CN111663093B - 一种金属陶瓷材料、一种金属陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属陶瓷材料、一种金属陶瓷涂层及其制备方法，所述的金属陶瓷材料包括一定配比的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金材料制成，采用喷雾造粒‑喷涂‑封孔的方法，可以在基体材料表面制得金属陶瓷涂层，在提高涂层与基体之间结合强度的同时，还提高了基体的抗腐蚀、耐磨损性能，这种金属陶瓷涂层成本低廉、生产效率高，制得的金属陶瓷涂层可以作为输电线路金具涂层材料，提高输电线路金具的抗腐蚀、耐磨损性能和运行寿命，可以应用在户外金属结构、汽车、航空航天等领域。

Description

一种金属陶瓷材料、一种金属陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种金属陶瓷材料、一种金属陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
输电线路金具是高压输电线路的重要组成部分，随着超高压和远距离特高压电网的不断建设，对电力系统安全、稳定及经济运行的要求越来越高。为了确保电网的安全运行，提高供电的可靠性，必须保证输电线路运行的可靠性。
随着电网的发展，目前大多采用超高压电网进行大容量电力外送，相继建起多条超高压线路，但是随着工业的发展，工业污染非常严重，二氧化硫及盐类污染物沉积明显较大，在潮湿的大气环境下，线路金具镀锌保护层会较快消耗掉。随着时间的推移，金具表面会出现机械磨损、氧化腐蚀、化学腐蚀等，严重地干扰了电气设备的正常运行，镀锌层本身与基体金属的附着力不好，容易导致镀锌层脱落，锌作为两性金属，既能溶于酸也能溶于碱，在潮湿的污染环境中耐蚀性较差，不能很好地保护基体金属，以上问题均大大降低了输电线路运行的可靠性。目前因金属陶瓷涂层具有高耐磨性与抗腐蚀性，将金属陶瓷涂层应用在输电线路金具上，可以在一定程度上解决接地装置易腐蚀的问题。
中国专利CN109536816A公开了一种镍基氮化钛金属陶瓷涂层材料，以一定配比的氮化钛、镍和碳为原料，以聚乙二醇为成型剂，采用喷雾造粒-高温碳化制粉，然后采用电磁驱动热粉末镀膜装置，在Q235扁钢上制得一层镍基氮化钛金属陶瓷涂层。但是这种金属陶瓷涂层的抗腐蚀、耐磨损性能仍需进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有金属陶瓷涂层抗腐蚀、耐磨损性能不高的缺陷和不足，提供一种金属陶瓷材料，采用一定配比的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni，Cr)合金材料作为原料，这种金属陶瓷材料抗腐蚀、耐磨损性能较好，作为涂层材料与基体的附着力较高。
本发明的另一目的是提供一种金属陶瓷涂层。
本发明的又一目的是提供一种金属陶瓷涂层的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种金属陶瓷材料，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：(W,Ti)(C,N)陶瓷材料30％～70％和(Ni,Cr)合金材料70％～30％，所述的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1～3；所述的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:8～8:2；所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为3:7～7:3。
本发明采用一定配比的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金材料作为原料，制得(W,Ti)(C,N)-(Ni,Cr)金属陶瓷材料，金属陶瓷颗粒镶嵌在固溶体合金中，将其喷涂在基体上，可制得一种金属陶瓷涂层，实现基体与涂层之间的冶金结合，提高了涂层与基体之间的结合强度，由于这种涂层中(W,Ti)(C,N)的硬度为72～88HRA，远大于传统镀锌钢的硬度150HB，在力学性能上有一定的提升；而(Ni,Cr)合金的标准电极电位(-0.25v～-0.40v)比Zn的标准电极电位(-0.7628v)高，因此，所制得的金属陶瓷材料的抗腐蚀、耐磨损性能较好。
优选地，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料30％～50％和(Ni,Cr)合金材料30％～50％。
优选地，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1～2；所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:4～4:2。
更优选地，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1。
更优选地，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:2。
更优选地，所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为3:7。
优选地，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料为固溶体形式，所述(Ni,Cr)合金材料为固溶体合金粉形式。
优选地，所述(Ni,Cr)合金材料的目数为5000～8000目。
本发明保护一种金属陶瓷涂层，由上述的金属陶瓷材料制成。
本发明还保护上述的金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1.将(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金材料进行喷雾造粒，制得金属陶瓷粉末；
S2.将步骤S1制得的金属陶瓷粉末干燥后，喷涂在基体表面，制得金属陶瓷涂层。
具体地，步骤S1所述的喷雾造粒具体操作为：
使用离心式喷雾干燥塔，供料泵转速为120r/min，离心转盘转速为4500r/min，喷雾塔进口温度为400℃，出口温度220℃。
优选地，步骤S2喷涂为采用超音速火焰喷涂技术。
优选地，步骤S2所述干燥的操作为将步骤S1的金属陶瓷粉末放入真空恒温干燥箱中，时间为100～120分钟，温度为80～85℃。
具体地，步骤S2所述基体为碳素钢基体。
优选地，所述碳素钢基体使用前，还包括如下预处理的步骤：
对碳素钢基体表面用丙酮除油；采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料金刚砂高速喷射到碳素钢基体表面进行除锈；分别用400目、800目、1000目砂纸进行打磨、抛光处理。
优选地，步骤S2制得金属陶瓷涂层后，还包括将(Ni,Cr)固溶体合金粉喷涂在金属陶瓷涂层表面制得封孔层，进行封孔。
优选地，所述的(Ni,Cr)固溶体合金粉中Ni、Cr元素的质量比为3:7～7:3。
更优选地，所述的(Ni,Cr)固溶体合金粉中Ni、Cr元素的质量比为7:3。
优选地，步骤S2所述金属陶瓷涂层厚度为0.2～0.4mm。
优选地，步骤S2所述的喷涂为采用超音速火焰喷涂设备，喷枪的喷涂距离为15～21cm，送粉电压为5V～8V，喷枪的横向移动速度为7cm/s。
优选地，所述的封孔层厚度为50～100μm。
本发明提供的金属陶瓷涂层可以作为线路金具涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种金属陶瓷材料，其中包括一定配比的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金材料，进一步可以作为一种金属陶瓷涂层，采用喷雾造粒-喷涂-封孔的方法，在提高涂层与基体之间附着力的同时，还提高了基体的抗腐蚀、耐磨损性能，其中与碳素钢基体的临界载荷Lc≥100N，表面显微硬度HV≥1400，结合强度最高可达120N，在15％的中性盐溶液中加速腐蚀144小时不被腐蚀。本发明的金属陶瓷涂层成本低廉、生产效率高，制得的金属陶瓷涂层可以作为输电线路金具涂层材料，提高输电线路金具的抗腐蚀、耐磨损性能和运行寿命，提高输电线路运行的可靠性，还可应用于户外金属结构、汽车、航空航天等领域。
附图说明
图1为实施例1中制备的金属陶瓷涂层结构示意图。
图2为实施例1中制备的金属陶瓷涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种金属陶瓷材料，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：30％(W,Ti)(C,N)固溶体陶瓷材料和70％(Ni，Cr)固溶体合金粉，其中，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1；所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:8；所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为3:7。
一种金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1.对Q235碳素钢基体材料表面用丙酮进行除油；采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料金刚砂高速喷射到试样表面进行除锈；分别用400目、800目、100目砂纸进行打磨、抛光等预处理；
将(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金粉混合，使用离心式喷雾干燥塔进行造粒，供料泵转速应控制为120r/min，离心转盘转速应控制为4500r/min，喷雾塔进口温度应控制为400℃，出口温度220℃，制得金属陶瓷粉末；
S2.将金属陶瓷粉末放入真空恒温干燥箱进行干燥，时间为120分钟，温度为85℃，然后采用超音速火焰喷涂设备进行喷涂，喷枪的喷涂距离为15cm，送粉电压为5V，喷枪的横向移动速度为7cm/s，金属陶瓷涂层厚度控制在0.2mm，制得金属陶瓷涂层；将(Ni,Cr)合金粉喷涂在金属陶瓷涂层表面，进行封孔，其中Ni：Cr为3:7，封孔层厚度为50μm。
实施例2
一种金属陶瓷材料，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：50％(W,Ti)(C,N)固溶体陶瓷材料和50％(Ni,Cr)固溶体合金粉，其中，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:2；所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为8:2；所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为7:3。
一种金属陶瓷涂层的制备方法同实施例1，区别在于，步骤S2喷枪的喷涂距离替换为18cm，送粉电压替换为78V，金属陶瓷涂层厚度替换为0.3mm，封孔层厚度替换为70μm。
实施例3
一种金属陶瓷材料，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：70％(W,Ti)(C,N)固溶体陶瓷材料和30％(Ni,Cr)合金粉，其中，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:3；所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:4；所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为3:7。
一种金属陶瓷涂层的制备方法同实施例1，区别在于，步骤S2喷枪的喷涂距离替换为21cm，金属陶瓷涂层厚度替换为0.4mm，封孔层厚度替换为100μm。
对比例1
本对比例为一种镀锌涂层，热镀锌也称热浸镀锌，是钢铁构件浸入熔融的锌液中获得金属覆盖层的一种常规方法。其制备工艺为：工件→脱脂→水洗→酸洗→水洗→浸助镀溶剂→烘干预热→热镀锌→整理→冷却→钝化→漂洗→干燥→检验。所得镀锌层的抗腐蚀厚度在65μm。锌的抗大气腐蚀的机理有机械保护及电化学保护，在大气腐蚀条件下锌层表面有ZnO、Zn(OH)2及碱式碳酸锌保护膜，一定程度上减缓锌的腐蚀，这层保护膜(也称白锈)受到破坏又会形成新的膜层。当锌层破坏严重，危及到铁基体时，锌对基体产生电化学保护，锌的标准电位-0.7628V，铁的标准电位-0.44V，锌与铁形成微电池时锌作为阳极被溶解，铁作为阴极受到保护。
性能测试
1、测试方法
(1)金属陶瓷涂层厚度
采用JSM-7500F型低温场发射扫描电子显微镜观察涂层的截面形貌，并用设备自带的标尺测试涂层的厚度。
(2)显微硬度
用MH-5LD维氏硬度计测量涂层的显微硬度，加载力为1N，每组试样测试5次，取平均值。
(3)结合强度
用WS-2000涂层附着力自动划痕仪上测定涂层与基体的结合强度。
(4)抗腐蚀性能
采用YWX-250型精密型盐水喷雾盐雾试验机，试验箱内的实验温度设置为35℃，盐溶液PH值为6.5，喷雾量设置为1.25ml/(80cm2·h)，试验周期为480h。
(5)耐磨损性能
涂层的常温耐磨性试验采用球盘磨损试验，在WIM-1E微型摩擦磨损试验机上进行。
2、测试结果
表1各涂层性能测试结果
Figure BDA0002527201260000061
由上表1可知，本发明实施例所制备的金属陶瓷涂层较对比例1中传统的镀锌层的硬度明显更高，在15％盐雾加速腐蚀试验条件下，金属陶瓷涂层具有更好的抗腐蚀性能。
图1和图2为实施例1的金属陶瓷涂层结构示意图，由图1中看出，最后喷涂的封孔层，封闭了原表面颗粒间的孔隙，进一步阻碍了外部介质沿孔隙向涂层内部的腐蚀。由图2中看出，金属陶瓷涂层厚度为435.7368μm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属陶瓷材料，其特征在于，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：(W,Ti)(C,N)陶瓷材料30％～70％和(Ni,Cr)合金材料70％～30％，所述的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1～3；所述的(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:8～8:2；所述(Ni,Cr)合金材料的Ni、Cr元素的质量比为3:7～7:3。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷材料，其特征在于，包括如下按照质量百分比计算的组分制成：(W,Ti)(C,N)陶瓷材料30％～50％和(Ni,Cr)合金材料30％～50％。
3.根据权利要求1或2所述的金属陶瓷材料，其特征在于，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的W、Ti元素的摩尔比为1:1～2；所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料中的C、N元素的摩尔比为2:4～4:2。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷材料，其特征在于，所述(W,Ti)(C,N)陶瓷材料为固溶体形式，所述(Ni,Cr)合金材料为固溶体合金粉形式。
5.一种金属陶瓷涂层，其特征在于，由权利要求1～4任一项所述的金属陶瓷材料制成。
6.权利要求5所述的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将(W,Ti)(C,N)陶瓷材料和(Ni,Cr)合金材料进行喷雾造粒，制得金属陶瓷粉末；
S2.将步骤S1制得的金属陶瓷粉末干燥后，喷涂在基体表面，制得金属陶瓷涂层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2制得金属陶瓷涂层后，还包括将(Ni,Cr)固溶体合金粉喷涂在金属陶瓷涂层表面制得封孔层，进行封孔。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2所述金属陶瓷涂层厚度为0.2～0.4mm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的(Ni,Cr)固溶体合金粉中Ni、Cr元素的质量比为3:7～7:3。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的封孔层厚度为50～100μm。
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