CN110791723A - 一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层及其制备方法、工件 - Google Patents

一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层及其制备方法、工件 Download PDF

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Abstract

本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种耐磨高温疏水Cr3C2‑NiCr涂层及其制备方法、工件。本发明的耐磨高温疏水Cr3C2‑NiCr涂层外表面的粗糙度Ra为3～6μm。本发明的耐磨高温疏水Cr3C2‑NiCr涂层的制备方法包括以下步骤：采用热喷涂方法将Cr3C2‑NiCr粉喷涂至粗糙度Ra为5～8μm的基体表面。本发明的Cr3C2‑NiCr涂层具有较好的疏水性能、耐磨性能以及耐高温性能，在室温下涂层的静态接触角高于135°，经过摩擦热处理后的涂层的静态接触角仍在100°以上。

Description

一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层及其制备方法、工件
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层及其制备方法、工件。
背景技术
疏水材料由于其优异的性能被广泛应用于生活和生产的各个领域。目前常规的方法为采用如四氟乙烯、有机硅等有机物来降低表面能以达到疏水的目的。然后，在严酷苛刻的环境条件下如高温、摩擦等，有机疏水涂层的力学性能和耐高温性能不足以应对该类环境的考验。有研究表明，具有一定疏水能力的一些金属无机氧化物如二氧化钛、氧化锌以及二氧化锆等具有较好的力学性能。但是，这些金属无机氧化物在经过紫外线照射后其疏水性能会降低，并且在高温热处理后甚至会变成亲水材料。
Cr3C2-NiCr金属陶瓷复合物，具有较高的强度和耐磨性能；在800℃温度条件下，其依然具有较好的抗氧化、抗腐蚀和耐摩擦性能。李小龙等人证明Cr3C2-NiCr涂层具有一定的疏水性，采用去离子水在其表面进行疏水试验时水滴与Cr3C2-NiCr涂层表面的接触角为49°，该涂层的表面能为72.58mJ·m-2(等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层对油田采出液的耐垢性分析，热加工工艺，2013年，Vol.42，No.4)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层及其制备方法，该涂层的具有更好的疏水性能。
本发明的目的还在于提供一种涂有上述耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的工件。
本发明的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层采用的技术方案为：
一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层，该涂层外表面的粗糙度Ra为3～6μm。
Cr3C2-NiCr涂层具有较高的耐磨性以及耐高温性能，表面粗糙度Ra为3～6μm时该涂层表面结构类似于荷叶表面结构，具有良好的自洁净性。若粗糙度过大，则涂层表面容易储存水使涂层容易被破坏。若粗糙度过小，则涂层表面为光滑表面，疏水性能较差。本发明的涂层在室温条件下与水的静态接触角大于130°，滚动接触角小于50°；在经过磨损以及400℃温度处理后，其静态接触角仍在100°之上。
涂层表面的粗糙度的形成方式由以下几种：基体的表面为粗糙表面，在粗糙表面形成的Cr3C2-NiCr涂层则会有一定的粗糙度；对Cr3C2-NiCr涂层表面进行处理如喷砂处理、砂纸打磨等，从而形成粗糙度；在Cr3C2-NiCr涂层形成的过程中进行处理，如喷涂过程中在喷涂若干遍Cr3C2-NiCr涂层后对涂层进行喷砂处理，然后再继续喷涂。
优选的，所述涂层的厚度为10μm～1mm。若涂层太薄，涂层的耐磨性较差，涂层容易被破坏；若涂层太厚，则表面粗糙度不好控制。
本发明的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法采用的技术方案为：
一种上述耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，包括以下步骤：采用热喷涂方法将Cr3C2-NiCr粉喷涂至粗糙度Ra为5～8μm的基体表面。
基体表面具有一定的粗糙度，一方面使涂层与基体之间的结合力增强，另一方面能够增加涂层的粗糙度，从而增强涂层的疏水性能。本发明所用基体为金属、陶瓷、合金等耐高温基体。相比于其他涂层制备方法如电镀、物理/化学气相沉积等，热喷涂方法能够较为精确的控制涂层的厚度，具有较高的沉积效率、应用范围广的优点。
为降低喷涂时基体与涂层粉体之间的温度差，提高涂层与基体之间的结合力，优选的，喷涂前基体预热至150～280℃。
基体表面的粗糙度由喷砂处理形成，为避免喷涂后涂层表面粗糙度过大和涂层与基体结合力较差，优选的，喷砂处理时所用砂的粒径为20～60目。若所用砂的粒径大于20目，会使基体表面的粗糙度过高从而导致涂层的粗糙度过高，使得涂层的耐磨性下降；若所用砂的粒径小于60目，则不利于涂层与基体的结合。
喷砂处理时所用砂为氧化铝或碳化硅。喷砂处理时的空气压力为0.3～1.0MPa。
所述Cr3C2-NiCr粉的粒径为45～500目。若Cr3C2-NiCr粉的粒径大于45目，则不利于喷涂同时会使涂层表面的粗糙度过高，使得疏水性较差；若Cr3C2-NiCr粉的粒径小于500目，则不利于涂层的制备。
本发明所用Cr3C2-NiCr粉为Sulzer Metco公司商业销售的Cr3C2-10wt％NiCr粉、Cr3C2-20wt％NiCr粉、Cr3C2-25wt％NiCr粉、Cr3C2-25wt％NiCr粉中的一种。其中NiCr合金中Ni的质量分数为80％，Cr质量分数为20％。
所述热喷涂方法为超音速火焰喷涂法，喷涂遍数为20～300遍。采用多遍喷涂的方式能够保证涂层的致密性。
所述超音速火焰喷涂法的工艺参数为：氧气流量：600～1000L/min；载气流量：8～20L/min；燃料流量：15～30L/h；燃烧室压力：0.6～1.2MPa；喷涂距离：280～370mm；喷枪水平移动速度：2.5～5mm/s。为使涂层充分降温，避免被氧化，喷涂过程中每10遍间隔3min再喷涂下一遍。采用上述工艺参数的超音速火焰喷涂方法制备的涂层具有较好的性能。
所述热喷涂方法为大气等离子喷涂法，喷涂遍数为3～30遍。
所述大气等离子喷涂法的工艺参数为：氢气压力：10～15MPa；氢气流量：10～20L/min；氩气压力：10～15MPa；氩气流量：60～120L/min；送粉速率：20～60g/min；喷涂距离：75～125mm；喷枪水平移动速度：300～600mm/s；电流：280～680A；电压：90～160V。在喷涂过程中，为使涂层充分降温，避免被氧化，喷涂时每5遍间隔3min再喷涂下一遍；若喷涂遍数不足5遍时，间隔次数可根据实际情况进行适当调整，只要能使涂层充分降温即可。采用上述工艺参数的大气等离子喷涂法制备的涂层具有较好的性能。
本发明的工件采用的技术方案为：
一种具有Cr3C2-NiCr涂层的工件，包括基体，所述基体表面涂有Cr3C2-NiCr涂层，该涂层的粗糙度Ra为3～6μm。
采用本发明的Cr3C2-NiCr涂层的工件具有良好的疏水性能，并且耐磨性、耐高温性能较好，具有较长的使用寿命，能够适应恶劣的环境。
优选的，涂层的厚度为10μm～1mm。
附图说明
图1为本发明的实施例1的Cr3C2-NiCr涂层的SEM图；
图2为本发明的实施例1的Cr3C2-NiCr涂层的静态接触角测试结果；
图3为本发明的实施例2的Cr3C2-NiCr涂层的SEM图；
图4为本发明的实施例2的Cr3C2-NiCr涂层的静态接触角测试结果；
图5中(a)和(b)分别为本发明的实施例1和实施例2的Cr3C2-NiCr涂层经过磨损、热处理后的静态接触角测试结果。
具体实施方式
一、耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的实施例
实施例1
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的厚度为0.28mm，表面粗糙度Ra＝5.5μm。
实施例2
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的厚度为0.25mm，表面粗糙度Ra＝5.4μm。
实施例3
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的厚度为10μm，表面粗糙度Ra＝3.0μm。
实施例4
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的厚度为1mm，表面粗糙度Ra＝6.0μm。
二、耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法的实施例
实施例5
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法制得的涂层为实施例1中的涂层，具体包括以下步骤：
(1)选用200mm×200mm×2mm的Q235钢板为基体，采用磨削或铣削除去表面锈斑杂物，然后用丙酮清洗除去基体表面油脂；
(2)采用喷砂机对已清理表面的基体进行喷砂处理，所用砂子为30目的氧化铝，空气压力为0.3MPa，之后清除表面残留的砂子，得表面粗化的基体(表面粗糙度Ra为8μm)；
(3)将表面粗化的基体固定于夹具上，喷涂前先将基体预热至200℃，然后采用超音速火焰喷涂的方法将45目的Cr3C2-25wt％NiCr粉喷涂至基体待保护面形成0.28mm厚的涂层；喷涂的工艺参数具体为：氧气流量：800L/min；载气流量(N2)：16L/min；燃料(航空煤油)流量：20L/h；燃烧室压力：0.8MPa；喷涂距离：300mm；喷枪水平移动速度：3.8mm/s；喷涂遍数：150遍，每10遍间隔3min再进行下一遍喷涂。
实施例6
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法制得的涂层为实施例2中的涂层，具体包括以下步骤：
(1)选用200mm×200mm×2mm的Q235钢板为基体，采用磨削或铣削除去表面锈斑杂物，然后用丙酮清洗除去基体表面油脂；
(2)采用喷砂机对已清理表面的基体进行喷砂处理，所用砂子为30目的氧化铝，空气压力为1.0MPa，之后清除表面残留的砂子，得表面粗化的基体(表面粗糙度Ra为8μm)；
(3)将表面粗化的基体固定于夹具上，喷涂前先将基体预热至200℃，然后采用大气等离子喷涂的方法将45目的Cr3C2-20wt％NiCr粉喷涂至基体待保护面形成0.25mm厚的涂层；喷涂的工艺参数具体为：氢气压力：12MPa；氢气流量：15L/min；氩气压力：13MPa；氩气流量：80L/min；送粉速率：30g/min；喷涂距离：100mm；喷枪水平移动速度：400mm/s；喷涂遍数：10遍，每5遍间隔3min在进行下一遍喷涂；电流：400A；电压：120V。
实施例7
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法制得的涂层为实施例3中的涂层，具体包括以下步骤：
(1)选用200mm×200mm×2mm的钢板为基体，采用磨削或铣削除去表面锈斑杂物，然后用丙酮清洗除去基体表面油脂；
(2)采用喷砂机对已清理表面的基体进行喷砂处理，所用砂子为60目的氧化铝，，空气压力为0.3MPa，之后清除表面残留的砂子，得表面粗化的基体(表面粗糙度Ra为5.6μm)；
(3)将表面粗化的基体固定于夹具上，喷涂前先将基体预热至150℃，然后采用超音速火焰喷涂的方法将500目的Cr3C2-50wt％NiCr粉喷涂至基体待保护面形成10μm厚的涂层；喷涂的工艺参数具体为：氧气流量：600L/min；载气流量(N2)：8L/min；燃料(航空煤油)流量15L/h；燃烧室压力：0.6MPa；喷涂距离：280mm；喷枪水平移动速度：2.5mm/s；喷涂层数：5遍。
实施例8
本实施例的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法制得的涂层为实施例4中的涂层，具体包括以下步骤：
(1)选用200mm×200mm×2mm的Q235钢板为基体，采用磨削或铣削除去表面锈斑杂物，然后用丙酮清洗除去基体表面油脂；
(2)采用喷砂机对已清理表面的基体进行喷砂处理，所用砂子为30目的碳化硅，之后清除表面残留的砂子，得表面粗化的基体(表面粗糙度Ra为8μm)；
(3)将表面粗化的基体固定于夹具上，喷涂前先将基体预热至280℃，然后采用大气等离子喷涂的方法将150目的Cr3C2-10wt％NiCr粉喷涂至基体待保护面形成1mm厚的涂层；喷涂的工艺参数具体为：氢气压力：15MPa；氢气流量：20L/min；氩气压力：15MPa；氩气流量：120L/min；送粉速率：60g/min；喷涂距离：125mm；喷枪水平移动速度：600mm/s；喷涂遍数：40遍，每5遍间隔3min在进行下一遍喷涂；电流：680A；电压：160V。
三、工件的实施例
实施例9
本实施例的工件，包括基体，基体表面Cr3C2-NiCr涂层为厚度为0.28mm，表面粗糙度Ra＝5.5μm。Cr3C2-NiCr涂层制备方法参考实施例5。
实施例10
本实施例的工件，包括基体，基体表面Cr3C2-NiCr涂层为厚度为0.25mm，表面粗糙度Ra＝5.4μm。Cr3C2-NiCr涂层制备方法参考实施例6。
实施例11
本实施例的工件，包括基体，基体表面Cr3C2-NiCr涂层为厚度为10μm，表面粗糙度Ra＝3μm。Cr3C2-NiCr涂层制备方法参考实施例7。
实施例12
本实施例的工件，包括基体，基体表面Cr3C2-NiCr涂层为厚度为1mm，表面粗糙度Ra＝6μm。Cr3C2-NiCr涂层制备方法参考实施例8。
试验例1
对实施例1和实施例2的涂层进行SEM扫描测试，测试结果如图1和图3所示。由图1和图3可知，本发明的涂层均匀致密，表面凹凸不平。
试验例2
对实施例1～4的涂层按照现有技术中常用的方法进行接触角测试。测试结果如表1所示。其中实施例1和2的静态接触角的照片分别如图2和图4所示。
表1接触角测试结果
涂层 静态接触角/° 滚动接触角/°
实施例1 138 45
实施例2 136.5 46
实施例3 137.6 41
实施例4 135.2 48
由表1可知，本发明的Cr3C2-NiCr涂层的具有较好的疏水性。
试验例3
分别对实施例1～4的涂层采用1000目金刚石砂盘对涂层进行磨抛试验，至表面粗糙度Ra＝3.0μm结束，用丙酮超声清洗样品；之后，再将磨抛的样品置于400℃的大气条件下热处理120min，然后在对涂层的接触角进行测试。测试结果如表2所示，其中实施例1和实施例2的静态接触角的照片如图5所示。
表2接触角测试结果
涂层 静态接触角/°
实施例1 106
实施例2 107.3
实施例3 106.6
实施例4 105.2

Claims (10)

1.一种耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层，其特征在于，所述涂层外表面的粗糙度Ra为3～6μm。
2.根据权利要求1所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层，其特征在于，所述涂层的厚度为10μm～1mm。
3.一种如权利要求1所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用热喷涂方法将Cr3C2-NiCr粉喷涂至粗糙度Ra为5～8μm的基体表面。
4.根据权利要求3所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，喷涂前基体预热至150～280℃。
5.根据权利要求3所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，基体表面的粗糙度由喷砂处理形成，所用砂的粒径为20～60目。
6.根据权利要求3所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，所述Cr3C2-NiCr粉的粒径为45～500目。
7.根据权利要求3所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂方法为超音速火焰喷涂法，喷涂遍数为20～300遍。
8.根据权利要求3所述的耐磨高温疏水Cr3C2-NiCr涂层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂方法为大气等离子喷涂法，喷涂遍数为3～30遍。
9.一种具有Cr3C2-NiCr涂层的工件，包括基体，其特征在于，所述基体表面涂有Cr3C2-NiCr涂层，该涂层的粗糙度Ra为3～6μm。
10.根据权利要求9所述的具有Cr3C2-NiCr涂层的工件，其特征在于，所述Cr3C2-NiCr涂层的厚度为10μm～1mm。
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CN113430480A (zh) * 2021-06-15 2021-09-24 安徽工业大学 一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用

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