CN109706452B - 一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，属于高碳钢涂层技术领域；首先是用酸性溶液对高碳钢进行刻蚀处理，再通过添加LaCl溶液和通入纯氨气进行渗N和La，以对高碳钢进行处理；将含有二氧化硅粉末和三氧化二铝陶瓷粉末的涂层原料加入稀土氧化钐，得到稀土陶瓷涂层原料；将得到的稀土陶瓷涂层原料涂覆在处理后的高碳钢表面，烧结后得到成品；本发明利用刻蚀结合渗N和La技术，提高高碳钢表面强度和耐腐蚀能力，陶瓷涂层提高高碳钢的耐摩擦性能和表面硬度，扩大了高碳钢的使用范围和使用寿命。

Description

一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法

技术领域

本发明属于高碳钢涂层技术领域，具体涉及一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法。

背景技术

金属材料的使用寿命一直受腐蚀、断裂和磨损三种失效形式的制约，从而造成了大量的生产浪费和生产成本的提高。对于如何提高金属材料的表面强度和耐腐蚀性能一直是科研工作站研究的热点。目前对于提高金属材料的表面强度和耐腐蚀能力的方法主要包括了表面喷涂，表面熔覆和表面渗层处理。而高碳钢材料主要用于制造弹簧和耐磨零件，对于如何提高高碳钢的使用寿命更应该受到越来越多的关注。其中表面烧结技术是目前发展较为成熟的方法，在高碳钢表面通过烧结的方法制备陶瓷涂层。烧结分为常压烧结和热压烧结等，但是这些方法容易造成涂层的致密度不好和造成增加生产成本等问题。而金属陶瓷复合粘结剂则有效的避免的此类问题，在保证烧结的涂层的致密度的基础上不增加生产成本，受到越来越多人的关注。

经过现有的技术和文献检索发现：专利CN1597617公开了一种烧结式金属粉末涂料及以其制备金属陶瓷防腐涂层的方法，它涉及一种环保型烧结式金属粉末涂料和以该金属粉末涂料制备金属陶瓷防腐涂层的工艺。本发明的涂料包括片状金属粉末、成型剂、烧结助剂和分散介质四种成分，其中各成分的重量百分比为：片状金属粉末32～65％、成型剂2～10％、烧结助剂0.001～0.01％、余量为分散介质，其涂层的制备方法为：a.配制金属粉末涂料；b.将分散好的金属粉末涂料涂敷于工件表面，恒温；c.然后升温、成型；d.降至常温后重复操作b和c步骤，活化烧结得到防腐涂层。

专利CN1361084公开了一种碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其Al、Ti在粘结相中按重量比计，含量为3～15份；调节硬质相TiC按体积比计，含量为50～75份，工艺中烧结阶段：清洁结构钢表面；将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面；对金属陶瓷排粘：在300～600℃情况下去除成型剂；烧结保温：以10℃～15℃/min的速度升到烧结温度，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；以15℃～20℃/min的速度冷却；调质处理。

以上专利通过烧结的方式在工件表面制备陶瓷涂层，对于工件表面的耐摩擦，硬度和耐腐蚀能力均有一定的提高作用。但是均不能保证陶瓷涂层与工件基体的结合强度，不能保证涂层的致密度，可能在实际的使用过程中，造成涂层产生裂纹和剥落，影响使用寿命，增加生产成本。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法。本发明主要的目的在于利用陶瓷涂层提高高碳钢的耐摩擦性能和表面硬度，扩大高碳钢的使用范围和使用寿命。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，包括以下步骤：

a）高碳钢刻蚀处理：将打磨清洗后的高碳钢放入硝酸和氢氟酸的混合溶液中，浸蚀60-90s，取出后烘干。

b）渗N和La：将烘干后的高碳钢置于真空炉中，并添加1.5-2g的LaCl溶液；再向真空炉中通入纯氨气，氨气的流速为80-100ml/min，炉内温度500-550℃，保持20h-22h，得到处理后的高碳钢。

c）涂层准备：将含有二氧化硅粉末和三氧化二铝陶瓷粉末的涂层原料球磨后加入1.6-1.7%的稀土氧化钐，并加入粘合剂混合均匀后得到稀土陶瓷涂层原料。

d）涂覆：将得到的稀土陶瓷涂层原料均匀的涂覆在所述处理后的高碳钢表面，再将高碳钢在850℃-900℃下烧结，得到成品。

优选的，所述的硝酸和氢氟酸的体积比为3:1。

优选的，将浸蚀之后的高碳钢放入3%-5%的氯化钠溶液中60-90s，之后取出后烘干30min。

优选的，所述真空炉的真空度为60-80Pa。

优选的，所述的涂层原料由以下重量百分比的成分组成：25%-30%二氧化硅粉末，13%-16%的三氧化二铝陶瓷粉末，0.45%-0.6%的氟化钙，8%-9%的氢氧化锂，1.5%-1.6%的氧化镁，13%-15%的硼酸，10%-12%的碳酸钠粉末，8%-10%的硝酸钠和6.8%-10.05%的碳化钨。

优选的，将所述的涂层原料置于1150-1200℃的高温炉中保温3.5-4h，之后在高温下取出迅速倒入冷水中后，置于球磨机上进行湿法球磨，球磨时间为3.5h-4h，球磨机转速为250r/min-300r/min。

更进一步的，将球磨后的涂层原料干燥22-24h，干燥结束后将涂层原料研磨成250-300目的粉末。

优选的，所述的粘结剂为水玻璃。

本发明在利用酸对高碳钢进行刻蚀的目的在于在高碳钢表面形成一层纳米到微米级的微孔，由于烧结温度低于高碳钢的熔点，所以利用这些刻蚀出的坑进行固定陶瓷颗粒，增加陶瓷涂层与基体的结合强度。本发明对腐蚀出的微孔进行渗氮处理，强化了腐蚀坑，增加腐蚀坑的强度和表面硬度，防止腐蚀坑在使用过程中出现裂纹，造成应力腐蚀和涂层裂纹。本发明在渗氮过程中在坩埚中添加稀土氯化镧，提高了氮气的渗入率和渗层厚度，同时在渗氮的过程中稀土也会渗入高碳钢的表面，提高表面强度和耐腐蚀能力。本发明在陶瓷粉末中加入稀土氧化钐，稀土元素能够降低陶瓷的初始烧结温度并且提高氧化铝陶瓷的体积密度和耐磨性能。

本发明一是要保证高碳钢表面腐蚀坑的形成，这主要是通过酸的刻蚀来时间，通过酸的浓度和刻蚀时间来控制刻蚀微孔的深度和大小；二是要保证腐蚀坑和高碳钢的表面强度，这主要是通过渗氮处理和稀土的渗层处理来实现，防止在实际应过程中腐蚀坑出现裂纹造成涂层的裂纹和腐蚀情况的发生；三是要保证烧结过程中不产生过烧和未产生烧结的情况发生，这将严重影响涂层的使用寿命和表面耐摩擦性能，而这主要是通过涂层中陶瓷成分和烧结温度来控制，同时在陶瓷粉末中加入稀土氧化钐有利于提高涂层的致密度和耐摩擦性能。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

1）与传统的高碳钢表面烧结陶瓷涂层相比，本发明在高碳钢表面用酸刻蚀出微孔，增加涂层与高碳钢的结合强度，同时对刻蚀出的微孔进行渗氮和稀土的渗层处理，对于提高高碳钢的表面强度和耐腐蚀能力具有明显的改善作用，防止在使用过程中腐蚀坑产生微裂纹。

2）与一般的高碳钢表面烧结陶瓷涂层相比，本发明在陶瓷粉末中添加了稀土氧化钐，对于提高陶瓷涂层的抗摩擦性能具有明显的提高作用，同时增加陶瓷涂层的致密度，提高其抗氧化和抗腐蚀能力，提高高碳钢的使用寿命，降低生产损失，节约生产成本。

3）与一般普通的钢表面烧结陶瓷涂层相比，本发明涂层为金属涂层复合粘结剂，对于提高陶瓷涂层的致密度和耐腐蚀能力具有明显的提高作用，不需要额外的压力来增加涂层的致密度，降低生产成本。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

本发明涉及的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法。具体的实验步骤如下：

第一步：将高碳钢钢切割成20mm×20mm×3mm的金属板块，并用600目的刚玉纱布对高碳钢表面进行预处理，直至高碳钢表面光亮无明显的锈迹。

第二步：将预处理后的高碳钢用浓度为98%酒精溶液进行超声清洗，再放入先配置好的含量为60g/L的NaOH溶液中，保持溶液的温度在70℃，在这样的状态下保持70s左右，除去钢件表面的油渍和污物。

第三步：将第二步除污后的高碳钢再放入体积比为3:1的硝酸和氢氟酸的混合溶液中，浸蚀70s，目的是为了中和钢件表面的碱液，同时在基体表面刻蚀出40-60nm的微孔；

第四步：最后放入5%的氯化钠溶液中90s减低钢件表面酸浓度，之后取出后烘干30min。

第五步：将刻蚀后的高碳钢置于真空炉的坩埚之上，并在坩埚内添加1.5g的LaCl溶液。

第六步：设置真空度为60Pa，设置温度为500℃，并向真空炉内通入纯氨气，氨气的流速为100mL/min，保持炉内温度20h。

第七步：将含量为25%二氧化硅粉末，16%的三氧化二铝陶瓷粉末，0.45%的氟化钙，9%的氢氧化锂，1.5%的氧化镁，13%的硼酸，10%的碳酸钠粉末，8%的硝酸钠和10.05%的碳化钨进行混合均匀，然后置于1150℃的高温炉中保温3.5h。

第八步：将第七步中加热完的混合粉末在高温下取出迅速倒入冷水中后，置于球磨机上进行湿法球磨，球磨时间为3.5h，球磨机转速为300r/min。

第九步：球磨后的粉末置于鼓风干燥箱中进行干燥处理，温度为110℃，干燥时间为22h，干燥结束后利用研钵将块状粉末研磨成250目的粉末备用。

第十步：将第九步中得到的粉末中加入1.6%的稀土氧化钐，混合均匀后，利用混合粉末与水的质量比为1∶0.5，并外加 3%的水玻璃作为粘结剂，使其充分混合成均匀的料浆后备用。

第十一步：将第十步中得到的料浆均匀的涂覆在高碳钢表面并将其置于管式加热炉中烧结，加热温度为850℃，最终得到所需成品。

实施例2

本发明涉及的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法。具体的实验步骤如下：

第一步：将高碳钢钢切割成20mm×20mm×3mm的金属板块，并用1200目的刚玉纱布对高碳钢表面进行预处理，直至高碳钢表面光亮无明显的锈迹。

第二步：将预处理后的高碳钢用浓度为98%酒精溶液进行超声清洗，再放入先配置好的含量为80g/L的NaOH溶液中，保持溶液的温度在75℃，在这样的状态下保持60s左右，除去钢件表面的油渍和污物。

第三步：将第二步除污后的高碳钢再放入体积比为3:1的硝酸和氢氟酸的混合溶液中，浸蚀90s，目的是为了中和钢件表面的碱液，同时在基体表面刻蚀出40-60nm的微孔；

第四步：最后放入3%的氯化钠溶液中60s减低钢件表面酸浓度，之后取出后烘干30min。

第五步：将刻蚀后的高碳钢置于真空炉的坩埚之上，并在坩埚内添加2g的LaCl溶液。

第六步：设置真空度为80Pa，设置温度为550℃，并向真空炉内通入纯氨气，氨气的流速为80mL/min，保持炉内温度22h。

第七步：将含量为30%二氧化硅粉末，13%的三氧化二铝陶瓷粉末，0.6%的氟化钙，8%的氢氧化锂，1.6%的氧化镁，15%的硼酸，12%的碳酸钠粉末，10%的硝酸钠和6.8%的碳化钨进行混合均匀，然后置于1200℃的高温炉中保温4h。

第八步：将第七步中加热完的混合粉末在高温下取出迅速倒入冷水中后，置于球磨机上进行湿法球磨，球磨时间为4h，球磨机转速为250r/min。

第九步：球磨后的粉末置于鼓风干燥箱中进行干燥处理，温度为110℃，干燥时间为22h，干燥结束后利用研钵将块状粉末研磨成250目的粉末备用。

第十步：将第九步中得到的粉末中加入1.7%的稀土氧化钐，混合均匀后，利用混合粉末与水的质量比为1∶0.5，并外加4%的水玻璃作为粘结剂，使其充分混合成均匀的料浆后备用。

第十一步：将第十步中得到的料浆均匀的涂覆在高碳钢表面并将其置于管式加热炉中烧结，加热温度为900℃，最终得到所需成品。

实施例3

本发明涉及的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法。具体的实验步骤如下：

第一步：将高碳钢钢切割成20mm×20mm×3mm的金属板块，并用1000目的刚玉纱布对高碳钢表面进行预处理，直至高碳钢表面光亮无明显的锈迹。

第二步：将预处理后的高碳钢用浓度为98%酒精溶液进行超声清洗，再放入先配置好的含量为70g/L的NaOH溶液中，保持溶液的温度在72℃，在这样的状态下保持65s左右，除去钢件表面的油渍和污物。

第三步：将第二步除污后的高碳钢再放入体积比为3:1的硝酸和氢氟酸的混合溶液中，浸蚀60s，目的是为了中和钢件表面的碱液，同时在基体表面刻蚀出40-60nm的微孔；

第四步：最后放入4%的氯化钠溶液中80s减低钢件表面酸浓度，之后取出后烘干30min。

第五步：将刻蚀后的高碳钢置于真空炉的坩埚之上，并在坩埚内添加1.5g的LaCl溶液。

第六步：设置真空度为70Pa，设置温度为530℃，并向真空炉内通入纯氨气，氨气的流速为90mL/min，保持炉内温度21h。

第七步：将含量为28%二氧化硅粉末，15%的三氧化二铝陶瓷粉末，0.5%的氟化钙，8.5%的氢氧化锂，1.55%的氧化镁，14%的硼酸，11%的碳酸钠粉末，9%的硝酸钠和8.4%的碳化钨进行混合均匀，然后置于1170℃的高温炉中保温3.5h。

第八步：将第七步中加热完的混合粉末在高温下取出迅速倒入冷水中后，置于球磨机上进行湿法球磨，球磨时间为3.5h，球磨机转速为300r/min。

第九步：球磨后的粉末置于鼓风干燥箱中进行干燥处理，温度为110℃，干燥时间为22h，干燥结束后利用研钵将块状粉末研磨成250目的粉末备用。

第十步：将第九步中得到的粉末中加入1.65%的稀土氧化钐，混合均匀后，利用混合粉末与水的质量比为1∶0.5，并外加 3%的水玻璃作为粘结剂，使其充分混合成均匀的料浆后备用。

第十一步：将第十步中得到的料浆均匀的涂覆在高碳钢表面并将其置于管式加热炉中烧结，加热温度为850℃，最终得到所需成品。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）高碳钢刻蚀处理：将打磨清洗后的高碳钢放入硝酸和氢氟酸的混合溶液中，浸蚀60-90s，取出后烘干；所述的硝酸和氢氟酸的体积比为3:1；

b）渗N和La：将烘干后的高碳钢置于真空炉中，并添加1.5-2g的LaCl溶液；再向真空炉中通入纯氨气，氨气的流速为80-100ml/min，炉内温度500-550℃，保持20h-22h，得到处理后的高碳钢；

c）涂层准备：将含有二氧化硅粉末和三氧化二铝陶瓷粉末的涂层原料球磨后加入1.6-1.7%的稀土氧化钐，并加入粘合剂混合均匀后得到稀土陶瓷涂层原料；所述的涂层原料由以下重量百分比的成分组成：28%-30%二氧化硅粉末，13%-16%的三氧化二铝陶瓷粉末，0.45%-0.6%的氟化钙，8%-9%的氢氧化锂，1.5%-1.6%的氧化镁，13%-15%的硼酸，10%-12%的碳酸钠粉末，8%-10%的硝酸钠和6.8%-10.05%的碳化钨；

d）涂覆：将得到的稀土陶瓷涂层原料均匀的涂覆在所述处理后的高碳钢表面，再将高碳钢在850℃-900℃下烧结，得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，将浸蚀之后的高碳钢放入3%-5%的氯化钠溶液中60-90s，之后取出后烘干30min。

3.根据权利要求1所述的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述真空炉的真空度为60-80Pa。

4.根据权利要求1所述的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，将所述的涂层原料置于1150-1200℃的高温炉中保温3.5-4h，之后在高温下取出迅速倒入冷水中后，置于球磨机上进行湿法球磨，球磨时间为3.5h-4h，球磨机转速为250r/min-300r/min。

5.根据权利要求4所述的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，将球磨后的涂层原料干燥22-24h，干燥结束后将涂层原料研磨成250-300目的粉末。

6.根据权利要求1所述的一种高碳钢表面制备陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述的粘合剂为水玻璃。