CN103726045A - 镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法。采用高压自蔓延反应在普通碳钢表面制备Ni₃Si–Cr₇C₃复合涂层，反应释放出的高热量使反应产物熔化，熔融的目标产物与钢基底之间发生冶金结合，从而在钢基底上制备了具有高结合强度的金属间化物陶瓷复合涂层。该涂层可应用于耐蚀叶片，耐蚀耐高温管线及反应器内壁和耐酸/高温抗磨部件等。

Description

镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种硬质陶瓷增强金属间化合物基复合涂层的制备方法，属表面工程技术领域。

背景技术

镍硅金属间化合物（Nickel silicide）具有高熔点，良好的高温热稳定性、耐高温氧化、耐腐蚀、抗磨损性能等优点，因此是一种极具应用潜力的高温结构材料。然而，严重的室温脆性限制了其作为高温结构材料的应用。上世纪80年代末，通过合金化改善了Ni₃Si的室温脆性，这一成果促进了Ni₃Si材料的应用研究，为其实现工业应用打下基础。Cr₇C₃具有高的硬度，高熔点和高的弹性模量，因此可以作为Ni₃Si基材料的强化相，进而显著提高材料的力学性能和抗磨损性能。

普通碳钢耐磨性能和耐腐蚀性能较差，通常通过对其表面的强化或形成防护涂层来提高其耐磨性和耐腐蚀性。这些传统的方法有：热喷涂，PVD，CVD，表面化学热处理，激光熔覆等。但这些方法都存在工艺复杂，生产周期长，成本高或设备要求高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于避免传统涂层技术中的不足之处，利用高温自蔓延反应所释放的巨大化学能，提供一种镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法。

本发明采用高压自蔓延反应在普通碳钢表面制备Ni₃Si–Cr₇C₃复合涂层，反应释放出的高热量使反应产物熔化，熔融的目标产物与钢基底之间发生冶金结合，从而在钢基底上制备了具有高结合强度的金属间化物陶瓷复合涂层。

一种镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

A将钢板表面打磨至粗糙度为0.07 μm，经过超声清洗干净；

B分别按照化学反应式Ⅰ和Ⅱ的化学计量比称取Ni₃Si原始反应粉和Cr₇C₃原始反应粉，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸15-25 μm；

3Ni+Si=Ni₃Si                                                  Ⅰ

Cr₂O₃+5CrO₃+3C+12Al=Cr₇C₃+6Al₂O₃                 Ⅱ

C将钢板置于钢坩埚中，基底钢板上物料的铺设顺序自下而上依次是Ni粉，然后是Ni₃Si原始反应粉厚度为2~7 mm，最后是Cr₇C₃原始反应粉厚度5~15 mm，以30 MPa的压力将其压实于坩埚中；

D将坩埚置于反应容器内，用氩气吹扫反应容器，以排除容器内的空气，随后充入5-10 MPa的氩气以促进涂层的致密化；

E在反应容器内，将反应物料加热至240-260℃，引火剂引发化学反应Ⅰ和Ⅱ，其中引火剂由铝、硫酸盐、硝酸盐组成，反应完成后，涂层随反应容器空冷至室温；去除涂层表面的杂质相即可得到涂层厚度为2~10 mm的组织致密的Ni₃Si–Cr₇C₃复合涂层，其质量百分含量Ni₃Si为55~75 %，Cr₇C₃为25~45 %。

本发明的C步骤中，在基底钢板上铺设Ni粉，是为了改善涂层与基底之间的浸润性。

本发明的E步骤中，去除涂层表面的杂质相的成分是Al₂O₃。

本发明采用自蔓延高温合成法是一种新型制备金属间化合物和陶瓷等高温材料的方法，该方法工艺简单，成本低，产品附加值高，经济效益好，具有巨大潜在应用前景。从而形成了一种工艺简单，成本低廉，生产周期短的在碳钢表面制备耐磨损和抗腐蚀涂层的制备方法。

在AVKSHI MVK-l 硬度计上测定涂层的硬度，载荷500 g，持续时间10 s。摩擦磨损试验是在球-盘式SRV微动摩擦磨损试验机上进行的，盘为本发明的涂层材料，尺寸为Ф 24×8 mm，对偶为Ф 10 mm的Si₃N₄陶瓷球。润滑介质为1 M硫酸溶液，载荷100 N，滑动速率0.04 m/s，振幅1 mm，运行时间20 min。测试结果表明，所制备的涂层维氏硬度为：8.5~10.4 GPa，磨损率为：1.0~2.0×10^-6 mm³/Nm，并且展现了良好的耐腐蚀性能；涂层的纯度高，微观结构致密均匀，涂层与基底材料间呈良好的冶金结合。该涂层可应用于耐蚀叶片，耐蚀耐高温管线及反应器内壁和耐酸/高温抗磨部件等。

具体实施方式

实施例1：

基底材料采用20#钢，直径为65 mm，打磨至粗糙度为0.07 μm，使用前用超声波清洗；称取Ni₃Si原始反应粉35 g，以及Cr₇C₃原始反应粉30 g，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸约为20 μm。在基底钢块表面铺设镍粉作为润湿相，按镍粉层、Ni₃Si原始反应粉层、Cr₇C₃原始反应复合粉层由下到上的顺序将反应物料堆放，然后装入模具中并以30 MPa的压力压实。将预压好的反应胚体放入反应容器中加热除气，同时通入5 MPa的氩气，加热至250 ℃，利用引燃剂引发自蔓延反应。反应完成后涂层随反应容器空冷至室温，去除涂层表面的杂质，得到了厚度约为3 mm的涂层材料，其中Cr₇C₃质量分数量约为25.3 %，硬度为8.54 GPa，磨损率为1.52×10^-6 mm³/Nm。

实施例2：

基底材料采用20#钢，直径为90 mm，打磨至粗糙度为0.07 μm，使用前用超声波清洗；称取Ni₃Si原始反应粉60 g，以及Cr₇C₃原始反应粉60 g，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸约为20 μm。制备过程及工艺同实施例1，所制备的涂层Cr₇C₃的质量分数量约为28.3 %，硬度为9.74 GPa，磨损率为1.50×10^-6 mm³/Nm。

实施例3：

基底材料采用20#钢，直径为50 mm，打磨至粗糙度为0.07 μm，使用前用超声波清洗；称取Ni₃Si原始反应粉14 g，以及Cr₇C₃原始反应粉17 g，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸约为20 μm。制备过程及工艺同实施例1，所制备的涂层Cr₇C₃的质量分数量约为32.4 %，硬度为10.37 GPa，磨损率为1.01×10^-6 mm³/Nm。

实施例4：

基底材料采用20#钢，直径为100 mm，打磨至粗糙度为0.07 μm，使用前用超声波清洗；称取Ni₃Si原始反应粉50 g，以及Cr₇C₃原始反应粉76 g，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸约为20 μm。制备过程及工艺同实施例1，所制备的涂层Cr₇C₃的质量分数量约为37.5 %，硬度为9.89 GPa，磨损率为1.08×10^-6 mm³/Nm。

Claims (1)

1.一种镍硅金属间化合物基复合涂层的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

A将钢板表面打磨至粗糙度为0.07 μm，经过超声清洗干净；

B分别按照化学反应式Ⅰ和Ⅱ的化学计量比称取Ni₃Si原始反应粉和Cr₇C₃原始反应粉，并分别将两种反应粉球磨至平均颗粒尺寸15-25 μm；

3Ni+Si=Ni₃Si                            Ⅰ

Cr₂O₃+5CrO₃+3C+12Al=Cr₇C₃+6Al₂O₃          Ⅱ

C将钢板置于钢坩埚中，基底钢板上物料的铺设顺序自下而上依次是Ni粉，然后是Ni₃Si原始反应粉厚度为2~7 mm，最后是Cr₇C₃原始反应粉厚度5~15 mm，以30 MPa的压力将其压实于坩埚中；

D将坩埚置于反应容器内，用氩气吹扫反应容器，以排除容器内的空气，随后充入5-10 MPa的氩气以促进涂层的致密化；

E在反应容器内，将反应物料加热至240-260℃，引火剂引发化学反应Ⅰ和Ⅱ，其中引火剂由铝、硫酸盐、硝酸盐组成，反应完成后，涂层随反应容器空冷至室温；去除涂层表面的杂质相即可得到涂层厚度为2~10 mm的组织致密的Ni₃Si–Cr₇C₃复合涂层，其质量百分含量Ni₃Si为55~75 %，Cr₇C₃为25~45 %。