CN108251784B - 乳化泵柱塞喷涂复合涂层的方法及包括其的柱塞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种乳化泵柱塞喷涂复合涂层的方法，包括以下步骤：(1)将金属柱塞基体进行除油处理，烘干后喷砂；(2)将喷砂后的金属柱塞进行预热，在金属柱塞上采用超音速等离子喷涂含有NiCrAl与Al2O3复合过渡层；(3)喷涂完复合过渡层后，在复合的金属过渡层表面上采用超音速等离子喷涂Al2O3与TiO2的复合陶瓷面层；(4)对喷涂完陶瓷面层后的金属柱塞进行粗磨、精磨和抛光处理，得到复合涂层。采用本发明的方法通过使用超音速等离子法并且控制复合涂层中Al2O3与TiO2的含量，使得到的涂层粘结强度高，涂层表面均匀、密度和硬度高，相对于全陶瓷柱塞不易损坏、涂层与基体结合力强且可修复，扩大了柱塞的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷涂层的制造方法，特别涉及一种乳化泵柱塞超音速等离子热喷涂涂层的制备方法，属于材料表面加工领域。
背景技术
陶瓷柱塞主要适用于煤炭、石油、化工、食品行业的柱塞类机械，用以替代金属柱塞，解决金属柱塞因耐腐蚀性差、耐工作温度低导致设备寿命短的问题。陶瓷柱塞产品具有极高的耐磨损、耐腐蚀和抗热冲击性能，比金属柱塞使用寿命长5到l 0倍。
现有的陶瓷柱塞在使用过程中也存在一些缺陷：(1)柱塞表面光洁度不够，致使运动摩擦阻力增大，从而降低了生产效率；(2)陶瓷体有开裂现象，这种开裂在陶瓷体制造过程中不易察觉，但在柱塞工作中由于内应力作用，使裂缝不断扩展以致造成工件报废；(3)安装和拆卸过程的冲击容易造成柱塞损坏。目前，已有的陶瓷面层制备的柱塞虽然克服了金属柱塞和陶瓷柱塞的缺点，但是由于陶瓷柱塞涂层的制备主要依靠火焰喷涂和等离子喷涂技术，涂层质量差，而且喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷，孔隙率高，最后还需要封孔处理才能达到使用的要求。因此，高质量的陶瓷涂层是制备复合材料柱塞的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乳化泵柱塞的喷涂陶瓷涂层的制备方法，通过在乳化泵柱塞上先喷涂一层特殊组分的金属与陶瓷复合过渡层后在其上再喷涂上陶瓷面层，得到涂层表面均匀、密度和硬度高、性能好、寿命长的优点，相对于全陶瓷柱塞不易损坏、涂层与基体结合力强且可修复，扩大了柱塞的应用范围。
为实现上述目的，本发明提供了以下的技术方案：
本发明第一方面提供了乳化泵柱塞喷涂复合涂层的方法，包括以下步骤：
(1)将金属柱塞基体进行除油处理，烘干后喷砂；
(2)将喷砂后的金属柱塞进行预热，在金属柱塞上采用超音速等离子喷涂金属与陶瓷的复合过渡层；
(3)喷涂完复合过渡层后，在复合过渡层表面上采用超音速等离子喷涂陶瓷面层；
(4)对喷涂完陶瓷面层后的金属柱塞进行粗磨、精磨和抛光处理，得到复合涂层。
优选的，步骤(2)中所述的复合过渡层为NiCrAl与Al2O3的复合层，所述的陶瓷面层的组分为Al2O3与TiO2。
优选的，所述的复合过渡层中Al2O3占所述金属过渡层的重量分数为10-30％，所述的陶瓷面层中TiO2占所述陶瓷面层的重量分数为10-15％，使得NiCrAl-Al2O3的复合过渡层与陶瓷面层具有较高的粘结强度。
优选的，所述复合过渡层的厚度为0.03-0.05mm，所述陶瓷面层的厚度为0.3-0.4mm，使得到的复合过渡层和陶瓷面层之间的粘结力、致密度性能最佳。
优选的，步骤(3)中所述超音速等离子喷涂陶瓷面层时喷涂的距离为60-120mm，比如70mm，100mm。由于热喷涂涂层的致密性、结合度和可靠性在很大程度上依赖于喷射的速度，当采用的喷涂的距离为60-120mm之间时，涂陶瓷涂层粒子的平均速度就可高达400-450m/s，比如430m/s；同时，喷涂陶瓷涂层的温度根据电流和电压的不同，通过功率调节控制喷涂的温度范围在2800-3200℃之间。
优选的，步骤(3)中超音速等离子法喷涂陶瓷面层的喷涂电流为300-400A，进一步优选为350-400A；喷涂电压为100-150V，进一步优选为110-130V；喷涂功率为38-50kW，主气Ar流量：140L/min；辅气H2流量：35-40L/min；送粉量：30-35g/min。
优选的，步骤(2)中为了避免因冷热不均匀而导致涂层喷爆，将喷砂后的金属柱塞基体预热到80-120℃，并且在金属柱塞上喷涂Al2O3与NiCrAl的复合层作为复合过渡层。从而在金属基体表面制备得到一种性能良好的金属过渡涂层，改善了金属柱塞与陶瓷面层物理相容性和抗氧化腐蚀的作用，金属过渡涂层表面致密，其厚度为0.03-0.05mm，具有超强度结合力和耐腐蚀性，其韧性好、硬度高，不容易产生裂纹或发生脆性脱落。
优选的，步骤(1)将金属柱塞基体进行除油预处理，除去柱塞基体表面上的氧化皮、油脂及其它污物等以提高涂层和基体的结合强度；然后，烘干金属柱塞基体后对涂层区使用碳化硅砂进行喷砂处理，非涂层区用夹具保护。喷砂处理能够使得净化过的柱塞基体表面具有一定的粗糙度，从而使金属基体表面和后期喷涂的陶瓷涂层产生良好的机械结合。
优选的，步骤(1)中对金属柱塞基体的涂层区域进行高速喷砂，采用碳化硅喷料，调节喷砂的压力4-8kg/cm2，喷砂距离为10-30mm，优选15-25mm，比如20mm，130mm；喷砂角度为80-90°，比如80°。由于喷料对金属柱塞基体表面的冲击和切削作用，使金属柱塞基体的表面获得一定的清洁度和粗糙度，使金属柱塞基体表面的机械性能得到改善，因此，提高了其抗疲劳性，增加了金属柱塞基体与复合涂层之间的附着力，有利于后续的热喷涂效果。
优选的，为消除涂层的缺陷，改善涂层性能，步骤(4)中使用人造金刚石砂轮进行所述的粗磨、精磨和抛光处理，所述人造金刚石砂轮的直径分别为100-200目、700-1000目及2000-2700目。通过使用不同直径的金刚石对金属柱塞基体的磨削，能够进一步地减小了金属柱塞表面的粗糙度。
优选的，步骤(4)中所述的粗磨和精磨加工工序中将金属柱塞上的陶瓷面层磨削掉0.15-0.2mm，比如0.15mm，0.18mm，精磨后的表面光滑，摩擦系数低，降低摩擦热的产生，使其能够合适地安装到乳化泵柱塞孔上的要求。
本发明第二方面提供一种乳化泵柱塞，包括金属柱塞基体和复合涂层，利用上述的方法制备得到的复合涂层。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果在于：
本发明提供了一种乳化泵柱塞喷涂复合涂层的方法，通过在乳化泵柱塞上利用超音速等离子分别喷涂一层以NiCrAl与Al2O3作为粘结层的复合过渡层，喷涂粘结底层的目的是在于改善工作涂层的结合性能和应力分布状况，起到粘结和过渡层作用。在复合过渡层上继续喷涂上Al2O3与TiO2的陶瓷面层，通过控制复合过渡层中Al2O3以及陶瓷面层中TiO2的比例，使得柱塞表面上形成具有高硬度、高粘结力的复合涂层。其相对于全陶瓷柱塞，本发明的金属-陶瓷复合柱塞具有不易损坏、涂层与基体结合力强及可以修复等特点，降低了制备的成本，扩大了柱塞的应用范围。
本发明的制备方法通过对喷涂的泵柱塞基体表面先进行清洗、喷砂和打底层处理，再采用超音速等离子喷涂技术在金属基体的表面喷涂一层厚度为0.03-0.05mm的复合过渡层及厚度为0.3-0.4mm的Al2O3与TiO2的陶瓷面层，然后使用外圆磨床对陶瓷面层进行磨削和抛光，使得金属柱塞具有涂层表面均匀，复合涂层的结合强度大，致密性高，孔隙率低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是属于本发明保护的范围。
本发明在实施例中所用的原料和设备见下表1：
表1
下述各实施例中的泵柱塞性能采用测试方法如下：
(1)喷砂操作步骤：按照GB/T 9793-2012对金属柱塞基体进行喷砂处理。
(2)喷涂复合过渡层的操作步骤如下：在高压静电场下，将喷粉枪接负极，工件接地构成回路，合金粉末借助压缩空气由喷枪喷出，喷涂到金属柱塞的工件上。
(3)粗磨、精磨和抛光工序的操作方法采用本领域技术人员常规的操作方式即可。
(4)孔隙率测试：采用定量金相测试法确定，采用定量金相分析仪，一边观察成像，一边直接输入到计算机屏幕，进行统计、计算与分析。孔隙颜色与非孔隙颜色选定为2种不同颜色，根据观察视域内孔隙颜色面积之和与总面积之比，即为孔隙率。
(5)表面硬度测试：按照GB/T 16534-2009精细陶瓷室温硬度试验方法测量表面的维氏硬度。
(6)表面粗糙度测试：采用激光共聚焦显微镜，通过调节物镜和测量视场等参数以及过滤参数，对表面粗糙度特征进行精确描述。
(7)涂层结合强度：按照ASTMC633-2001热喷涂层的粘附力或粘结强度的标准试验方法测量涂层结合强度。
实施例1、
(1)将铝合金柱塞的摩擦面粗加工，与要求的尺寸偏差为-0.2mm，对铝合金柱塞基体进行有机溶剂除油处理，烘干后用300目碳化硅砂进行喷砂处理，非涂层区用夹具保护。用碳化硅砂的喷砂压力4kg/cm2，喷砂距离10mm，喷砂角度80°。
(2)将柱塞基体预热到100℃，用超音速等离子喷涂方法喷涂一层Al2O3与NiCrAl粉末作为复合过渡层，复合过渡层中Al2O3占复合过渡层的重量分数为10％，得到的复合过渡层的厚度为0.03mm。
(3)使用超音速等离子喷涂制备TiO2的重量百分数为10％的Al2O3-TiO2陶瓷面层，喷涂电流350A，喷涂电压为120V，陶瓷面层的厚度为0.35mm。喷涂层的相对密度为98.8％，属于致密材料，因此无需进行封孔处理。
(4)使用外圆磨床对柱塞整体粗磨、精磨和抛光工序。粗磨、精磨和抛光所使用的金刚石砂轮分别为100目、800目、2500目的人造金刚石砂轮。经过上述加工将柱塞的陶瓷涂层磨削掉0.15mm。经检测，得到的柱塞上的复合涂层经测定表面粗糙度为Ra：0.04μm，表面硬度Hv0.2为1260，长时间的高压摩擦使用后，表面形态和硬度无变化，同时使用寿命与陶瓷柱塞相当，便于拆卸和更换。
实施例2、
(1)将铝合金柱塞的摩擦面粗加工，与要求的尺寸偏差为-0.3mm，对铝合金柱塞基体进行有机溶剂除油处理，烘干后用300目碳化硅砂进行喷砂处理，非涂层区用夹具保护，用碳化硅砂的喷砂压力8kg/cm2，喷砂距离20mm，喷砂角度90°。
(2)将柱塞基体预热到100℃，用超音速等离子喷涂方法喷涂一层NiCrAl与Al2O3粉末作为复合过渡层，Al2O3占复合过渡层的重量分数为20％，得到的厚度为0.03mm。
(3)使用超音速等离子喷涂制备TiO2的重量百分数为15％的TiO2-Al2O3陶瓷面层，喷涂电流300A，喷涂电压为150V，陶瓷面层的厚度为0.32mm。喷涂层的相对密度为98.4％，属于致密材料，因此无需进行封孔处理。
(4)使用外圆磨床对柱塞整体进行加工，涂层的加工为粗磨、精磨和抛光工序。粗磨、精磨和抛光所使用的金刚石砂轮分别为100目、800目、2500目的人造金刚石砂轮。
(5)最后得到的柱塞涂层经测定表面粗糙度为Ra：0.05μm，表面硬度Hv0.2为1200，长时间的高压摩擦使用后，表面形态和硬度无变化，同时使用寿命与陶瓷柱塞相当，便于拆卸和更换。
实施例3-7
实施例3-7采用与实施例2相同的方法，不同的具体喷涂条件以及性能参数见表2、3。
实施例8
本实施例为对比例，采用现有技术等离子喷涂技术对金属柱塞进行喷涂：
(1)将铝合金柱塞的摩擦面粗加工，与要求的尺寸偏差为-0.3mm，对铝合金柱塞基体进行有机溶剂除油处理，烘干后用300目碳化硅砂进行喷砂处理，非涂层区用夹具保护，用碳化硅砂的喷砂压力8kg/cm2，喷砂距离20mm，喷砂角度90°。
(2)将柱塞基体预热到100℃，用超音速等离子喷涂方法喷涂一层NiCrAl作为复合过渡层，厚度为0.03mm。
(3)使用普通等离子方法在复合过渡层上喷涂重量百分数为100％的Al2O3陶瓷面层，喷涂电流650A，喷涂电压为75V，陶瓷面层的厚度为0.3mm。喷涂层的相对密度为93.5％。
(4)使用外圆磨床对柱塞整体进行加工，涂层的加工为粗磨、精磨和抛光工序。粗磨、精磨和抛光所使用的金刚石砂轮分别为100目、800目、2500目的人造金刚石砂轮。
(5)最后得到的柱塞涂层经测定表面粗糙度为Ra：0.07μm，表面硬度Hv0.2为1096，长时间的高压摩擦后，由于涂层结合强度较低，有一定的剥落，影响柱塞的长期使用。
实施例9
本实施例采用与实施例8相同的方法，不同的具体喷涂条件和性能参数见表2、3。
表2
表3
从上表可以看出，本发明的方法通过使用超音速等离子法喷涂具有重量分数为10-30％的Al2O3复合过渡层以及重量分数为10-15％的TiO2陶瓷面层，大大提高了乳化泵柱塞喷涂复合涂层的粘结强度，降低了制备的成本，扩大了柱塞的应用范围。
Claims (7)
1.乳化泵柱塞喷涂复合涂层的方法，包括以下步骤：
(1)将金属柱塞基体进行除油处理，烘干后喷砂；
(2)将喷砂后的金属柱塞进行预热，在金属柱塞上采用超音速等离子喷涂金属与陶瓷的复合过渡层；
(3)喷涂完复合过渡层后，在复合过渡层表面上采用超音速等离子喷涂陶瓷面层；
(4)对喷涂完陶瓷面层后的金属柱塞进行粗磨、精磨和抛光处理，得到复合涂层；
其中，步骤(2)中所述的复合过渡层为NiCrAl与Al2O3的复合层，所述的陶瓷面层的组分为Al2O3与TiO2；
所述的复合过渡层中Al2O3占所述复合过渡层的重量分数为10-30％，所述的陶瓷面层中TiO2占所述陶瓷面层的重量分数为10-15％；
所述复合过渡层的厚度为0.03-0.05mm，所述陶瓷面层的厚度为0.3-0.4mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述超音速等离子喷涂陶瓷面层时喷涂的距离为60-120mm，喷涂陶瓷面层的速度为400-450m/s，喷涂的温度为2800-3200℃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(3)中超音速等离子法喷涂陶瓷面层的喷涂电流为300-400A，喷涂电压为100-150V。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(2)中喷砂后的金属柱塞基体预热到80-120℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1)中使用碳化硅喷砂，喷砂的压力4-8kg/cm2，喷砂距离为10-30mm，喷砂角度为80-90°。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(4)中使用人造金刚石砂轮进行所述的粗磨、精磨和抛光处理，所述人造金刚石砂轮的直径分别为100-200目、700-1000目及2000-2700目，所述的粗磨和精磨加工工序中将金属柱塞上的陶瓷面层磨削掉0.15-0.2mm。
7.一种乳化泵柱塞，其特征在于：包括金属柱塞基体和使用权利要求1-6任一项所述的方法在所述金属柱塞基体上制备的复合涂层。
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