本發(fā)明公開了一種碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層的制備方法，屬于陶瓷涂層制備技術領域。
背景技術：
涂層（coating）是涂料對基體施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護、絕緣、裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的薄層。目前，一些鋼鐵企業(yè)在制備金屬基體表面的涂層時，均使用十分昂貴的稀有金屬和高溫合金進行噴涂，形成生產成本較高的金屬涂層，由于金屬固有的特性，使其在使用過程中存在高溫軟化、不耐磨以及易腐蝕現(xiàn)象，因此，金屬涂層難以滿足某些特殊工況要求。
隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對涂層的耐磨性、耐熱性、強度和硬度等提出了更高的要求，使金屬陶瓷涂層得到了迅速的發(fā)展。金屬陶瓷涂層是以物理或化學方法在基體表面沉浸一層無機涂層，這種涂層具有金屬材料的強韌性、可加工型、導電導熱性，同時具有陶瓷材料的高熔點、高硬度、高化學穩(wěn)定性、耐磨、耐蝕并且制造成本低等特點。因此，金屬陶瓷涂層廣泛應用于發(fā)動機、燃氣機以及航空航天等領域。
目前，金屬陶瓷涂層的制備方法主要有化學氣相沉積法或物理氣相沉積法。其中，化學氣相沉積法可以方便地實現(xiàn)對大量部件同時進行涂層的沉積，但由于該技術需要在1000℃的高溫條件下進行，局限性很大，而物理氣相沉積法包括真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍，具有低溫、高能的特點，并且制備的金屬陶瓷涂層具有高硬度的優(yōu)異性能，因此廣泛的應用于工裝、磨具表面的噴涂上，較好的實現(xiàn)了工件低成本、高收益的效果。但是在基底材料表面噴涂金屬陶瓷涂層時，由于兩者之間的熱膨脹系數差別較大，使工作參數難于掌握，進而使制備的金屬涂層的收縮率、熱應力和孔隙率都比較大，涂層易變形，且與基材之間結合力差易脫落，形成的陶瓷膜致密性低，并在基底材料表面發(fā)生翹曲、開裂和剝落。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明主要解決的技術問題：針對目前常見的金屬陶瓷涂層與基材之間結合力差易脫落，形成的陶瓷膜致密性低，且基材與涂層間熱膨脹系數差別較大，使制備的金屬涂層的收縮率大，涂層易變形，在基底材料表面發(fā)生翹曲、開裂的缺陷，提供了一種以廢棄玻璃和天然稀土礦石及陶瓷土為原料，經植物和微生物復合改性后配制成涂層漿料，涂覆在碳鋼表面后燒結，從而得到碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。該方法通過向漿料中添加富含金屬離子的稀土，用來減少涂層與基材間的熱膨脹系數，解決了基材與涂層間熱膨脹系數差別較大，使涂層易變形，發(fā)生翹曲、開裂的問題，用富含官能團的委陵菜和微生物對漿料復合改性，增加涂層漿料表面官能團數量，使其與基材間形成化學鍵提高涂層與基材間的結合力，玻璃粉的加入使涂層致密性更高，又彌補了常見的金屬陶瓷涂層與基材之間結合力差，易脫落，形成的陶瓷膜致密性低的缺陷。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：
（1）收集2～3kg建筑工地上的廢棄玻璃用剛玉坩堝盛裝后放入玻璃電熔爐中，在1400～1600℃下保溫熔融2～3h，將玻璃熔融液迅速倒入4～6℃的冰水中淬火，過濾分離得到玻璃碎塊；
（2）按球料比為1:20將上述得到的玻璃碎塊和氧化鋯球磨珠混合后放入球磨機中研磨1～2h后過400目標準篩，用無水乙醇洗滌3～5遍后放入烘箱在105～110℃下干燥后得到再生玻璃粉，備用；
（3）稱取1～2kg獨居石放入氣流粉碎機中粉碎，分別用濃度為0.3mol/L鹽酸和0.5mol/L氫氧化鈉沖洗3～5遍，再將沖洗后的獨居石和高嶺土按質量比為1:3混合后放入研缽中，研磨30～40min后過200目標準篩得混合粉末；
（4）按重量分數計稱取40～60份上述混合粉末和20～30份備用的再生玻璃粉混合均勻后裝入發(fā)酵罐，稱取50～80份委陵菜根，用去離子水沖洗干凈后放入石臼搗碎成糊狀物，再將糊狀委陵菜根倒入發(fā)酵罐中，用攪拌棒攪拌均勻，得到發(fā)酵底物；
（5）按接種量為10%向上述反應底物中接入牛鏈球菌，用保鮮膜密封罐口，將發(fā)酵罐移入35～39℃的溫室中，保溫發(fā)酵改性6～8天后取出發(fā)酵物，按體積比為3:1將發(fā)酵物和質量濃度為40%的羧甲基纖維素鈉溶液混合后放入超聲分散儀中以200～300W功率超聲處理15～20min得到涂層漿料；
（6）將碳鋼基材分別用丙酮和質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液清洗3～5遍后，再用流動去離子水沖洗5～10min，放入烘箱在105～110℃下干燥20～30min，取出碳鋼用涂布機將上述涂層漿料均勻的涂布在碳鋼表面，涂布厚度為1～2mm；
（7）涂布完成后將碳鋼放入烘箱在40～60℃下干燥1～2h，再將其轉入真空燒結爐中，抽真空至500～600Pa，加熱升溫至600～700℃保溫燒結40～50min后，向爐中通入氬氣直至置換出所有空氣為止，繼續(xù)升溫至1000～1100℃，保溫煅燒30～50min，待其自然冷卻至室溫后取出，即得碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。
本發(fā)明制得的碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層抗氧化溫度達到1000～1200℃，抗剝離強度為35～40N/mm，顯微硬度為35～45GPa，摩擦系數為0.6～0.8，磨損率為10-4～10-6m3/NM。
本發(fā)明的有益效果是：
（1）本發(fā)明操作簡便，通過向漿料中添加富含金屬離子的稀土，用來減少涂層與基材間的熱膨脹系數，解決了基材與涂層間熱膨脹系數差別較大，使涂層易變形，發(fā)生翹曲、開裂的問題；
（2）本發(fā)明用富含官能團的委陵菜和微生物對漿料復合改性，增加涂層漿料表面官能團數量，使其與基材間形成化學鍵提高涂層與基材間的結合力，玻璃粉的加入使涂層致密性更高，又彌補了常見的金屬陶瓷涂層與基材之間結合力差易脫落，形成的陶瓷膜致密性低的缺陷；
（3）本發(fā)明制得的碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層硬度大、密度大、耐熱性好，可在工業(yè)上廣泛使用。
具體實施方式
首先收集2～3kg建筑工地上的廢棄玻璃用剛玉坩堝盛裝后放入玻璃電熔爐中，在1400～1600℃下保溫熔融2～3h，將玻璃熔融液迅速倒入4～6℃的冰水中淬火，過濾分離得到玻璃碎塊；然后按球料比為1:20將上述得到的玻璃碎塊和氧化鋯球磨珠混合后放入球磨機中研磨1～2h后過400目標準篩，用無水乙醇洗滌3～5遍后放入烘箱在105～110℃下干燥后得到再生玻璃粉，備用；隨后稱取1～2kg獨居石放入氣流粉碎機中粉碎，分別用濃度為0.3mol/L鹽酸和0.5mol/L氫氧化鈉沖洗3～5遍，再將沖洗后的獨居石和高嶺土按質量比為1:3混合后放入研缽中，研磨30～40min后過200目標準篩得混合粉末；接下來按重量分數計稱取40～60份上述混合粉末和20～30份備用的再生玻璃粉混合均勻后裝入發(fā)酵罐，稱取50～80份委陵菜根，用去離子水沖洗干凈后放入石臼搗碎成糊狀物，再將糊狀委陵菜根倒入發(fā)酵罐中，用攪拌棒攪拌均勻，得到發(fā)酵底物；之后按接種量為10%向上述反應底物中接入牛鏈球菌，用保鮮膜密封罐口，將發(fā)酵罐移入35～39℃的溫室中，保溫發(fā)酵改性6～8天后取出發(fā)酵物，按體積比為3:1將發(fā)酵物和質量濃度為40%的羧甲基纖維素鈉溶液混合后放入超聲分散儀中以200～300W功率超聲處理15～20min得到涂層漿料；然后將碳鋼基材分別用丙酮和質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液清洗3～5遍后，再用流動去離子水沖洗5～10min，放入烘箱在105～110℃下干燥20～30min，取出碳鋼用涂布機將上述涂層漿料均勻的涂布在碳鋼表面，涂布厚度為1～2mm；最后涂布完成后將碳鋼放入烘箱在40～60℃下干燥1～2h，再將其轉入真空燒結爐中，抽真空至500～600Pa，加熱升溫至600～700℃保溫燒結40～50min后，向爐中通入氬氣直至置換出所有空氣為止，繼續(xù)升溫至1000～1100℃，保溫煅燒30～50min，待其自然冷卻至室溫后取出，即得碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。
實例1
首先收集2kg建筑工地上的廢棄玻璃用剛玉坩堝盛裝后放入玻璃電熔爐中，在1400℃下保溫熔融2h，將玻璃熔融液迅速倒入4℃的冰水中淬火，過濾分離得到玻璃碎塊；然后按球料比為1:20將上述得到的玻璃碎塊和氧化鋯球磨珠混合后放入球磨機中研磨1h后過400目標準篩，用無水乙醇洗滌3遍后放入烘箱在105℃下干燥后得到再生玻璃粉，備用；隨后稱取1kg獨居石放入氣流粉碎機中粉碎，分別用濃度為0.3mol/L鹽酸和0.5mol/L氫氧化鈉沖洗3遍，再將沖洗后的獨居石和高嶺土按質量比為1:3混合后放入研缽中，研磨30min后過200目標準篩得混合粉末；接下來按重量分數計稱取40份上述混合粉末和20份備用的再生玻璃粉混合均勻后裝入發(fā)酵罐，稱取50份委陵菜根，用去離子水沖洗干凈后放入石臼搗碎成糊狀物，再將糊狀委陵菜根倒入發(fā)酵罐中，用攪拌棒攪拌均勻，得到發(fā)酵底物；之后按接種量為10%向上述反應底物中接入牛鏈球菌，用保鮮膜密封罐口，將發(fā)酵罐移入35℃的溫室中，保溫發(fā)酵改性6天后取出發(fā)酵物，按體積比為3:1將發(fā)酵物和質量濃度為40%的羧甲基纖維素鈉溶液混合后放入超聲分散儀中以200W功率超聲處理15min得到涂層漿料；然后將碳鋼基材分別用丙酮和質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液清洗3遍后，再用流動去離子水沖洗5min，放入烘箱在105℃下干燥20min，取出碳鋼用涂布機將上述涂層漿料均勻的涂布在碳鋼表面，涂布厚度為1mm；最后涂布完成后將碳鋼放入烘箱在40℃下干燥1h，再將其轉入真空燒結爐中，抽真空至500Pa，加熱升溫至600℃保溫燒結40min后，向爐中通入氬氣直至置換出所有空氣為止，繼續(xù)升溫至1000℃，保溫煅燒30min，待其自然冷卻至室溫后取出，即得碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。
本實例方法獨特新穎，制備過程簡單易行，最終制得的碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層抗氧化溫度達到1000℃，抗剝離強度為35N/mm，顯微硬度為35GPa，摩擦系數為0.6，磨損率為10-4m3/NM，可在工業(yè)上廣泛使用。
實例2
首先收集2.5kg建筑工地上的廢棄玻璃用剛玉坩堝盛裝后放入玻璃電熔爐中，在1500℃下保溫熔融2.5h，將玻璃熔融液迅速倒入5℃的冰水中淬火，過濾分離得到玻璃碎塊；然后按球料比為1:20將上述得到的玻璃碎塊和氧化鋯球磨珠混合后放入球磨機中研磨1.5h后過400目標準篩，用無水乙醇洗滌4遍后放入烘箱在108℃下干燥后得到再生玻璃粉，備用；隨后稱取1.5kg獨居石放入氣流粉碎機中粉碎，分別用濃度為0.3mol/L鹽酸和0.5mol/L氫氧化鈉沖洗4遍，再將沖洗后的獨居石和高嶺土按質量比為1:3混合后放入研缽中，研磨35min后過200目標準篩得混合粉末；接下來按重量分數計稱取50份上述混合粉末和25份備用的再生玻璃粉混合均勻后裝入發(fā)酵罐，稱取70份委陵菜根，用去離子水沖洗干凈后放入石臼搗碎成糊狀物，再將糊狀委陵菜根倒入發(fā)酵罐中，用攪拌棒攪拌均勻，得到發(fā)酵底物；之后按接種量為10%向上述反應底物中接入牛鏈球菌，用保鮮膜密封罐口，將發(fā)酵罐移入38℃的溫室中，保溫發(fā)酵改性7天后取出發(fā)酵物，按體積比為3:1將發(fā)酵物和質量濃度為40%的羧甲基纖維素鈉溶液混合后放入超聲分散儀中以250W功率超聲處理18min得到涂層漿料；然后將碳鋼基材分別用丙酮和質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液清洗4遍后，再用流動去離子水沖洗8min，放入烘箱在108℃下干燥25min，取出碳鋼用涂布機將上述涂層漿料均勻的涂布在碳鋼表面，涂布厚度為1.5mm；最后涂布完成后將碳鋼放入烘箱在50℃下干燥1.5h，再將其轉入真空燒結爐中，抽真空至550Pa，加熱升溫至650℃保溫燒結45min后，向爐中通入氬氣直至置換出所有空氣為止，繼續(xù)升溫至1050℃，保溫煅燒40min，待其自然冷卻至室溫后取出，即得碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。
本實例方法獨特新穎，制備過程簡單易行，最終制得的碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層抗氧化溫度達到1100℃，抗剝離強度為38N/mm，顯微硬度為40Pa，摩擦系數為0.7，磨損率為10-5m3/NM，可在工業(yè)上廣泛使用。
實例3
首先收集3kg建筑工地上的廢棄玻璃用剛玉坩堝盛裝后放入玻璃電熔爐中，在1600℃下保溫熔融3h，將玻璃熔融液迅速倒入6℃的冰水中淬火，過濾分離得到玻璃碎塊；然后按球料比為1:20將上述得到的玻璃碎塊和氧化鋯球磨珠混合后放入球磨機中研磨2h后過400目標準篩，用無水乙醇洗滌5遍后放入烘箱在110℃下干燥后得到再生玻璃粉，備用；隨后稱取2kg獨居石放入氣流粉碎機中粉碎，分別用濃度為0.3mol/L鹽酸和0.5mol/L氫氧化鈉沖洗5遍，再將沖洗后的獨居石和高嶺土按質量比為1:3混合后放入研缽中，研磨40min后過200目標準篩得混合粉末；接下來按重量分數計稱取60份上述混合粉末和30份備用的再生玻璃粉混合均勻后裝入發(fā)酵罐，稱取80份委陵菜根，用去離子水沖洗干凈后放入石臼搗碎成糊狀物，再將糊狀委陵菜根倒入發(fā)酵罐中，用攪拌棒攪拌均勻，得到發(fā)酵底物；之后按接種量為10%向上述反應底物中接入牛鏈球菌，用保鮮膜密封罐口，將發(fā)酵罐移入39℃的溫室中，保溫發(fā)酵改性8天后取出發(fā)酵物，按體積比為3:1將發(fā)酵物和質量濃度為40%的羧甲基纖維素鈉溶液混合后放入超聲分散儀中以300W功率超聲處理20min得到涂層漿料；然后將碳鋼基材分別用丙酮和質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液清洗5遍后，再用流動去離子水沖洗10min，放入烘箱在110℃下干燥30min，取出碳鋼用涂布機將上述涂層漿料均勻的涂布在碳鋼表面，涂布厚度為2mm；最后涂布完成后將碳鋼放入烘箱在60℃下干燥2h，再將其轉入真空燒結爐中，抽真空至600Pa，加熱升溫至700℃保溫燒結50min后，向爐中通入氬氣直至置換出所有空氣為止，繼續(xù)升溫至1100℃，保溫煅燒50min，待其自然冷卻至室溫后取出，即得碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層。
本實例方法獨特新穎，制備過程簡單易行，最終制得的碳鋼防腐耐磨陶瓷涂層抗氧化溫度達到1200℃，抗剝離強度為40N/mm，顯微硬度為45GPa，摩擦系數為0.8，磨損率為10-6m3/NM，可在工業(yè)上廣泛使用。