CN110205577A - 一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，属于热喷涂技术领域。本发明采用等离子喷涂法在预处理的金属基体喷涂厚度为250~300μm的介电陶瓷层，然后再采用等离子喷涂法在介电陶瓷层上喷涂厚度为300~400μm的电阻层，得到金属基陶瓷复合电阻加热涂层。本发明所述金属基陶瓷复合电阻加热涂层的电阻层采用Ni‑Cr合金粉末制备，高温火焰会导致Cr优先氧化，形成主氧化物相为NiCr2O4、NiO的高阻材料；氧化导致Cr耗竭，导致周围区域Ni富集，迫使Ni/Cr比值提高，有利于金属基体中的电子输运，从而导致更高的温度电阻系数值。介电陶瓷层厚度降低为250~300μm，降低介电陶瓷层厚度，可以降低介电陶瓷层的最大应力，从而防止介电陶瓷层裂纹的形成，避免导电金属基体与电阻层之间的短路。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，属于热喷涂技术领域。
背景技术
电阻加热是人们常见的生活用品，随着人们生活水平的不断提高，对高质量的电阻加热需求越来越大。电阻加热的发热电阻的质量直接影响到产品的品质，传统的发热电阻为电阻丝（棒）或电阻块，效率低下，质量不高，已经不能满足企业的生产需求。电阻加热涂层，具有一定优势，具有成本低廉、实用范围广泛及使用方便等优点，避免了使用明火加热，环保、节能、高效，在工厂生产很多工艺中，由于工艺要求简单且易实现；在生活中，电阻加热涂层的便利受到专业领域认可，电阻加热涂层设备影响深远。随着人类生活水平的提高，人们对于健康、美观、安全、方便提出了更高的要求，智能化材料的电阻加热涂层问题成为生产生活的焦点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层，包括基体、介电陶瓷层、电阻层；基体上面涂覆有介电陶瓷层，介电陶瓷层上涂覆有电阻层；其中，介电陶瓷层的厚度为250~300μm，电阻层的厚度为300~400μm。
本发明的另一目的在于提供所述金属基陶瓷复合电阻加热涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将金属基体表面进行粗化、清洁处理，备用，基体材料厚度为1.6~4.8mm。
（2）采用等离子喷涂法在基体的待喷涂表面喷涂介电陶瓷层，介电陶瓷层的陶瓷粉末为TiO2和Al2O3的混合粉末，混合粉末中TiO2粉末的质量百分比为0%~16%，其余为Al2O3粉末。
（3）采用等离子喷涂法在步骤（2）处理后的介电陶瓷层上喷涂形成电阻层，电阻层的待喷涂粉末为Ni-Cr合金粉末，合金粉末中Cr的质量百分比为 12~36%，其余为Ni。
优选的，本发明所述待喷涂金属基体为低碳钢、钴基合金或镍基合金，待喷涂前的预热温度450~750℃，基体一般为圆环形或块状结构。
优选的，本发明所述等离子喷涂的条件为：喷涂电流为450~550A、N2速率为1700~2300mL/h、喷涂距离为80~100mm、送粉电压为8~10V。
本发明的原理：
本发明所述电阻层由Ni-Cr合金粉末采用等离子喷涂法制备得到，高温火焰会导致Cr优先氧化，形成主要氧化物相为NiCr2O4、NiO的高阻材料；氧化导致Cr耗竭，导致周围区域Ni富集，迫使Ni/Cr比值提高，有利于金属基体中的电子输运，从而导致更高的温度电阻系数值。介电陶瓷层厚度降低为250~300μm，降低介电陶瓷层厚度，可以降低介电陶瓷层的最大应力，从而防止介电陶瓷层裂纹的形成，避免导电金属基体与电阻层之间的短路。
本发明的有益效果：
（1）本发明方法电阻层Ni-Cr合金粉末采用等离子喷涂法制备，高温火焰会导致Cr优先氧化，形成主要氧化物相为NiCr2O4、NiO的高阻材料；氧化导致Cr耗竭，导致周围区域Ni富集，迫使Ni/Cr比值提高，有利于金属基体中的电子输运，从而导致更高的温度电阻系数值。
（2）本发明方法介电陶瓷层厚度降低为250~300μm，降低介电陶瓷层厚度，可以降低介电陶瓷层的最大应力，从而防止介电陶瓷层裂纹的形成，避免导电金属基体与电阻层之间的短路。
附图说明
图1圆环形金属基陶瓷复合电阻加热涂层的结构示意图。
图2块状金属基陶瓷复合电阻加热涂层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图1结构方式，具体步骤如下：
（1）将圆环形金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使圆环形金属基体表面粗糙度达到Ra=25；其中圆环形金属基体为钴基合金为K640，基体材料厚度为1.6mm。
（2）配制介电陶瓷层Al2O3粉末，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的圆环形金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为250μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为525A、N2速率为1800mL/h、喷涂距离为80mm、送粉电压为9V、待喷涂金属基体预热温度450℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为300μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为475A、N2速率为1900mL/h、喷涂距离为90mm、送粉电压为8V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到80Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量17.2 MW/ m2。
实施例2
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图2结构方式，具体步骤如下：
（1）将块状金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使圆环形金属基体表面粗糙度达到Ra=27；其中块状金属基体为钴基合金为K640，基体材料厚度为4.8mm。
（2）配制介电陶瓷层，以质量分数计，16% TiO2粉末掺入到Al2O3粉末中，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的块状金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为300μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为550A、N2速率为2200mL/h、喷涂距离为90mm、送粉电压为10V、待喷涂金属基体预热温度750℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr36%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为400μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2300mL/h、喷涂距离为100mm、送粉电压为9V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到90Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量19.7MW/ m2。
实施例3
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图1结构方式，具体步骤如下：
（1）将圆环形金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使圆环形金属基体表面粗糙度达到Ra=29；其中圆环形金属基体为DZ125，基体材料厚度为2.7mm。
（2）配制介电陶瓷层，以质量分数计，8% TiO2粉末掺入到Al2O3粉末中，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的圆环形金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为275μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为540A、N2速率为2000mL/h、喷涂距离为85mm、送粉电压为9.5V、待喷涂金属基体预热温度550℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr24%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为350μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为490A、N2速率为2100mL/h、喷涂距离为95mm、送粉电压为8.5V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到95Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量21.8 MW/ m2。
实施例4
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图2结构方式，具体步骤如下：
（1）将块状金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使块状金属基体表面粗糙度达到Ra=31；其中块状金属基体为DZ125，基体材料厚度为1.6mm。
（2）配制介电陶瓷层Al2O3粉末，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的块状金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为250μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为550A、N2速率为2200mL/h、喷涂距离为90mm、送粉电压为10V、待喷涂金属基体预热温度450℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为300μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2300mL/h、喷涂距离为100mm、送粉电压为9V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到80Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量17.4 MW/ m2。
实施例5
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图1结构方式，具体步骤如下：
（1）将圆环形金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使圆环形金属基体表面粗糙度达到Ra=33；其中圆环形金属基体为45#钢，基体材料厚度为4.8mm。
（2）配制介电陶瓷层，以质量分数计，16% TiO2粉末掺入到Al2O3粉末中，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的圆环形金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为300μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为525A、N2速率为1800mL/h、喷涂距离为80mm、送粉电压为9V、待喷涂金属基体预热温度750℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr36%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为400μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为475A、N2速率为1900mL/h、喷涂距离为90mm、送粉电压为8V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到80Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量18.6 MW/ m2。
实施例6
一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层及制备方法，采用附图2结构方式，具体步骤如下：
（1）将块状金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使块状金属基体表面粗糙度达到Ra=35；其中块状金属基体为45#钢，基体材料厚度为3.2mm。
（2）配制介电陶瓷层，以质量分数计，13% TiO2粉末掺入到Al2O3粉末中，采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的块状金属基体喷涂配制完成的介电陶瓷层粉末至厚度为290μm得到介电陶瓷层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为530A、N2速率为1850mL/h、喷涂距离为82mm、送粉电压为9V、待喷涂金属基体预热温度500℃。
（3）配制电阻层Ni-Cr合金粉末，以质量分数计，其中Ni-Cr合金粉末中含有Cr15%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（2）得到的介电陶瓷层上喷涂配制完成的电阻层粉末至厚度为375μm得到电阻层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为480A、N2速率为1950mL/h、喷涂距离为95mm、送粉电压为8V。
电阻层与介电陶瓷层粘结强度达到97Mpa，在电阻加热涂层失效前，所制得的加热系统所能产生的最高通量20.5 MW/ m2。
Claims (4)
1.一种金属基陶瓷复合电阻加热涂层，其特征在于：包括基体、介电陶瓷层、电阻层；基体上面涂覆有介电陶瓷层，介电陶瓷层上涂覆有电阻层，电阻层由Ni-Cr合金粉末采用等离子喷涂法制备得到；其中，介电陶瓷层的厚度为250~300μm，电阻层的厚度为300~400μm。
2.权利要求1所述金属基陶瓷复合电阻加热涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将金属基体表面进行粗化、清洁处理，备用，基体材料厚度为1.6~4.8mm；
（2）采用等离子喷涂法在基体的待喷涂表面喷涂介电陶瓷层，介电陶瓷层的陶瓷粉末为TiO2和Al2O3的混合粉末，混合粉末中TiO2粉末的质量百分比为0%~16%，其余为Al2O3粉末；
（3）采用等离子喷涂法在步骤（2）处理后的介电陶瓷层上喷涂形成电阻层，电阻层的待喷涂粉末为Ni-Cr合金粉末，合金粉末中Cr的质量百分比为 12~36%，其余为Ni。
3.根据权利要求2所述所述金属基陶瓷复合电阻加热涂层的制备方法，其特性在于：待喷涂金属基体为低碳钢、钴基合金或镍基合金，待喷涂前的预热温度450~750℃。
4.根据权利要求2所述所述金属基陶瓷复合电阻加热涂层的制备方法，其特性在于：等离子喷涂的条件为：喷涂电流为450~550A、N2速率为1700~2300mL/h、喷涂距离为80~100mm、送粉电压为8~10V。
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