CN104313446B - 一种耐磨陶瓷涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨陶瓷涂层材料及其制备方法，涉及材料技术领域，包括以下质量份数的各个组分：（1）氮化硅，15‑30份；（2）氧化铝，20‑35份；（3）钴粉，2‑5份；（4）钼粉，2‑5份；（5）纳米氧化钛4‑9份，纳米氧化锡3‑7份；（6）氧化铬，3‑6份；（7）纳米氧化钇，3‑12份。耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，为称量；钴粉和钼粉包覆SiO2和；高温煅烧，研磨；再次高温煅烧和冷却。本发明提供的耐磨陶瓷涂层材料，不仅具有优良的耐磨性能，同时克服了陶瓷材料拉伸强度低，韧性差的缺点，而且耐磨材料还具有良好的耐腐蚀和耐高温性能，是一种非常理想的耐磨涂层材料。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有优良耐磨性能和高韧性的的陶瓷涂层材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷粉涂层材料，是近年来得以受到广泛关注的陶瓷材料，传统的陶瓷材料具有较大的脆性，不利用陶瓷材料的进一步加工，也导致陶瓷材料在诸多领域的性能性略显不足。
纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的有效途径，同时也能显著增强其性能。以纳米陶瓷作为涂层，在极小的厚度下，即具有较好的耐高温、耐磨性能，同时也能有效的保护基体材料，免受腐蚀或其它外界因素的影响。
氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体，高温时抗氧化，还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
以氮化硅和氧化铝作为陶瓷材料，耐磨性能和耐高温性能都较为显著，但是会导致陶瓷涂层材料的拉伸强度降低，存在韧性较低的问题。
申请号为201310263276.4的专利文献“一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法”，公开了一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10μm-200μm；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。由此可知，该技术方案是通过将陶瓷粉末和金属材料复合在一起，作为耐磨材料，其优点是具有一定的耐磨性能，但是存在两方面问题：第一，制备方法简单，但效果并不理想，这种制备方式，并不能发挥陶瓷粉末的性能，而且不同的陶瓷粉末性能差距较大；第二，这种材料的性能并不稳定，极易受到外界的侵蚀，不能适用于高温或者严苛的环境。
申请号为201310677680.6的专利文献“采用耐磨金属与陶瓷混合表层制造复合铲的耐磨材料”，公开了一种耐磨金属与陶瓷混合表层材料，是采用含有Cr、WC、TiC、WC、Cu、Mo、Mn、Si、B2O3、Fe等金属材料及陶瓷材料混合按下表的百分比配方进行配制，在制作耐磨材料复合层时，将上述原料混匀后使用无水粘结剂涂于消失模上，在浇注过程中，通过抽真空，使铸型腔处于负压大于0.4Mp状态，高温基体液态金属通过气化消失模而与粘涂在消失模上的耐磨材料有效的接触，高温的金属液体与复合材料熔合和烧结成型。这也是一种利用耐磨金属与陶瓷混合后，制备的耐磨材料，其中表层材料含有多种耐磨组分，是的该材料具有一定的耐磨性能，但是同样存在问题，由于制备方法的问题，组分不能有效发挥其性能；第二，表层材料缺乏韧性，由此也不是一种理想的耐磨材料。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，克服现有技术的缺陷，本发明提供一种耐磨陶瓷涂层材料及其制备方法。
本发明的技术方案：一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅，15-30份；
(2)氧化铝，20-35份；
(3)钴粉，2-5份；
(4)钼粉，2-5份；
(5)纳米氧化钛和纳米氧化锡，其中纳米氧化钛4-9份，纳米氧化锡3-7份；
(6)氧化铬，3-6份；
(7)纳米氧化钇，3-12份。
作为优选，氧化铝的晶型为β-Al2O3或γ-Al2O3。
作为优选，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为3-9:1。
一种耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，二氧化硅非晶纳米层的厚度为50-150nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.1-1um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
作为优选，步骤(2)中高温煅烧的温度为800℃-1100℃。
作为优选，步骤(2)中高温煅烧的时间为1-4h。
作为优选，步骤(5)中高温煅烧的温度为1200℃-1600℃。
作为优选，步骤(5)中高温煅烧的时间为2-8h。
有益效果：本发明提供的耐磨陶瓷涂层材料及其制备方法，是一种利用纳米技术进行对陶瓷材料的改进，本发明的改进方案有以下两种：
一是，材料以纳米材料为主，通过纳米材料优良的性能，提高了陶瓷材料的硬度和拉伸强度以及耐磨性能
第二，加入二氧化硅包覆的钴粉和钼粉，增强耐磨材料的拉伸强度和韧性，也提高了材料的耐腐蚀性能。
由此，本发明提供的耐磨陶瓷涂层材料，不仅具有优良的耐磨性能，同时克服了陶瓷材料拉伸强度低，韧性差的缺点，而且耐磨材料还具有良好的耐腐蚀和耐高温性能，是一种非常理想的耐磨涂层材料。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅15份；(2)γ-氧化铝21份；(3)钴粉2份；(4)钼粉2份；(5)纳米氧化钛4份，纳米氧化锡3份；(6)氧化铬3份；(7)纳米氧化钇3份。
其中，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为7:1。
根据本发明提供的制备方法制备耐磨陶瓷涂层材料，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，
将钴粉和钼粉分别放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至600℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为30r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
其中，钴和钼的二氧化硅纳米层厚度均为80nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，温度为800℃，时间2h，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.1um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧，温度为1550℃，时间4h；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
实施例2：
一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅30份；(2)γ-氧化铝33份；(3)钴粉5份；(4)钼粉5份；(5)其中纳米氧化钛9份，纳米氧化锡7份；(6)氧化铬6份；(7)纳米氧化钇11份。
其中，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为3:1。
根据本发明提供的制备方法制备耐磨陶瓷涂层材料，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，
将钴粉和钼粉分别放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至600℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为60r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
其中，钴和钼的二氧化硅纳米层厚度均为140nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，温度为900℃，时间2h，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.1um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧，温度为1550℃，时间5h；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
实施例3：
一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅22份；(2)β-氧化铝30份；(3)钴粉3份；(4)钼粉4份；(5)其中纳米氧化钛6份，纳米氧化锡5份；(6)氧化铬4份；(7)纳米氧化钇6份。
其中，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为5:1。
根据本发明提供的制备方法制备耐磨陶瓷涂层材料，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，
将钴粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至600℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为30r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
将钼粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为105℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为45r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
其中，钴的二氧化硅纳米层厚度均为80nm；钼的二氧化硅纳米层厚度均为120nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，温度为1000℃，时间2h，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.1um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧，温度为1400℃，时间5h；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
实施例4：
一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅24份；(2)β-氧化铝32份；(3)钴粉4份；(4)钼粉3份；(5)纳米氧化钛7份，纳米氧化锡5份；(6)氧化铬5份；(7)纳米氧化钇8份。
其中，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为4:1。
根据本发明提供的制备方法制备耐磨陶瓷涂层材料，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，
将钴粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至800℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为60r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
将钼粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为30r/min，反应时间45min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
其中，钴的二氧化硅纳米层厚度均为130nm；钼的二氧化硅纳米层厚度均为100nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，温度为1100℃，时间2h，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径1um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧，温度为1400℃，时间5h；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
实施例5：
一种耐磨陶瓷涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：
(1)氮化硅27份；(2)γ-氧化铝30份；(3)钴粉4份；(4)钼粉4份；(5)纳米氧化钛6份，纳米氧化锡6份；(6)氧化铬5份；(7)纳米氧化钇10份。
其中，氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为3:1。
根据本发明提供的制备方法制备耐磨陶瓷涂层材料，制备步骤如下：
(1)准确称取各个组分；
(2)对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，
将钴粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为105℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为45r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
将钼粉放入化学气相沉积反应室，抽真空至20Pa，预热至700℃，以正硅酸乙酯为原料，控制原料的蒸发温度为100℃，通入氩气，控制反应室旋转速率为30r/min，反应时间30min，反应结束后，待冷却至室温，取出；
其中，钴的二氧化硅纳米层厚度均为110nm；钼的二氧化硅纳米层厚度均为80nm；
(3)将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，温度为1000℃，时间2h，之后冷却至室温，取出；
(4)将步骤(3)中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.5um；
(5)将步骤(4)得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧，温度为1300℃，时间6h；
(6)步骤(5)煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
申请号为201310677680.6的专利文献“采用耐磨金属与陶瓷混合表层制造复合铲的耐磨材料”公开的技术方案制备耐磨金属与陶瓷混合表层，为对照组；将上述实施例和对照组进行材料性能的测试。
(1)陶瓷涂层材料进行硬度、强度和韧性
对实施例和对照组的陶瓷涂层材料进行硬度、强度和韧性的性能测试，结果如表1所示：
表1 陶瓷涂层材料硬度、强度和韧性性能测定
由表可知，在硬度性能上，实施例1-5均高于对照组，表现优异，其中实施例3硬度最佳；在强度性能上，实施例1-5均高于对照组，有明显差距，其中实施例4性能最优；在断裂韧性性能上，实施例1-5均高于对照组，且差距较大，其中实施例3的性能最好。
综上可知，本发明提供的耐磨陶瓷涂层材料具有较高的硬度、强度和韧性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种耐磨陶瓷涂层材料，其特征在于，包括以下质量份数的各个组分：
（1）氮化硅，15-30份；
（2）氧化铝，20-35份；
（3）钴粉，2-5份；
（4）钼粉，2-5份；
（5）纳米氧化钛和纳米氧化锡，其中纳米氧化钛4-9份，纳米氧化锡3-7份；
（6）氧化铬，3-6份；
（7）纳米氧化钇，3-12份。
2.根据权利要求1所述的耐磨陶瓷涂层材料，其特征在于：氧化铝的晶型为β-Al2O3或γ-Al2O3。
3.根据权利要求1所述的耐磨陶瓷涂层材料，其特征在于：氧化铝和纳米氧化钇的质量之比为3-9:1。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）准确称取各个组分；
（2）对钴粉和钼粉分别利用化学气相沉积法包覆二氧化硅，二氧化硅非晶纳米层的厚度为50-150nm；
（3）将包覆后的钴粉和钼粉放入高温炉进行煅烧，之后冷却至室温，取出；
（4）将步骤（3）中得到的混合材料进行研磨，研磨至平均粒径0.1-1μm；
（5）将步骤（4）得到的粉料与其他组分混合，混合均匀后，再高温煅烧；
（6）步骤（5）煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐磨陶瓷涂层材料。
5.根据权利要求4所述的耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中高温煅烧的温度为800℃-1100℃。
6.根据权利要求4所述的耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中高温煅烧的时间为1-4h。
7.根据权利要求4所述的耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中高温煅烧的温度为1200℃-1600℃。
8.根据权利要求4所述的耐磨陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中高温煅烧的时间为2-8h。
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