专利名称：一种钢板表面陶瓷覆层的制备方法
技术领域：
本发明涉及燃烧合成钢表面涂层的制备方法。
矿山，石化，冶金等部门的设备中需要大量要求耐磨损的零部件，其特点是比负荷高且存在硬质磨粒，因而使用寿命很短。通常采用选择整体耐磨材料如高锰钢或耐磨铸铁制造这些零部件或采用表面喷涂耐磨材料如陶瓷涂层等方法以提高其寿命，但对于前者，在很多情况下效果仍不能令人满意，而后者则由于喷涂层与底材结合强度较差，容易发生脱落。
为解决这些问题，CNl059376A中公布了一种用离心-铝热法制备陶瓷熔覆层的方法。选取组成为Al＋Fe2O3(或Fe3O4)的物料以及添加剂SiO2等，将混合均匀的物料放入钢管内，以氧-乙炔点火方式，在钢管一端将反应物点燃引发放热反应，依靠放热使其反应自行维持并将反应生成物铁和氧化铝瞬时熔融。在离心力作用下，比重轻的氧化铝分布在钢管的内壁，比重大的铁分布在钢管和氧化铝陶瓷之间并将陶瓷层和钢管结合起来，形成厚度约为2毫米的耐蚀耐磨熔覆层。此外，J63089680，J63089675，J62086172等专利的报道在原理，配料，混合，点火方式等方面与CNl059376并无原则差异。主要差别在于配料中没有采用SiO2等添加剂。
可以看出，离心-铝热法制备陶瓷熔覆层的特点是利用反应物的化学能产生熔覆过程所需的热量，而利用离心力使得熔融状态的反应生成物液相分离。由于极高的熔体温度(约2400K)，底材与熔覆层之间可形成强烈的冶金结合，从而获得不易剥落的熔覆层。然而我们也注意到离心铝热法的应用只限于管状工件或旋转体内壁的熔覆处理，同时熔覆材料也仅为Al2O3等氧化物陶瓷。
本发明的目的在于在继续保持铝热-离心法工艺简单，涂层结合强度高和适合于制备较厚涂层等优点的前提下设法去除离心力对熔覆工件的限制作用，同时以耐磨，耐蚀和抗氧化性能好的碳化铬金属陶瓷作为熔覆材料，从而实现在钢板或平面工件表面进行陶瓷层熔覆的加工处理。
本发明的基本构思是采用如下措施进一步提高铝热反应时的熔体温度，以使熔体在液态下的保持时间和流动性得以增加，从而实现在无离心重力作用下反应产物的液相分离采用热焓值很高的铬酐作为氧化剂；添加卤盐助燃添加剂和金属氧化物造渣添加剂；对反应物料进行预热处理和气体加压。采取如下措施以克服碳化铬在钢表面的润湿障碍上述提高熔体温度的全部措施；采用层叠配料方案分层敷设具有阶梯成分配比的反应物料。
本发明的内容说明如下1.反应物的主体配料由氧化剂三氧化铬，还原剂金属铝粉以及碳粉组成。添加剂由一种金属卤化物和至少一种金属氧化物组成。前者可与还原剂铝粉表面的氧化膜发生反应，产生新鲜的铝粉表面以降低铝热反应的起始温度并增加反应速率；后者则可与反应副产物Al2O3作用形成低熔点复合氧化物，从而降低熔渣的相对粘度，有利于加速液相分离和提高熔覆层表面光滑程度。
2.卤盐助燃添加剂优先采用AlF3，MgF2，CaF2，BaF2，NaF和NaAlF6；造渣添加剂则优先采用CaO，MgO，SiO2，BaO，TiO2和ZnO。
3.添加剂的总重量为配料总重量的5-15％，其中助燃剂为1-8％，造渣剂为5-12％。
4.混合均匀后的反应物料采用层叠配料方案分层敷设在待涂钢板表面在最靠近钢板表面的底层，配料的组成为可产生纯铬或铬的固溶体(含碳量不大于0.01％)的成分，以形成润湿功能层；在此层以上的各层配料中含碳量应逐渐增加，并最终形成所需的表面组成，即Cr7C3/Cr。层叠结构至少应为2级，优先选择为3-4级。
5.将反应物料预热至100-300℃，预热时间为20-40分钟，然后在反应腔中充入惰性或中性气体如高纯氮气，并升压至5-15MPa。物料的点火方式可选择下属方法的一种①钨丝线圈点火(
图1)；②引燃剂热炉壁点火(图2)。从简化工艺的角度，优先选择后者，即在配料表面敷设具有低温引燃能力的化学组成物，其点燃温度Tig为300-400℃。预热完毕，继续升温，当温度大于Tig时，引发铝热反应。反应结束后，继续维持炉压并随炉缓冷，20分钟后方可取出工件。
本发明制备的钢板陶瓷熔覆层具有良好的机械性能，其硬度为HV9.0-11.5GPa；强度为180-260MPa；经950℃均热，10％NaCl水溶液反复激冷试验，抗剥落次数大于40；排水法测得熔覆层孔隙度为5-10％。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为采用钨丝线圈点火方式的原理图，图中[1]电热丝，[2]反应容器，[3]反应配料，[4]工件，[5]钨丝线圈，[6]电源。
图2为采用引燃剂热炉壁点火方式的原理图，除了用引燃剂压块[5]替代图1中的钨丝线圈[5]和电源[6]以外，其余并无差别。
为了更好地理解本发明，下面列出一些具体实施例。
实施例1.
反应物的组成如表1所示表1实施例1的配料组成(单位克
其中铝粉为100目，碳粉为大于500目；引燃剂组成为MnO2(18.7g)＋KClO3(9.3g)＋S(3.8g)＋Al(5.6g)；经球磨，干燥后将配料分层敷设在φ95×15mm的20#钢板表面(事先用100#水砂纸打磨去除氧化皮)；顶层配料的中心放置引燃剂压块(φ30×5mm)；将工件连同配料及引燃剂放入自制的反应装置(耐压大于20MPa，加热温度小于400℃)内预热升温至150℃，均热20分钟；充入高纯氮气并使压力达到7.5MPa；继续升温，约250℃时，引燃剂引发铝热反应；维持炉压，20分钟后取出工件，水冷使复盖在表面的熔渣层剥落，得到厚度约为2.5mm的致密光滑陶瓷涂层。测得硬度为9.3-9.6GPa，强度为210MPa，循环激冷次数大于40次，孔隙度5-8％。
实施例2反应物组成如表2所示表2实施例2的配料组成(单位克)
选择尺寸同实施例1但材料为40Cr的钢板；预热温度为250℃，均热20分钟；氮气压力5.0MPa；采用钨丝线圈点火，电压25伏，电流50安；制成厚度约为3mm的熔覆层。测得硬度为10.2-10.5GPa，强度240MPa，循环激冷次数大于40次，孔隙度6-9％。
权利要求
1.一种钢板表面耐磨熔覆层的制备方法，其特征在于由Al＋CrO3＋C组成的主体配料和由一种卤盐化合物组成的助燃添加剂以及至少一种金属氧化物组成的造渣添加剂；采用层叠配料方式和预热加压工艺，在无离心重力作用下完成铝热反应烧结，从而在钢板或平面钢制工件表面形成2-3mm厚的碳化铬金属陶瓷熔覆层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于助燃添加剂在AlF3，MgF2，CaF2，BaF2，NaF和NaAlF6中选择，造渣添加剂在CaO，MgO，SiO2，BaO，TiO2和ZnO中选择。
3.根据权利要求1和2所述的制备方法，其特征在于添加剂总量占配料总量的5-15(wt％，下同)，其中助燃添加剂为1-8％，造渣添加剂为5-12％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应物料的敷设采用层叠方式进行，其中最靠近待涂工件的底层为润湿功能层，其成分应保证可形成纯铬或铬的固溶体，在此之后的各个配料层中含碳量呈阶梯增长，直至达到表层组成为Cr7C3/Cr的成分，层叠数至少应为2。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应物料的敷设采用层叠数为3-4。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于预热温度为100-300℃以及制备过程中以惰性或中性气体加压，加压压力为5-15MPa。
全文摘要
本发明涉及一种耐磨陶瓷熔覆钢板的制备方法，其特征在于在Al+CrO
文档编号C23C24/00GK1133902SQ95103970
公开日1996年10月23日 申请日期1995年4月21日 优先权日1995年4月21日
发明者薛群基, 林立, 杨生荣, 张平余 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所