CN103602941B - 一种铁氧体导电涂层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电气工程接地装置防腐用铁氧体导电涂层及其制备方法。本发明提供了一种铁氧体导电涂层及其制备方法，铁氧体导电涂层为复合涂层，主要包括粘结底层和铁氧体层，粘结底层涂覆在基材之上，铁氧体层涂覆于粘结底层上，粘结底层为Al、Zn、Co、Cu等金属材料或合金材料，铁氧体层分子式为MFe₂O₄的铁氧体材料，该材料具有良好的耐腐蚀性能、导电性能与热喷涂适应性。本发明提供的铁氧体导电涂层制备方法，工艺简单，成本低廉，重复性强，可以应用于不同形状或不同大小的金属基体表面，特别是在制备大面积实际应用的耐腐蚀导电陶瓷涂层时具有显著的优越性，适宜工业推广应用。

Description

一种铁氧体导电涂层及制备方法

【技术领域】

本发明涉及热喷涂涂层技术领域，特别涉及一种电气工程接地装置防腐用铁氧体导电涂层及其制备方法。

【背景技术】

接地装置是电气工程接地系统中的重要组成部分，其好坏直接影响到接地效果，直接关系电网重大设备的运行安全稳定和电力运行人员的人身安全。据了解，我国每年因接地装置材料受土壤腐蚀严重而重新铺设的变电站数量众多，开挖检修、更换将对电厂、变电所的路面、草地等设施造成破坏和损失，重新铺设投资数倍增加，造成很大的经济损失。

目前，我国大部分接地网本体材料多采用热镀锌钢，但其在土壤腐蚀严重的区域运行3～5年就需要开挖检修，运行10年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换。铁氧体材料具有反尖晶石结构，耐腐蚀性强，且部分铁氧体材料具有良好的电导率，并且主要成分为Fe₂O₃，制备与使用过程中不会产生二次污染危害环境，是一种耐蚀性能优良、技术经济好的接地装置用防腐材料。针对目前烧结、铸造等工艺难以实现大尺寸铁氧体产品制备的不足，在常规碳钢接地材料表面涂覆铁氧体涂层，借助涂层防护技术在保证良好导电性能的前提下，提高接地装置本体的耐腐蚀性能，在接地防腐技术领域具有良好的应用前景。伊泰等人申请的美国专利3850701指出用化学法沉积的铁氧体涂层的最大厚度仅有0.02mm，不能满足接地装置全寿命的要求，并且未制备出切实可用的铁氧体导电涂层。近年来，等离子喷涂技术快速发展为高性能铁氧体涂层的制备提供了良好的基础，但等离子喷涂制备涂层的致密性及导电性问题仍待解决。

【发明内容】

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种喷涂于金属基体表面的铁氧体导电涂层及利用等离子喷涂方法制备铁氧体导电涂层的方法，该制备方法简单可控，对设备要求低，成本低，工艺重复性高，将粉末喷涂在金属基体上，形成一种低孔隙率，较高结合强度，良好的耐腐蚀性能与导电性能的铁氧体导电涂层。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种铁氧体导电涂层为复合涂层，包括粘结底层和铁氧体层，粘结底层涂覆在基材之上，铁氧体层涂覆于粘结底层上。

本发明提供的铁氧体导电涂层，其中，粘结底层可以为Al、Zn、Co、Cu，Ni金属材料或合金材料，粘结底层的厚度为0.1～0.2mm。

本发明提供的铁氧体导电涂层中，铁氧体层为分子式为MFe₂O₄的铁氧体材料，M离子为二价金金属离子或平均化学价为二价的金属离子组，其中二价金属离子为与Fe²⁺半径相近的Mn²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Mg²⁺，Co²⁺，二价金属离子组为Li⁺ _0.5Fe³⁺ _0.5。

本发明提供了一种制备铁氧体导电涂层的方法，包括如下步骤：

a)对基材的待喷涂表面进行清洗并打磨处理；

b)将待喷涂粉末于80～200℃烘干后装入送粉器中；粘结底层粉末的粒度优选20～100μm，铁氧体层粉末的粒度为20～100μm较优；

c)设定等离子喷涂路线及工艺参数，将粘结底层粉末和铁氧体层粉末分别喷涂至工件的待喷表面，采用压缩空气冷却喷涂工件。在等离子喷涂过程中采用的主气和辅气分别为Ar和He，其流量优选为1～3m³/h和1～2m³/h，喷涂过程中的粉末载体为Ar，流量为0.2～1m³/h较优，喷涂过程中的喷涂距离优选70～120mm。送粉器为刮板式，送粉量为1～5g/min，送粉方式为内送粉，喷涂过程中采用压缩空气冷却喷涂工件。

本发明提供的制备方法制得的铁氧体导电涂层的结构为反尖晶石相结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的铁氧体导电涂层为复合涂层结构，粘结底层在保证了金属基体的导电性的同时提高了涂层的结合强度；

2)选择的粘结底层和铁氧体层喷涂粉末的粒径20～100μm，形状为近球形、流动性好；

3)铁氧体层选择的铁氧体材料具有低熔点、耐腐蚀、良好导电率，使得最终制得的铁氧体导电涂层具有良好的耐腐蚀性能与导电性能；

4)本发明提供的制备方法，优化了大气等离子喷涂工艺参数，使铁氧体涂层保持了喷涂粉体的反尖晶石相结构，并制备出了孔隙率范围为1%～5%，涂层的结合强度为30～40Mpa，电阻率范围10^-2～10^-3Ω·cm的铁氧体导电涂层；

5)本发明提供的一种铁氧体导电涂层材料，可广泛应用于电力、石油化工、建筑、轨道交通等行业领域中涉及的接地装置的腐蚀防护；

6)本发明提供的铁氧体导电涂层的制备方法，工艺简单，成本低廉，重复性强，可以应用于不同形状或不同大小的金属基体表面，特别是在制备大面积实际应用的耐腐蚀导电涂层时更具优势，并且工件服役过程中检修维护简单，适宜工业推广应用。

【具体实施方式】

所有实施方式都是采用现有常规的设备和仪器，按照下述步骤进行：

a)用分析纯的丙酮对工件的待喷涂基体表面进行清洗；

b)用30-80目的白刚玉砂对待喷工件进行表面喷砂处理；

c)将待喷涂粉末，包括粘结底层粉末与铁氧体层粉末烘干后将烘干的粉末装入送粉器中；

d)将待喷涂工件装在工作台上；

e)为安装喷枪的机械手设定喷涂行走路线程序；

f)设定等离子喷涂工艺参数，等离子喷枪点火开始工作，喷枪分别先后将金属粘结底层粉末和铁氧体层粉末喷涂至工件的待喷表面，喷涂过程中采用压缩空气冷却喷涂工件。

采用内送粉方式，铁氧体涂层制备时采用的等离子喷涂工艺参数见表1。

等离子喷枪点火开始工作，喷枪分别先后将粘结底层粉末和铁氧体层粉末喷涂至待喷表面，粘结底层的厚度控制在0.1～0.2mm，铁氧体层厚度达到0.1～0.3mm，喷涂距离为100mm，喷涂过程中采用压缩空气冷却喷涂工件。

表1喷涂工艺参数表

实施例1

采用大气等离子喷涂，金属粘结底层与铁氧体层分别采用表1中所示的粘结底层和例1：铁氧体层的喷涂工艺参数，将粒度为20～100μm的粘结底层和铁氧体的喷涂粉末材料先后喷涂到已清洗和喷砂处理的Q235钢基体上，粘结底层为0.15mm，铁氧体涂层为0.20mm。

用Ia32图像分析软件计算出该铁氧体导电涂层的孔隙率平均值为2.7%。

采用粘结拉伸法在万能试验机上测量涂层与基体的结合强度，采用每分钟1mm的拉伸速度进行拉伸，测得涂层结合强度为30.0Mpa。

采用两端法测试涂层的电阻并计算电阻率。为了减小涂层与欧姆表的接触电阻，减小测量误差，采用一定面积的导电胶贴附试样。使用欧姆表的正负表笔分别接触导电胶和钢块未喷涂面，则所测的电阻值近似为导电胶覆盖面下方涂层的电阻。计算出铁氧体导电涂层的常温电导率为1.4×10^-2Ω·cm。

实施例2

采用大气等离子喷涂，金属粘结底层与铁氧体层分别采用表1中所示的粘结底层和例2：铁氧体层的喷涂工艺参数，将粒度为20～100μm的粘结底层和铁氧体的喷涂粉末材料先后喷涂到已清洗和喷砂处理的Q235钢基体上，粘结底层为0.15mm，铁氧体涂层为0.19mm。

用Ia32图像分析软件计算出该铁氧体涂层的孔隙率平均值为2.3%。

采用粘结拉伸法在万能试验机上测量涂层与基体的结合强度，采用每分钟1mm的拉伸速度进行拉伸，测得涂层结合强度为30.2Mpa。

采用两端法测试涂层的电阻并计算电阻率。为了减小涂层与欧姆表的接触电阻，减小测量误差，采用一定面积的导电胶贴附试样。使用欧姆表的正负表笔分别接触导电胶和钢块未喷涂面，则所测的电阻值近似为导电胶覆盖面下方涂层的电阻。计算出铁氧体导电涂层的常温电导率为1.1×10^-2Ω·cm。

实施例3

采用大气等离子喷涂，金属粘结底层与铁氧体层分别采用表1中所示的粘结底层和例3：铁氧体层的喷涂工艺参数，将粒度为20～100μm的粘结底层和铁氧体喷涂粉末材料先后喷涂到已清洗和喷砂处理的Q235钢基体上，粘结底层为0.15mm，铁氧体涂层为0.21mm。

用Ia32图像分析软件计算出该铁氧体涂层的孔隙率平均值为2.0%。

采用粘结拉伸法在万能试验机上测量涂层与基体的结合强度，采用每分钟1mm的拉伸速度进行拉伸，测得涂层结合强度为33.0Mpa。

采用两端法测试涂层的电阻并计算电阻率。为了减小涂层与欧姆表的接触电阻，减小测量误差，采用一定面积的导电胶贴附试样。使用欧姆表的正负表笔分别接触导电胶和钢块未喷涂面，则所测的电阻值近似为导电胶覆盖面下方涂层的电阻。计算出铁氧体导电涂层的常温电导率为9.5×10^-3Ω·cm。

实施例4

采用大气等离子喷涂，金属粘结底层与铁氧体层分别采用表1中所示的粘结底层和例4：铁氧体层的喷涂工艺参数，将粒度为20～100μm的粘结底层和铁氧体喷涂粉末材料先后喷涂到已清洗和喷砂处理的Q235钢基体上，粘结底层为0.15mm，铁氧体涂层为0.18mm。

用Ia32图像分析软件计算出该铁氧体涂层的孔隙率平均值为1.8%。

采用粘结拉伸法在万能试验机上测量涂层与基体的结合强度，采用每分钟1mm的拉伸速度进行拉伸，测得涂层结合强度为36.3Mpa。

采用两端法测试涂层的电阻并计算电阻率。为了减小涂层与欧姆表的接触电阻，减小测量误差，采用一定面积的导电胶贴附试样。使用欧姆表的正负表笔分别接触导电胶和钢块未喷涂面，则所测的电阻值近似为导电胶覆盖面下方涂层的电阻。计算出铁氧体导电涂层的常温电导率为7.9×10^-3Ω·cm。

实施例5

采用大气等离子喷涂，金属粘结底层与铁氧体层分别采用表1中所示的粘结底层和例5：铁氧体层的喷涂工艺参数，将粒度为20～100μm的粘结底层和铁氧体的喷涂粉末材料先后喷涂到已清洗和喷砂处理的Q235钢基体上，粘结底层为0.15mm，铁氧体涂层为0.19mm。

用Ia32图像分析软件计算出该铁氧体导电涂层的孔隙率平均值为1.9%。

采用粘结拉伸法在万能试验机上测量涂层与基体的结合强度，采用每分钟1mm的拉伸速度进行拉伸，测得涂层结合强度为35.4Mpa。

采用两端法测试涂层的电阻并计算电阻率。为了减小涂层与欧姆表的接触电阻，减小测量误差，采用一定面积的导电胶贴附试样。使用欧姆表的正负表笔分别接触导电胶和钢块未喷涂面，则所测的电阻值近似为导电胶覆盖面下方涂层的电阻。计算出铁氧体导电涂层的常温电导率为9.1×10^-3Ω·cm。

Claims (9)

1.一种铁氧体导电涂层，包括粘结底层和铁氧体层，其特征在于，所述铁氧体导电涂层为复合涂层，所述粘结底层涂覆在基材之上，所述铁氧体层涂覆于粘结底层上；所述粘结底层的厚度为0.1～0.2mm；所述粘结底层为金属材料或合金材料；所述粘结底层选用的金属为Al、Zn、Co、Cu、Ni；

所述的铁氧体导电涂层制备方法，包括如下步骤：

a)对基材的待喷涂表面进行清洗并打磨处理:用分析纯的丙酮对工件的待喷涂基体表面进行清洗；用30-80目的白刚玉砂对待喷工件进行表面喷砂处理；

b)将待喷涂粉末于80～200℃烘干后装入送粉器中:所述送粉器为刮板式，送粉量为1～5g/min，送粉方式为内送粉；

c)设定等离子喷涂路线及工艺参数，等离子喷枪点火开始工作，喷枪分别先后将粘结底层粉末和铁氧体层粉末喷涂至待喷表面，粘结底层的厚度控制在0.1～0.2mm，铁氧体层厚度达到0.1～0.3mm，喷涂距离为100mm，喷涂过程中采用压缩空气冷却喷涂工件；

其中，所述等离子喷涂采用的主气和辅气分别为Ar和He，其流量分别为1～2m³/h和1.2～2m³/h；所述喷涂过程中的粉末载体为Ar，流量为0.2～1m³/h。

2.如权利要求1所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述铁氧体层为铁氧体材料，分子式为MFe₂O₄。

3.如权利要求2所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述MFe₂O₄中M离子为二价金属离子或平均化学价为二价的金属离子组。

4.如权利要求3所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述二价金属离子组为Li⁺ _0.5Fe³⁺ _0.5。

5.如权利要求3所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述二价金属离子的离子半径与Fe²⁺半径相近。

6.如权利要求3所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述二价金属离子为Mn²⁺，Zn²⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Mg²⁺，Co²⁺。

7.如权利要求1所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述粘结底层粉末的粒度为20～100μm。

8.如权利要求1所述的铁氧体导电涂层，其特征在于所述铁氧体层粉末的粒度为20～100μm。

9.如权利要求1所述的铁氧体导电涂层，其特征在于，所述铁氧体导电涂层为反尖晶石相结构。