射峰是添加剂的特征峰,SGBP整体保持非晶态的结构,粉体经过高温后干燥后,添加剂没有改变粉体的结构;
而由图3所示的本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的SEM图片,可明显观测出,SGBP形状相对较为规则,在添加添和PVA进行二次造粒后,添加剂和玻璃态玄武岩粉末在PVA的作用下粘结在一起,使得SGBP的粒径有所增加,SGBP的重量也大幅提高,有利于喷涂作业,且在机械搅拌作用下,进一步使得SGBP具备了近于球形或椭球形的形状,球形或椭球形的形状是热喷涂粉末材料较为理想的形状,该能够有效提高粉体的流动性;另,如图7、8所示的本发明制备方法所制备的改性玄武岩粉末的EDS图片,也能够明显观测出,添加剂和玄武岩粉末粘结在一起。
三、对于玄武岩的熔点降低的分析如下:
1、如图9所示的天然玄武岩粉末进行TG-DSC测试的实验测试结果,分析可知:在加热过程中,在600℃左右有一个明显的放热峰,其原因是RBP在加热到600℃后发生了晶型转变放热,而在850℃左右有一个明显的吸热峰,其原因是达到850℃左右时,大部分碳酸盐开始分解吸热,可见,RBP在加热熔融过程中,有较多的相变过程产生,进而导致粉末的重量明显减少,对热喷涂过程和涂层的形成极为不利。
2、如图10所示的玻璃态玄武岩粉末进行TG-DSC测试的实验测试结果,如图所示,GBP在加热过程中没有出现明显的放热峰或吸热峰,即,GBP在熔融过程中结构比较稳定。
3、如图11所示的本发明的制备方法所制备的改性玄武岩粉末进行TG-DSC测试的实验测试结果,如图所示,在加热过程中,SGBP在1 100℃左右有一个较明显但面积不大的放热峰,这是因为在SGBP是在GBP中添加添加剂后经过二次造粒制成的,在该温度下,SGBP中的添加剂开始熔融放热,在热喷涂过程中对粉体颗粒的熔融提供了热量,有利于提高粉体的熔融率和获得良好的涂层。
综上,由于RBP完全是天然的玄武岩,熔点达到1300℃以上,经过氧化钠和氧化钙改性后玻璃态GBP的改性玄武岩粉的熔点在900-1000℃左右,熔点降低的原因主要是,碱金属和碱土金属氧化物破坏了原有玄武岩材料中的硅氧硅键,形成了硅氧钠键,而氧和钠之间的化合键的键性更中离子键的比例更大,造成了连接较弱,在高温下容易破坏并形成熔体。SGBP的熔点与GBP的熔点相差不多,但是SGBP中的Ni-Al发生反应的放热温度在1000度左右,因此会帮助无机粉体熔融。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于,该方法包括一次造粒步骤100和二次造粒步骤200,
所述一次造粒步骤100包括:
步骤110、通过颚式破碎机将天然玄武岩进行破碎处理,处理后的粉末即为天然玄武岩粉末;
步骤120、将步骤110中所制备的天然玄武岩粉末送入球磨机进行粉碎处理;
步骤130、向步骤120中所粉碎后的玄武岩粉末内添加能够提供CaO和Na2O的粉体原料,混合均匀后送入高温箱式电阻炉进行加热处理,加热至1200℃并保持恒温不低于2小时,使所述添加有CaO和Na2O粉体原料的玄武岩粉末呈熔融状态;
步骤140、将步骤130中熔融后的玄武岩粉末送至冷水中进行淬冷处理,形成玻璃态的改性玄武岩,由球磨机将其粉碎成粉末,即为玻璃态改性玄武岩粉末;
所述二次造粒步骤200包括:
步骤210、将步骤140中所制备的玻璃态改性玄武岩粉末进行筛选,筛选出粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末备用;
步骤220、向步骤210中筛选出的玻璃态玄武岩粉末内添加金属粉末添加剂和PVA,匀速搅拌进行二次造粒;
步骤230、将步骤220中二次造粒后的粉末进行筛选,筛选出粒径为30-100微米的粉末,即为改性玄武岩热喷涂粉末。
2.根据权利要求1所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述步骤110中,将玄武岩破碎至其颗粒的粒径为2--10mm。
3.根据权利要求1所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述步骤120中,将天然玄武岩粉末粉碎至其颗粒的粒径小于160目。
4.根据权利要求1所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述步骤130中,所述的能够提供CaO和Na2O的粉体原料的总重量为玄武岩粉末重量的30%,且所述能够提供CaO的粉体原料和能够提供Na2O的粉体原料的重量比为2:1。
5.根据权利要求1所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述步骤140中,将玻璃态改性玄武岩粉碎至其颗粒的粒径为小于300目。
6.根据权利要求1所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述步骤210中,所述的金属粉末添加剂和PVA的总重量为粒径小于300目的玻璃态改性玄武岩粉末重量的30%,且所述添加剂和PVA的重量比在5:1到2:1之间。
7.根据权利要求6所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述金属粉末添加剂为镍基合金Ni-Al合金粉末。
8.根据权利要求6所述的用于热喷涂技术的金属/改性玄武岩复合粉末的制备方法,其特征在于:所述金属粉末添加剂为Zn、Al金属粉末。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130612 |