关键词：
硅酸盐
热化学反应法
陶瓷涂层
固化工艺
结合强度
摘要：
近年来,随着高新技术不断发展,工程机械、设备及构件的工作条件日益苛刻。单纯的金属材料在很多领域显现出严重的摩擦磨损、冲击腐蚀,表现出使用寿命短、甚至难以胜任的地步。而陶瓷材料具有极高的熔点和硬度,化学稳定性强,耐高温、耐腐蚀,较低的热膨胀系数和摩擦系数,良好的耐磨性。考虑到单一材料各自独特的优异性能和明显的性能弱点,本论文试图在钢基体表面制备具有特殊功能的陶瓷涂层,即钢基陶瓷复合涂层。它能改变金属底材外表面的形貌、结构及化学组成,并赋予底材新的性能。陶瓷与钢基体适当的复合,可以起到取长补短,相得益彰的特殊效能。本论文通过对钢基陶瓷复合涂层的研究现状和热化学反应法的研究现状的综述,指出了近年来使用热化学反应法工艺制备钢基陶瓷复合涂层的发展历程和研究成果,论证了使用热化学反应法这种工艺制备钢基体陶瓷复合涂层的可行性。本论文还通过对热化学反应法制备钢基陶瓷复合涂层的特点的描述、粘接机理(化学作用、吸附作用、机械作业、扩散作用)的分析，得到热化学反应法制备钢基陶瓷复合涂层相比其他的方法和手段具有更大的优势的结论。依据本论文的研究目标,本论文阐述了研究的三大主要任务：探索钢基陶瓷复合涂层的配方比例；探索钢基陶瓷复合涂层的固化工艺；对所制备的钢基陶瓷复合涂层进行性能检测。本论文涉及一种钢基表面陶瓷复合涂料层及其制备方法,其特点是：钢基表面陶瓷复合涂料层由碳化硅、氧化铝、二氧化硅、水玻璃、铝粉、铬铁粉等组成。为确定涂层各组分的百分含量以及固化工艺参数对涂层综合性能的影响,使用正交法与改变加料量的实验方法,最终得出：将影响复合涂层综合性能的主要因素按如下比例配置,混合填料(氧化铝与碳化硅的比例为1：1)6.0g、二氧化硅(纳米级的粉末占20%-30%)5.0g、硅酸钠(模数为3.2)7.9g,按照这样的配方比例能得到性能更优良的陶瓷复合涂层。为进一步地提高陶瓷复合涂层的综合性能,试验还对陶瓷复合涂层进行了改性,文章对改性方法和技术途径也进行了详细的论述,通过添加纳米二氧化硅,改善了涂层与钢的膨胀系数匹配程度；通过添加质量分数20%-25%的铝粉,改善组织缺陷,增加涂层组织的致密性；通过添加质量分数为10%左右的铬铁粉,大大提高了涂层与钢基体的冶金结合强度。经搅拌均匀后再涂敷于钢基体上,将混合胶料朝一个方向均匀涂敷在钢基体表面,涂敷厚度为0.5～2mm,为确保在固化过程中不出现起泡、保证涂层内部的结构均匀、组织致密,先将涂敷好的试样在室温晾置16h左右,然后放在烤箱中分两个阶段升温固化,第一次进行低温固化,低温固化的温度为90℃左右,时间为1h左右；主要是加快散失游离水、防止水分沸腾,但此温度还不足以使涂层与基体发生较为复杂的、对二者的粘结强度有良好影响的热化学反应,故须二次升温固化。第二阶段,待低温升温固化完成后,再一次进行高温升温固化处理,高温固化温度为450℃～600℃,时间为8h左右,这一固化过程主要是脱去硅酸盐产物产生的结晶水、促进分子间脱水缩合反应的发生、促使钢基体与陶瓷涂层的界面处发生复杂的热化学反应。本论文制备钢基表面陶瓷复合涂层方法,采用二次不同温度的固化工艺,合理地解决了固化时间与陶瓷复合涂层质量的冲突,有助于过渡层陶瓷增强相的生成。本论文还对试样进行了机械性能的测试,包括拉伸剪切强度测试、耐磨性测试、热震性测试、硬度测试、耐酸碱盐腐蚀性测试,弯曲性能测试,其具有良好的抗拉伸剪切性能、耐磨性、热震性、耐酸碱盐腐蚀性、抗弯曲性。接下来,本论文还对热化学反应法制备钢基陶瓷复合涂层的影响因素进行了分析,并用电子扫描显微镜对涂层的粒度分布及截面形貌进行分析,解释了试样的性能接近一些相关文献所给的平均值的原因。本论文还针对试验中出现的问题和难点,指出了本试验不足之处,并对此提出了改进的建议。最后,本论文用热化学反应法成功地制备钢基体陶瓷复合涂层,而且,用本论文探究的方法制得的钢基体陶瓷复合涂层的综合性能良好。本论文的意义在于：运用相对简单合理的技术和方法,结合陶瓷、钢材的优点,用极少量的材料取代大量、昂贵的整体材料,极大地降低产品的加工成本,同时,还能达到提高产品质量、延长产品使用寿命、节约资源和能源的目的。制备的钢基陶瓷复合涂层优势显著：工艺简单,施工方便,具有低投入、高回报等特点。特别地,该技术使用的无机粘结剂不仅拥有一般粘结剂的优点,还具有无毒、环保、耐火、低温固化、高温使用等特点,使用性能好,涂层质量高,具有很好的推广应用价值,这将拓宽钢基陶瓷复合涂层材料在机械、冶金、采矿、勘探、石化、化工、交通、电力、国防、军事等领域的应用范围。
