反应法制备高温耐磨涂层的实验研究
反应法制备高温耐磨涂层的实验研究[20201304193127]
摘 要
涂层可以克服基体材料的某种缺陷，改善其表面特性，它属于一种有支撑体的薄膜。能够极大地降低产品的加工成本，从而能够提高产品质量，并且延长使用寿命、节约资源和能源，提高利用率。
本文采用铝热反应法在45#钢管表面上制备氧化铝基陶瓷涂层， 是为了探索一种能对钢铁表面起到保护，并可以得到耐磨、耐腐蚀涂层的方法，可以高效节约成本，利用资源。
通过了解热化学反应陶瓷涂层的研究和发展现状，对涂敷法热化学反应陶瓷涂层的配比及耐磨性、耐蚀性以及结合强度等性能进行了分析，得出的结果是采用一次涂覆方法，经过预热，涂层在感应加热450A电流下固化产生了新陶瓷相; 涂层较致密， 与基体结合良好; 大大提高了基体的耐蚀性和耐磨性。
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关键字:铝热反应高温耐磨涂层氧化铝耐蚀性耐磨性
目录
1.绪论 1
1.1 材料表面处理 1
1.2 表面处理方法 1
1.3 耐磨涂层 2
1.3.1 耐磨涂层作用 2
1.3.2 耐磨涂层方法 3
1.3.3 耐磨涂层方法比较 3
1.4 热化学反应陶瓷涂层及特点 4
1.5 铝热反应法可行性分析及试验方案 4
1.5.1 铝热反应法制备氧化铝涂层可行性 4
1.5.2 试验方案（初步） 5
2.实验部分 6
2.1 实验内容及原理 6
2.1.1 实验内容 6
2.1.2 实验原理 6
2.2 实验方案制定 7
2.2.1 实验步骤 7
2.2.2 实验注意事项 8
2.3 实验试剂及仪器 9
2.4 实验检测内容及设备 10
2.5 预计目标 12
3.结果与讨论.............................................................................................................................14
3.1 添加剂降低涂层硬度的影响的工艺分析 13
3.1.1镁加入量对涂层硬度的影响 13
3.1.2 反应时间对涂层效果的影响 14
3.2氯酸钾降低对涂层的工艺分析 16
3.2.1氯酸钾加入量对涂层效果的影响 16
3.2.2 反应时间对涂层效果的影响 17
3. 3感应加热温度对涂层的工艺 19
3. 4粘结剂对涂层的工艺分析 20
3.4.1水玻璃为粘结剂对涂层硬度的影响 20
3.4.2松节油为粘结剂对涂层硬度的影响 21
结 论............................................................................................................................................22
参考文献....................................................................................................................................23
致 谢 24
1．绪论
1.1 材料表面处理
提高材料性能的方法多种多样，比如提高材料耐磨性的方法：如表面淬火，通过增强钢的强度，提高耐磨性；不易淬火的可以采用渗碳、渗氮或者碳氮共渗；要求更高的话，就是表面处理。而且表面处理还能具有更多的性能，比如在钢表面形成一层氧化膜的话，可以防止钢被氧化，在金属饰物表层电镀一层贵重金属的话，可以增加金属的美观度。
金属陶瓷涂层技术在提高构件使用性能方面就起着十分重要的作用，它即保存着陶瓷的高硬度、耐冲刷、耐高温、抗氧化和优异的耐碱、酸腐蚀性能，又具有良好的金属韧性和可塑性。钢基体上涂覆氧化铝涂层后就会形成一种优质的复合材料，它不仅具有十分优异的性能，还在有着广阔的应用前景和发展潜力。
利用在金属表面涂覆陶瓷涂层的方法制备基体材料不仅有金属的强度和韧性，还有陶瓷的耐磨损、耐腐蚀特性。陶瓷涂层的制备方法多种多样，近年来国内外出现的热化学反应法则展现出十分明显的优势。这种方法首先制备出一种含有陶瓷微粒的混合涂料，接下来将其涂覆在预处理过后的金属表面上，最后在常温下干燥并高温加热固化。在固化过程中，金属表层与涂层陶瓷粒子之间发生热化学反应后，形成某些新陶瓷相，从而将涂层与金属基体牢固结合在一起。该工艺方法简单，成本偏低，具有良好的发展潜力。
1.2 表面处理方法
实现金属表面陶瓷涂层的技术有：热喷涂技术、气相沉积技术（化学气相沉积CVD，物理气相沉积PVD）、聚焦光束熔敷技术、激光熔覆技术、复合镀层、溶胶-凝胶、原位反应法、自蔓延高温合成技术等。但不管是在实现的技术方面，还是在使用范围上，每种涂层制备技术仍然存在较大局限。近年来，我国发明了多种金属陶瓷涂层的加工方法，但是涂层质量和能耗、工业化生产等方面还存在一定的问题。而且，氧化铝涂层成功应用的例子并不是很多，这主要是由于氧化铝微粒和微粒之间想形成良好的结合很难，有大量的孔隙，导致其性能不如预期的那般优越。最重要的是，氧化铝涂层与钢基因为物理和化学上存在差异而得不到十分理想的结合强度。比如等离子喷涂涂层界面上存在相当大的残余应力，会使涂层在使用过程中容易脱落从而导致失效；溶胶—凝胶法制备的涂层厚度很薄，而且涂层在进行干燥时容易产生开裂；物理气相沉积和化学气相沉积技术都存在涂层制备速度慢，涂层稀薄等缺点，这些缺点制约了他们的应用；虽然热化学反应法具有一定的优越性，但它仅是一项全新的制备技术，在相关研究和应用领域还比较少。
1.3 耐磨涂层
1.3.1 耐磨涂层作用
耐磨涂层指的是一种用具有耐摩擦力的防粘涂层涂敷的基材，该涂层不仅包括底涂层与面涂层，还包括一种能在平滑的基材上形成附着涂层并显示耐磨性的组合物，其中陶瓷颗粒的量提供组合物形成的涂层的每1厘米长的横截面上在3个这样的颗粒以上。其用途是为了降低物料对设备部件冲刷造成的磨损，在设备部件表面涂敷一层耐磨材料起到保护设备部件基材。
图1.1 耐磨涂层示意图
1.3.2 耐磨涂层方法
耐磨涂层按加工工艺通常可分为热喷涂耐磨涂层和化学粘接耐磨涂层。热喷涂耐磨涂层主要是采用等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等技术在材料表面喷涂陶瓷、合金、氧化物等所形成的耐磨涂层。化学粘接涂层是指采用各种树脂、各种弹性物质等配制的耐磨涂层胶，涂敷到金属表面后在自然状态下或这加热固化后所得的耐磨涂层。
采用热喷涂技术是表面防护和强化工艺方面的重要技术之一，是表面工程理论中一门重要的学科。所谓热喷涂就是利用各种热源，比如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或者丝状的金属与非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后凭借焰流本身的动力或者外加的高速气流雾化，并以特定的速度喷射到经过预处理的基体材料表层，并与基体材料相结合而形成具有各种用途的表面覆盖涂层的一项重要技术。
粘接耐磨涂层是以高分子聚合材料为粘料，通过加入耐磨填料、固化剂等制备成耐磨涂料，并涂覆于基材表面，固化后不仅可以起到防止基材表面磨损的作用，还可以应用于修复已磨损或者老化的基材表面。粘料是组成耐磨涂层的基本成分之一，它决定了涂层的粘附力、强度、耐磨性、耐蚀性等基本性能。通常采用的粘料有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、聚氯酯等。固体润滑剂在材质方面偏软，当与其他材料发生相对磨损时，能在表面形成固体润滑膜，从而减小摩擦系数来提高基材的耐磨性。以二硫化钼、石墨、金属氧化物、卤化物、软金属等用来充当常用的固体润滑填料。通常把固体润滑剂为主要填料形成的粘接耐磨涂层称为固体润滑涂层。
1.3.3 耐磨涂层方法比较
化学粘接涂层指的是采用各种高分子树脂、弹性物质等所配制而成的耐磨涂层胶，涂敷到金属表面后经过自然风干或者加热固化所得的耐磨涂层。采用热喷涂技术和化学粘接技术所得到的耐磨涂层通常都具有相当优良的耐磨性能。
摘 要
涂层可以克服基体材料的某种缺陷，改善其表面特性，它属于一种有支撑体的薄膜。能够极大地降低产品的加工成本，从而能够提高产品质量，并且延长使用寿命、节约资源和能源，提高利用率。
本文采用铝热反应法在45#钢管表面上制备氧化铝基陶瓷涂层， 是为了探索一种能对钢铁表面起到保护，并可以得到耐磨、耐腐蚀涂层的方法，可以高效节约成本，利用资源。
通过了解热化学反应陶瓷涂层的研究和发展现状，对涂敷法热化学反应陶瓷涂层的配比及耐磨性、耐蚀性以及结合强度等性能进行了分析，得出的结果是采用一次涂覆方法，经过预热，涂层在感应加热450A电流下固化产生了新陶瓷相; 涂层较致密， 与基体结合良好; 大大提高了基体的耐蚀性和耐磨性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:铝热反应高温耐磨涂层氧化铝耐蚀性耐磨性
目录
1.绪论 1
1.1 材料表面处理 1
1.2 表面处理方法 1
1.3 耐磨涂层 2
1.3.1 耐磨涂层作用 2
1.3.2 耐磨涂层方法 3
1.3.3 耐磨涂层方法比较 3
1.4 热化学反应陶瓷涂层及特点 4
1.5 铝热反应法可行性分析及试验方案 4
1.5.1 铝热反应法制备氧化铝涂层可行性 4
1.5.2 试验方案（初步） 5
2.实验部分 6
2.1 实验内容及原理 6
2.1.1 实验内容 6
2.1.2 实验原理 6
2.2 实验方案制定 7
2.2.1 实验步骤 7
2.2.2 实验注意事项 8
2.3 实验试剂及仪器 9
2.4 实验检测内容及设备 10
2.5 预计目标 12
3.结果与讨论.............................................................................................................................14
3.1 添加剂降低涂层硬度的影响的工艺分析 13
3.1.1镁加入量对涂层硬度的影响 13
3.1.2 反应时间对涂层效果的影响 14
3.2氯酸钾降低对涂层的工艺分析 16
3.2.1氯酸钾加入量对涂层效果的影响 16
3.2.2 反应时间对涂层效果的影响 17
3. 3感应加热温度对涂层的工艺 19
3. 4粘结剂对涂层的工艺分析 20
3.4.1水玻璃为粘结剂对涂层硬度的影响 20
3.4.2松节油为粘结剂对涂层硬度的影响 21
结 论............................................................................................................................................22
参考文献....................................................................................................................................23
致 谢 24
1．绪论
1.1 材料表面处理
提高材料性能的方法多种多样，比如提高材料耐磨性的方法：如表面淬火，通过增强钢的强度，提高耐磨性；不易淬火的可以采用渗碳、渗氮或者碳氮共渗；要求更高的话，就是表面处理。而且表面处理还能具有更多的性能，比如在钢表面形成一层氧化膜的话，可以防止钢被氧化，在金属饰物表层电镀一层贵重金属的话，可以增加金属的美观度。
金属陶瓷涂层技术在提高构件使用性能方面就起着十分重要的作用，它即保存着陶瓷的高硬度、耐冲刷、耐高温、抗氧化和优异的耐碱、酸腐蚀性能，又具有良好的金属韧性和可塑性。钢基体上涂覆氧化铝涂层后就会形成一种优质的复合材料，它不仅具有十分优异的性能，还在有着广阔的应用前景和发展潜力。
利用在金属表面涂覆陶瓷涂层的方法制备基体材料不仅有金属的强度和韧性，还有陶瓷的耐磨损、耐腐蚀特性。陶瓷涂层的制备方法多种多样，近年来国内外出现的热化学反应法则展现出十分明显的优势。这种方法首先制备出一种含有陶瓷微粒的混合涂料，接下来将其涂覆在预处理过后的金属表面上，最后在常温下干燥并高温加热固化。在固化过程中，金属表层与涂层陶瓷粒子之间发生热化学反应后，形成某些新陶瓷相，从而将涂层与金属基体牢固结合在一起。该工艺方法简单，成本偏低，具有良好的发展潜力。
1.2 表面处理方法
实现金属表面陶瓷涂层的技术有：热喷涂技术、气相沉积技术（化学气相沉积CVD，物理气相沉积PVD）、聚焦光束熔敷技术、激光熔覆技术、复合镀层、溶胶-凝胶、原位反应法、自蔓延高温合成技术等。但不管是在实现的技术方面，还是在使用范围上，每种涂层制备技术仍然存在较大局限。近年来，我国发明了多种金属陶瓷涂层的加工方法，但是涂层质量和能耗、工业化生产等方面还存在一定的问题。而且，氧化铝涂层成功应用的例子并不是很多，这主要是由于氧化铝微粒和微粒之间想形成良好的结合很难，有大量的孔隙，导致其性能不如预期的那般优越。最重要的是，氧化铝涂层与钢基因为物理和化学上存在差异而得不到十分理想的结合强度。比如等离子喷涂涂层界面上存在相当大的残余应力，会使涂层在使用过程中容易脱落从而导致失效；溶胶—凝胶法制备的涂层厚度很薄，而且涂层在进行干燥时容易产生开裂；物理气相沉积和化学气相沉积技术都存在涂层制备速度慢，涂层稀薄等缺点，这些缺点制约了他们的应用；虽然热化学反应法具有一定的优越性，但它仅是一项全新的制备技术，在相关研究和应用领域还比较少。
1.3 耐磨涂层
1.3.1 耐磨涂层作用
耐磨涂层指的是一种用具有耐摩擦力的防粘涂层涂敷的基材，该涂层不仅包括底涂层与面涂层，还包括一种能在平滑的基材上形成附着涂层并显示耐磨性的组合物，其中陶瓷颗粒的量提供组合物形成的涂层的每1厘米长的横截面上在3个这样的颗粒以上。其用途是为了降低物料对设备部件冲刷造成的磨损，在设备部件表面涂敷一层耐磨材料起到保护设备部件基材。
图1.1 耐磨涂层示意图
1.3.2 耐磨涂层方法
耐磨涂层按加工工艺通常可分为热喷涂耐磨涂层和化学粘接耐磨涂层。热喷涂耐磨涂层主要是采用等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等技术在材料表面喷涂陶瓷、合金、氧化物等所形成的耐磨涂层。化学粘接涂层是指采用各种树脂、各种弹性物质等配制的耐磨涂层胶，涂敷到金属表面后在自然状态下或这加热固化后所得的耐磨涂层。
采用热喷涂技术是表面防护和强化工艺方面的重要技术之一，是表面工程理论中一门重要的学科。所谓热喷涂就是利用各种热源，比如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或者丝状的金属与非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后凭借焰流本身的动力或者外加的高速气流雾化，并以特定的速度喷射到经过预处理的基体材料表层，并与基体材料相结合而形成具有各种用途的表面覆盖涂层的一项重要技术。
粘接耐磨涂层是以高分子聚合材料为粘料，通过加入耐磨填料、固化剂等制备成耐磨涂料，并涂覆于基材表面，固化后不仅可以起到防止基材表面磨损的作用，还可以应用于修复已磨损或者老化的基材表面。粘料是组成耐磨涂层的基本成分之一，它决定了涂层的粘附力、强度、耐磨性、耐蚀性等基本性能。通常采用的粘料有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、聚氯酯等。固体润滑剂在材质方面偏软，当与其他材料发生相对磨损时，能在表面形成固体润滑膜，从而减小摩擦系数来提高基材的耐磨性。以二硫化钼、石墨、金属氧化物、卤化物、软金属等用来充当常用的固体润滑填料。通常把固体润滑剂为主要填料形成的粘接耐磨涂层称为固体润滑涂层。
1.3.3 耐磨涂层方法比较
化学粘接涂层指的是采用各种高分子树脂、弹性物质等所配制而成的耐磨涂层胶，涂敷到金属表面后经过自然风干或者加热固化所得的耐磨涂层。采用热喷涂技术和化学粘接技术所得到的耐磨涂层通常都具有相当优良的耐磨性能。
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