[发明专利]一种含有坡缕石的三元硼化物陶瓷涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷涂层技术领域，具体涉及一种三元硼化物陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

硼化物是间隙相化合物，B原子与B原子之间可形成多种复杂的共价键，B又与许多金属原子形成离子键。大部分硼化物中包含M-M金属键、B-B共价键和B-M离子键。硼化物的这些物理化学特点决定了它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性能。其中以TiB₂为代表的二元硼化物具有优异的耐磨损、耐腐蚀性能以及杰出的物理性能，已部分领域应用于实际生产，但是其烧结性能差，在高温烧结过程中，硼化物晶粒容易团聚，烧结体脆性大，并且在烧结的过程中容易和基体或粘结金属发生反应形成脆性的第三相，导致二元硼化物金属陶瓷的机械性能较差从而限制了其应用，经过多年研究，二元硼化物的实用化程度有所提高，但与普通的碳化物基硬质合金相比，这类材料的强度及断裂韧性依然较低，用作结构材料还存在很多问题，因此，克服上述难题还需开发新型硼化物系硬质合金。

坡缕石在矿物学分类上隶属于海泡石族，为含水层链状镁质硅酸盐矿物，晶体呈针状或纤维状，其理想化学成分为Mg₅Si₈O₂₀(OH)₂(H₂O)₄·4H₂O。坡缕石的晶体结构沿纵轴延伸，两个硅氧四面体(Si₄O₁₀)与位于其中间的(Mg,Al)O八面体相连，呈链；在横轴方向，通过(Si₄O₁₀)带边缘的Si-O-Si键相互联结，呈层，使之同时具有链状和层状的过渡型结构。在(Si₄O₁₀)带中间存在着沸石孔道，孔道中充填着沸石水，结晶水(OH₂)位于(Mg,Al)O八面体层的边缘，与八面体层中间阳离子结合的为结构水(OH)。坡缕石的显微结构包括3个层次：一是坡缕石的基本结构单元为棒状单晶体（简称棒晶），是一种一维纳米材料，长约1μm，直径约0.01μm；二是由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束；三是由棒晶束（也包括棒晶）间相互聚集而形成的各种聚集体（粒径通常在0.01~0.1mm）。

坡缕石的性能由其晶体结构及化学组成决定。层链状晶体结构使坡缕石具有很多晶内表面，从而拥有大的比表面积；层与层之间连接的Si-O-Si键在外加载荷下很容易解离。

三元硼化物基金属陶瓷涂层以其优良的性能成为近年来研究的热点之一，其热膨胀系数与钢接近，成为钢基体优质覆层材料良好选择之一。传统的三元硼化物基金属陶瓷一般都是制备块体材料或在基体表面通过原位反应制备熔覆层，其结构是以Fe、Ni、Co等金属为粘结相、三元硼化物为硬质相的复合陶瓷，其致密度和耐磨性有一定局限。坡缕石在我国储备丰富，价格便宜，开发前景广阔。

发明内容

三元硼化物陶瓷涂层的硬度高，耐磨性好，是良好的钢基体耐磨涂层。坡缕石由于其独特的晶体结构，是减摩材料的良好选择。本发明中将坡缕石添加到三元硼化物陶瓷涂层中，不仅保留了三元硼化物涂层原有的耐磨性，而且还会使涂层具备一定的减摩效果。

本发明以Mo-Fe-B为反应体系，以占骨料不同比例的坡缕石为添加剂，采用火焰喷涂技术，在经过表面预处理的钢基体表面喷涂含坡缕石的三元硼化物陶瓷涂层。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等设备和手段分析了陶瓷涂层的形貌和物相组成，并对涂层的致密性、抗热震性、结合强度、显微硬度、耐磨性和减摩性等进行了测试，并分析了不同含量坡缕石对三元硼化物陶瓷涂层组织及性能的影响。

所述的含有坡缕石的三元硼化物陶瓷涂层的制备方法，采用氧-乙炔火焰热喷涂系统在过渡层上来制备，具体为：

第一步，喷涂粉末的制备：

喷涂骨料选用Mo粉、微米级羰基Fe粉、FeB合金粉为喷涂骨料成分，所述的Mo粉的平均粒度为43～46μm，松装密度为6.5～7.5g/cm³，钼粉纯度大于99.95%。微米级羰基Fe的平均粒度为4～5μm，松装密度为2～3.5g/cm³，纯度大于99.5%。FeB合金粉的平均粒度为6～7μm，松装密度为5～6g/cm³。选用0.01～0.1mm级坡缕石棒晶束聚集体为添加剂。选用聚乙烯醇缩丁醛（PVB）的无水乙醇溶液作为粘结剂制备喷涂粉末，其纯度为分析纯。喷涂粉末具体制备步骤如下：

(1)首先将坡缕石棒晶束进行研磨过筛300目。