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金属基高温耐磨陶瓷涂层的制备与研究


V01.44 No.3 Mar.2008

中国陶瓷

第44卷第3期 2008年3月

生产与应用

文章编号:1 001—9642《2008)03—00058—03

金属基高温耐磨陶瓷涂层的制备与研究
刘峰1,于明涛2,万隆2 (1湖南益阳发电有限责任公司, 2湖南大学材料学院,
【摘要】:针对燃煤火力发电厂锅炉管道的磨损问题. 采用改性无机溶胶为粘结剂,高硬度无机颗粒材料为骨料, 无机纤维作为增强材料,辅以其他多种陶瓷材料作为填料, 研制了一种常温下涂刷、固化.并可以在700℃以下温度 中长期稳定使用的环保型金属基陶瓷高温耐磨涂料。实验 对涂料的主要性能进行了测试.并对涂料中的各因素对涂 层性能的影响进行了研究和机理分析。 【关键词】:金属基,高温耐磨.骨料,陶瓷涂层


益阳41 长沙41 0082)

5001;

实验部分
原料:用作涂料粘结剂的材料为无机溶胶,并经一

1.1原料和设备
定的改性处理,骨料采用粒度为3.5—20um的陶瓷硬 质颗粒,为了提高涂料的可塑性和强度,还添加了少量 高岭土和无机短纤维材料,辅助材料主要为着色剂氧化 铬和提高涂层致密性的金属铝粉末。 试验设备:DJ-I电动搅拌机、箱式电阻炉、QQM 轻型球磨机、STA449C综合热分析仪、偏光显微镜、 PM卜1型磨损试验机、BY-II摆杆式漆膜硬度计、
TH-500电子天平、油漆刷

引言
物体相对运动的接触表面常会产生磨损现象。其中 有很大部分磨损是有害的,为了对付这类磨损,人们对 磨损机理及其防护进行了许多研究(i-4]。在化工,电力和 冶金领域常常还会涉及到高温条件下的磨损情况,由于 磨损和高温的双重作用,更加快了机械设备的损坏速度, 因此对高温磨损机理进行研究和对相关设施采取有效的

1.2涂层的制备
1.2.1基体材料涂覆前处理 由于未经处理的金属基体表面往往附有油脂、灰尘 及氧化层等,将影响涂层对基体的附着力和涂层的使用 寿命,制备涂层前应尽可能将其清除掉。本实验所进行 的基体材料前处理包括除油、除锈和钝化三个部分,工
艺流程如图1所示。

  防护措施具有非常重要的意义。陶瓷材料多以离子键和
共价键结合,化学键能高,原子间结合力强,使得陶瓷 材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性及摩擦系数小 等优点。若能将陶瓷涂层制备于金属表面,使之形成陶 瓷/金属复合体,则既可充分利用陶瓷材料的耐热、耐磨、 耐腐蚀等性能,又兼具金属材料的强度、韧性和易加工
等性能IS-C]。

我国火力发电大多以煤为燃料,为了使煤燃烧得更 加充分,常将煤破碎成粉,煤粉燃烧后变成硬度较高的 玻璃质的粉煤灰,在发电厂的锅炉中,这些粉煤灰有一 部分被热气流带到锅炉的热交换器中,由于热气流的速 度较快,被携带的粉煤灰具有较高的能量,因而对热交 换器的管道会产生强有力的冲刷,使得管道壁逐渐变薄, 强度降低,常由此引起热交换器管道爆裂现象,不得不 停炉检修,造成巨大的经济损失【7-8】。特别是近年来,燃 煤供应紧张,煤的质量下降,为了保证发电功率不变, 必须增加单位时间的燃煤量,这就使得热气流中夹带的 粉煤灰量更多,气流速度更快,由此造成的管道磨损情 况更加严重。 根据燃煤火力发电厂锅炉管道的磨损防护的要求, 我们研制了一种可以在常温下涂刷,表干后随工作部位 加热进一步固化的金属基陶瓷高温耐磨涂层,并对影响 涂层性能的主要因素进行探讨和分析。
收稿日期:2008-1-3
Fig.1

图1试片前处理工艺流程图
The pretreatment of
test

sample

1.2.2复合涂层的制备 实验中采用的基体材料为45号薄钢板,试片尺寸为 30×50×lmm。根据图2所示的工艺流程图,按照一定 的配方配制涂料,将制备好的涂料涂刷在经过表面处理 的金属基体表面上,然后通过一定硬化制度使涂层固化, 即得到金属基复合涂层试片。 1.3涂层性能测试 实验采用PMJ—l型磨损试验机对不同配方制成的 涂层进行耐磨性试验研究,在固定载荷为9.8N的情况下, 考察涂层在一定转数时间内(5m血)的磨蚀量。 采用对400’C的试样循环水冷的方法测定涂层的抗
热震能力。

作者简介:作者简介:刘峰(1 975-),男,湖南益阳人, 工程师,长期从事火力发电厂锅炉检修工作。
与8

用STA499型综合热分析仪测定硬化后涂料的TG— DTA曲线,升温速率10"(2/min,升温范围25~800U,

I中国陶瓷I

CHINA CERAMICS

I 2008(44)第3期i

万   方数据

2008年第3期

中国陶瓷

涂层中的硅酸盐网状结构被坏,涂层防护作用逐渐失效。 从热分析可知,粘结剂和陶瓷物料可以在高温下保 持较好的稳定性,750℃以下高温环境中持续工作而不破 坏,热震测试在400℃对涂层试样水冷循环10次,涂层 形貌仍然完好。

2.2骨料对涂层性能的影响
在实际的涂料配置中,采用工业碳化硅为涂料的骨 料,研究了碳化硅的粒径,添加量等因素对涂层耐磨性
能的影响。

2.2.1骨料粒径对涂层耐磨性能的影响 选用粒径分别为3.5“m、10um,14pm、20“m、
28¨m、40“m、50


m的SiC骨料。分别按相同的添加

图2涂料的制备工艺
Fig.2 The preparation of coating

比例(25wt%)制成涂层试样,测定的SiC粒径与涂层 磨损量的关系如图4所示: 从图4中可以看出,当骨料的粒径<20pm时,涂

空气气氛。

用QBY—II摆杆式漆膜硬度计对涂层的硬度进行测 定。

2结果与讨论
2.1粘结剂对涂层性能的影响
金属基高温耐磨涂料的粘结剂是影响涂层性能的关 键因素。涂层的高温性能,耐磨性能,附着力与涂料中 采用的粘结剂有着很大的关系。由于涂层的工作环境温 度较高,本实验采用改性无机溶胶作为粘结剂,并通过   热分析研究了粘结剂和各种粉料制成的涂层在高温下的 稳定性,如图3所示。
1∞00

图4不同粒径骨料与涂层的耐磨性
Fig.4 The relation between wear-resisting of different particle property and aggregates size


90

;蓍


层的磨蚀量随着骨料颗粒直径的增大而逐渐减少,涂层 的耐磨性能增强,当SiC骨料的粒径为20pm时,涂层 的磨蚀量最少,耐磨性达到最好,当骨料的粒径>20 2.2.2骨料加入量对涂层耐磨性能的影响
墨度/℃


72





时,涂层的耐磨性能随着骨料颗粒粒径的增大反而变差。 选用SiC骨料粒径为20“m,骨料的加入量分别为 涂层总量的10、15,20、25、30、35、40,45(wt%)
sample analysis of
test

图3涂层样的TG-DSC热分析
Fig.3 The TG-DSC thermal

进行了试验,测定的涂层耐磨性能与骨料加入量的关系
示于图5。

从TG-DSC曲线来看,涂层在室温至120℃区间内 失重比较严重,在此温度范围内,涂层粘结剂中的物理 吸附水蒸发,引起明显的失重现象,DSC曲线出现一个 明显的吸热峰,由于粘结剂中所含水分较多,这一阶段 失重达到3.5%,在120到540℃区间内,涂层失重相对 缓慢,在该温度区间,主要是高岭土失去层间水,无机 溶胶进一步固化并发生缩聚反应,失去结晶水,此过程 中失重率为1.7%,在540℃到750"(2破区间内,涂层中的 金属铝开始被氧化生成A1,O,,但由于结构水的进一步减 少,增重缓慢,此时铝的氧化添补了涂层中的缺陷,涂 层变得更加致密。而当温度大于750℃后,铝的氧化加剧,

从图5中可以看出,当涂层中的骨料含量<30%时, 涂层的磨蚀量随着骨料含量的增加而减少,当涂层中的 骨料含量>30%时,涂层的磨蚀量着则随着骨料的含量 的增加而加大,在骨料含量30%时整个涂层体系的耐磨 性能达到最好。 分析原因:由于涂层中SiC骨料的加入量不同,形 成的涂层内部结构也有差别,这使它们在磨损时的失效 机理也不相同。当涂料中骨料的加入量较少时,骨料的 周围有较多的粘结剂,形成的涂层如图6(A)。由于复合 涂层中胶粘剂的硬度远低于骨料硬度,磨损中胶粘剂的 冲国陶瓷I
CHINA CERAMICS

l 2008(44)第3期I 59三

万   方数据

中国陶瓷

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镜下观察它们的长径比,当纤维长径比较大时,纤维堆积 过程中形成的空隙越大,因此,涂层的致密性越差。相反, 纤维长径比较小时,其形状近似呈球形,堆积过程更趋 向于平行排列,其堆积密度越大,空隙率越低,但是当 纤维长径比很小时,则不能起到增强和抑制裂纹生长的 作用,实验中发现经过150rain球磨后的纤维具有合适的 长径比10—20,同时还可在涂料中得到均匀分散,制备 出的涂层性能较好。 实验还研究了添加不同百分含量纤维对涂层性能的 影响,发现当纤维添加量小于4%时,经600.《2加热固化 后的涂层裂纹较多,容易剥落当纤维添加量大于8%后,
骨料含量/wt%

图5骨料加入量与涂层耐磨性
Fig.5
The relation between wear--resisting property of different
content

纤维在涂料中分散性逐渐变差,且气孔增多,涂料易结凰
and

而当纤维添加量大于12%时,纤维在涂料体系已很难分 散开。实验中发现,添加量为5—7%时,纤维在涂层中 既可起到很好的牵扯增强作用,又不至于导致出现涂料 体系的分散问题。

aggregates

2.4辅助材料对涂层性能的影响
由于Cr,O,硬度高,耐高温性能良好,因此在涂层 中可起到提高涂层强度的作用。此外Cr,0,有消泡、改善 涂层表面形貌的作用。实验中发现,当Cr,0,含量在5% 左右时,消泡效果好,涂层表面形貌致密,机械强度较高。 而当Cr,O,含量大于8%时,涂层与金属基体间的结合强 度降低,最明显的表现就是涂层有微裂纹产生、受热冲
of

 
Fig.6

图6骨料含量和涂层的结构示意
The exhibition map about coating
content structure

击时容易剥落。分析原因:当在涂料体系中添加Cr,O,时, 由于Cr3+的半径为0.064nm,在烧结的过程中容易渗进 金属基体界面而与铁基固溶形成界面过渡层,产生“扎 钉”效应【9】,保证涂层形成致密和坚硬的整体,经测试高 温400"C处理后的涂层硬度为摆杆硬度0.7-0.8。 金属铝粉在涂层中也发挥了重要的作用,从前面热 分析可知在高温时铝粉氧化后体积增大,填补了涂层中 产生的缺陷,此外铝粉作为低电势金属粉末,当涂敷在 基体表面时可以发挥一定的阳极保护作用,延缓基体材 料的腐蚀。实验中发现添加l~3%的铝粉能保证涂层在 高温下具有较好的稳定性。

different aggregates

磨损速度快于骨料,使得骨料突出于涂层表面,形成硬 质点,骨料比例小时,则涂层中的硬质点少,因而涂层 耐磨性差,磨损量较大,随着骨料加入量的增加,骨粒 周围包裹有适量的粘结剂,且涂层的内部缺陷(如气孔 等)大大减少,涂层的硬度较高,磨损主要发生在较硬 的骨料上,磨损主要表现在骨料颗粒的脱落,涂层的耐 磨性取决于结合剂的粘结强度,粘结强度高时涂层的磨 损量可大大降低。但当骨料的加入量达到某一临界比例 后,随着骨料加入量的增多,胶粘剂不能充分浸润骨料 的表面,使得骨料与粘结剂的结合强度降低,骨料在外 力作用下易脱落,在涂层表面形成缺陷,如图6(C)所示, 从而加剧了涂层的磨损。由以上分析可知:骨料的加入 量有一临界值,即骨料所形成的空隙恰好能由粘结剂完 全填充时的骨料的量,如图6(B),当骨料的加入量达到 此值时,涂层具有最佳的耐磨性能。

3结论



(1)采用的改性无机粘结剂和陶瓷物料制成的涂层 在高温下可以稳定的存在,最高耐热温度达到75012。 (2)陶瓷骨料碳化硅的粒径为20um,在涂料体系 中含量为30%时,涂层可以获得较佳的耐磨性能。 (3)在球料比6:l,经过150min球磨后无机纤维 在涂层中起到较好的牵扯增强作用。 (4)涂料体系中添加4~6%的Cr20,和2—4%的 铝粉,可以起到改善涂层高温机械性能的效果。

2.3纤维材料对涂层的影响
本实验中采用的无机纤维材料在涂层中主要起增韧, 抑制裂纹生长和扩展的作用。在制备高温耐磨陶瓷涂层 时,除了要求纤维要有良好的耐高温性能外,还要求纤 维具有一定的长径比,以及较好的分散均匀性。 在同一球料比(6:1)下,研究不同球磨时间下所 得纤维对涂层性能的影响。分别取90rnin,120min, 130rnin,140rain和150rnin球磨过的纤维,在偏光显微
60









【l】庞国星.应用于摩擦学领域的涂层研究现状与展望【J】.材 料保护,2005,39(5):46-48,54. (下转第57页‘Continued
Oil

page

57)

I中国陶瓷I

CHINA CERAMICS

I 2008(44)第3期,

万   方数据

2008年第3期

中国陶瓷

制备过程中的工艺技术参数、烧成温度、冷却速度等都
会影响析晶。









【l】李家驹.日用陶瓷工艺学。武汉工业大学出版社【M】,1997 【2】张凤歧,魏忠汉.结晶釉工艺。上海科学技术出版社[M】,
1981

晶花的形成实际是一个析晶过程。釉是一种玻璃质, 当釉中的某种物质处于过饱和状态时,这种物质就有了 结晶的自发倾向。但要从熔体或玻璃体中析出晶体,一 般要经过两个步骤首先要形成晶核,然后是晶体长大【刀。

【3】K.M.KNOWLES&F.S.H.B.FREEMAN.
Microscopy and
Journal of PP.257

microanalysis

of

crystalline

glazes.

Microscopy,V01.215,Pt 3 September 2004,

4结论
(1)分析了ZnO对结晶的影响,当ZnO含量在 20wt%范围时,析晶较为理想。 (2)分析了玻璃粉含量对析晶的影响,当玻璃粉在 34-40wt%时,析晶效果较好。 (3)B,O,的加入使釉面出现乳浊效果。 (4)分析了釉层厚度对结晶的影响。 (5)X射线衍射结果表示,釉中形成了大量的
Zn,SiO。晶体。

270

【4】4于丽达.高锌釉的组成与结构。陶瓷[J】'1989.1 【5】邵明梁,付兴华,章希胜.低温快烧结晶釉的研制。河北 陶瓷【J】,1998 【6】Francisco
additives
on as

Jose the

Torres,Javier

Alarco#n,Effect of
COrdierite-based laSS--

crystallization of

ceramics

glazes for floor tiles.Journal of the European 826.

Ceramic Society 23(2003)817

【7】叶巧明,张其春.烧成制度与结晶釉相关性的研究.陶瓷【J】, 2002(1):37

DEVELOPMENT OF LOVV TEMOERATURE AND FAST CRYSTALL I NE GLAZE
Pei Xinmei,L iu Xiaojuan

F I R I NG

{College

of Materials Science and
paper

Engineering?Wuhan

University of Technology? trial—produced

Wuhan


430070)

[Abstract]:This

began

with technological

formulation and

new kind of low

temperature and fast firing crystalline glaze according with modern tile.The influence of compositions and the
thickness of glaze crystals were

 

on

crystalline performance were studied.We determined

that



large number

of willemite

formed

in glaze by XRD.

[Keywordsl:fast firing,crystalline glaze,crystallization (上接第60页?Continued from
page

60)
of different

【2】张俊彦.薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展【J】.摩擦 学学报.2006,26(4):387-396. 【3】程西云,石磊.电沉积稀土改性陶瓷涂层磨损性能研究【J】. 润滑与密封,2006,10:56-59. 【4】邓世均.高性能陶瓷涂层【M】.化学工业出版社,2004. 【5】Shevchuk
damage Science and V A,Silberschmidt in thick V V.Analysis of evolution

ceramic coating thermal properties.Materials

and

Design,2006,27(7):585-590.

【7】刘建军,张庆舂.电弧喷涂防腐耐磨层在电厂的应用【J】. 煤炭科技,2005,4:23—24. 【8】刘少光,吴进明,张升才等.超临界锅炉管道耐磨涂层的 微观组织结构及冲蚀规律[J】. 2006,6(26):908—912. 【9】刘国杰.特种功能性涂料[M】.化学工业出版社,2002.

ceramic coatings.Materials
L,et a1.An investigation

Engineering,2006,426(1):121—127.

【6】6

Salman S,KOse R,Urtekin

PREPARAT I ON AND STUDY OF

H I GH

TEMPERATURE AND

WEAR—RES I STANCE

CERAMIC COATING

WITH

STEEL BASE

Liu feng 7.Yu mtbgta02.Wan Iony





Yi Yang powder

station Co.jLtd?

Yiyang

4 13001:

2 School of Material [Abstractl:In order
to

Science and Engineering,Hunan University,
resolve the
as

Changsha



10082)
used
as

wearing

problem

of boiler tubes,inorganic-sol is
as

adhesive

agent.high hardness particle materials
matedals
as

aggregates,inorganic-fiber

reinforcing materials and many ceramic

packings,a

kind of

wear-resistance ceramic coating with steel base was studied in this paper,

which

can

be used at room temperature and work for long time under 700℃and was environment friendly.In

experiment,the mainly

performance

of coatings wen

tested,the

relation

between performance

and

every

factor

of coatings were analysed

and investigated.

[Keywordsl:steel base,high temperature and

wear-resistance,aggregates,ceramic
中国陶瓷l
CHINA CERAMICS

coating

I 2008(44)第3期l 5Z;

万   方数据

金属基高温耐磨陶瓷涂层的制备与研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 刘峰, 于明涛, 万隆, Liu feng, Yu mingtao, Wan long 刘峰,Liu feng(湖南益阳发电有限责任公司,益阳,413001), 于明涛,万隆,Yu mingtao,Wan long(湖南大学材料学院,长沙,410082) 中国陶瓷 CHINA CERAMICS 2008,44(3) 1次

参考文献(9条) 1.庞国星 应用于摩擦学领域的涂层研究现状与展望[期刊论文]-材料保护 2005(05) 2.张俊彦 薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展[期刊论文]-摩擦学学报 2006(04) 3.程西云.石磊 电沉积稀土改性陶瓷涂层磨损性能研究[期刊论文]-润滑与密封 2006(10) 4.邓世均 高性能陶瓷涂层 2004 5.Shevchuk V A.Silberschmidt V V Analysis of damage evolution in thick ceramic coatings 2006(01) 6.Salman S.Kose R.Urteldn L An investigation of different ceramic coating thermal properties[外文期 刊] 2006(07) 7.刘建军.张庆舂 电弧喷涂防腐耐磨层在电厂的应用[期刊论文]-煤炭科技 2005(04) 8.刘少光.吴进明.张升才 超临界锅炉管道耐磨涂层的微观组织结构及冲蚀规律[期刊论文]- 2006(06) 9.刘国杰 特种功能性涂料 2002

引证文献(1条) 1.马壮.谷琳.李智超 Al2O3基热化学反应法陶瓷涂层制备及耐蚀性能[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报(自然科 学版) 2009(z1)

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