專利名稱：一種用于金屬基板表面涂覆的溶膠及其涂覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于金屬基板表面涂覆的溶膠及其涂覆方法，屬于金屬材料保護(hù)領(lǐng)域迄今為止，溶膠—凝膠涂層實(shí)用技術(shù)還僅限于玻璃基板，在金屬基板上應(yīng)用極少。雖然對(duì)不銹鋼等金屬基體上涂覆SiO2(參見《溶膠—凝膠科學(xué)與技術(shù)》雜志，1995年第4號(hào)239—244頁(yè))等作為耐氧化、耐腐蝕涂層的研究有了一定的進(jìn)展，但遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用。其關(guān)鍵問(wèn)題在于涂層與金屬基板間熱膨脹系數(shù)差異較大，引起熱應(yīng)力，導(dǎo)致涂層脫離或產(chǎn)生裂紋，最終極大地削弱對(duì)金屬基材的保護(hù)。
本發(fā)明的目的是提出一種用于金屬基板表面涂覆的溶膠及其涂覆方法，采用合適成分的無(wú)機(jī)涂層，減小涂層與基體熱膨脹系數(shù)的差異，從而降低熱應(yīng)力，達(dá)到提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬耐腐蝕和抗氧化的目的。
本發(fā)明的用于金屬基板表面涂覆的溶膠，其成分和配比如下鋯醇鹽∶螯合劑(醋酸或乙酰丙酮)∶水∶低碳醇=1∶1～6∶1～6∶10～60(摩爾比)。
添加劑(稀土或堿土金屬的硝酸鹽)∶鋯醇鹽=0～20∶100(摩爾比)。
上述溶膠的制備過(guò)程為按比例將鋯醇鹽稀釋于低碳醇中，加入螯合劑(醋酸或乙酰丙酮)和水，在室溫?cái)嚢?．5～3h添加劑(稀土或堿土金屬的硝酸鹽)溶解于5倍體積的低碳醇中，在室溫?cái)嚢?．5～3h；將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌1～5h，直至獲得透明、澄清的溶膠；即為本發(fā)明的溶膠。
上述溶膠的涂覆方法，包括以下步驟(2)金屬基板的清洗丙酮中超聲清洗15min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥；(2)金屬基板上涂覆涂層及熱處理在金屬基板上均勻涂覆0．1～1μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1小時(shí)后，以低于40℃／min速率升溫至400～1000℃，保溫1～6小時(shí)，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。
采用本發(fā)明的溶膠配方在金屬基板上涂覆ZrO2或以ZrO2為基、添加稀土或堿土金屬的無(wú)機(jī)涂層?？梢缘玫骄鶆颉⒐饣?、無(wú)裂紋的涂層，表面質(zhì)量遠(yuǎn)高于金屬基板上涂覆SiO2、TiO2等，而且涂層與基板的粘附強(qiáng)度及金屬基板的耐腐蝕、抗氧化性能得到顯著提高。
由于ZrO2或以ZrO2為基的涂層的熱膨脹系數(shù)為10～15×10—6／℃，與通常在12～20×10—6/℃范圍內(nèi)的許多金屬一致，極大的降低了熱應(yīng)力。而且與其它一些有大熱膨脹系數(shù)的陶瓷相比，ZrO2或以ZrO2為基的涂層還具有高的耐沖擊性，并且其極低的熱導(dǎo)率也對(duì)耐氧化性的提高具有顯著的作用。因此，本發(fā)明采用Sol—Gel方法在金屬基板表面制備ZrO2或以ZrO2為基、添加稀土或堿土金屬的無(wú)機(jī)涂層。
實(shí)施例1(1)溶膠成分異丙醇鋯∶醋酸∶水∶異丙醇=1∶2∶2∶60。硝酸釔∶異丙醇鋯=3∶100。
(2)按比例將異丙醇鋯稀釋于異丙醇中，加入醋酸和水，在室溫?cái)嚢?．5h；硝酸釔溶解于5倍體積的異丙醇中，在室溫?cái)嚢?．5h；將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌1h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在金屬基板上均勻涂覆1μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以5℃／min速率升溫至400℃，保溫6h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到涂覆于不銹鋼基板上的ZrO2—Y2O3涂層。
實(shí)施例2(1)溶膠成分正丁醇鋯∶乙酰丙酮∶水∶丁醇=1∶5∶5∶20。硝酸鈣∶正丁醇鋯=6∶100。
(2)按比例將正丁醇鋯稀釋于丁醇中，加入乙酰丙酮和水，在室溫?cái)嚢?h；硝酸鈣溶解于5倍體積的丁醇中，在室溫?cái)嚢?h；將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌2h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在不銹鋼基板上均勻涂覆0．8μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以10℃／min速率升溫至500℃，保溫2h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到涂覆于不銹鋼基板上的ZrO2—CaO涂層。
實(shí)施例3(1)溶膠成分戊醇鋯∶醋酸∶水∶乙醇=1∶3∶6∶40。不加添加劑。
(2)按比例將戊醇鋯稀釋于乙醇中，加入醋酸和水，室溫連續(xù)攪拌1．5h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用0Cr13鐵素體不銹鋼?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在鐵素體不銹鋼基板上均勻涂覆0．6μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以15℃／min速率升溫至600℃，保溫3h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到鐵素體不銹鋼基板上涂覆ZrO2的涂層。
實(shí)施例4(1)溶膠成分正丙醇鋯∶乙酰丙酮∶水∶正丙醇=1∶2∶2∶60。硝酸鐵∶正丙醇鋯=10∶100。
(2)按比例將正丙醇鋯稀釋于正丙醇中，加入乙酰丙酮和水，在室溫?cái)嚢?h；硝酸鐵溶解于5倍體積的正丙醇中，在室溫?cái)嚢?．5h；將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌2h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用0Cr13鐵索體不銹鋼?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在金屬基板上均勻涂覆O．5μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以20℃／min速率升溫至700℃，保溫3h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到鐵素體不銹鋼基板上涂覆ZrO2-FeO的涂層。
實(shí)施例5(1)溶膠成分戊醇鋯∶醋酸∶水∶乙醇=1∶4∶4∶50。硝酸鎂∶戊醇鋯=20∶100。
(2)按比例將戊醇鋯稀釋于乙醇中，加入醋酸和水，在室溫?cái)嚢?．5h；硝酸鎂溶解于5倍體積的乙醇中，在室溫?cái)嚢?．5h；將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌4h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用0Cr15Ni75Fe10鎳基合金?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用于燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在鎳基合金基板上均勻涂覆O．3μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以30℃／min速率升溫至800℃，保溫2h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到0Cr15Ni75Fe10鎳基合金基板上涂覆ZrO2-MgO的涂層。
實(shí)施例6(1)溶膠成分正丁醇鋯∶乙酰丙酮∶水∶丁醇=1∶3∶3∶30。硝酸鐘∶正丁醇鋯=3∶100。
(2)按比例將正丁醇鋯稀釋于丁醇中，加入乙酰丙酮和水，在室溫?cái)嚢?h；硝酸鈰溶解于5倍體積的丁醇中，在室溫?cái)嚢?h將上述兩種溶液混合、室溫連續(xù)攪拌5h，直至獲得透明、澄清的溶膠。
(3)基板選用0Cr15Ni75Fe10鎳基合金?；逶诒谐暻逑?5min，然后用蒸餾水超聲清洗15min，再用乙醇沖洗，最后用于燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥。
(4)在金屬基板上均勻涂覆O．1μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1h后，以40℃／min速率升溫至1000℃，保溫1h，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫。得到0Cr15Ni75Fe10鎳基合金基板上涂覆ZrO2-CeO2的涂層。
上述實(shí)施例所述的涂層，其效果如表1所示。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬基板表面涂覆的溶膠，其特征在于，該溶膠的成分和配比如下鋯醇鹽∶螯合劑∶水∶低碳醇的摩爾比為1∶1～6∶1～6∶10～60添加劑鋯醇鹽的摩爾比為0～20∶100添加劑低碳醇的體積比為1∶5上述溶膠的制備過(guò)程為按比例將鋯醇鹽稀釋于低碳醇中，加入螯合劑和水，在室溫?cái)嚢?．5～3小時(shí)；添加劑溶解于5倍體積的低碳醇中，在室溫下攪拌0．5～3小時(shí)；將上述兩種溶液混合、室溫下連續(xù)攪拌1～5小時(shí)，直至獲得透明、澄清的溶膠，即為本發(fā)明的溶膠。
2.如權(quán)利要求1所述的溶膠，其特征在于，其中所述的螯合劑為醋酸或乙酰丙酮)。
3.如權(quán)利要求1所述的溶膠，其特征在于，其中所述的添加劑為稀土或堿土金屬的硝酸鹽。
4.一種用權(quán)利要求1所述的溶膠涂覆金屬基板表面的方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)金屬基板的清洗在丙酮中超聲清洗15分鐘，然后用蒸餾水超聲清洗15分鐘，再用乙醇沖洗，最后用干燥吹風(fēng)機(jī)快速干燥(2)金屬基板上涂覆涂層及熱處理在金屬基板上均勻涂覆0．1～1μm厚度的溶膠；在室溫、大氣下干燥1小時(shí)后，以低于40℃／分鐘速率升溫至400～1000℃，保溫1～6小時(shí)，進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫，即完成對(duì)金屬基板的表面涂覆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬基板表面涂覆的溶膠及其涂覆方法,按比例將鋯醇鹽稀釋于低碳醇中,加入螯合劑和水,攪拌,加入添加劑,連續(xù)攪拌,獲得透明、澄清的溶膠。在金屬基板上均勻涂覆溶膠,干燥、保溫并熱處理,即完成涂覆。采用本發(fā)明的方法可以得到均勻、光滑、無(wú)裂紋的涂層,而且涂層與基板的粘附強(qiáng)度及金屬基板的耐腐蝕、抗氧化性能得到顯著提高。
文檔編號(hào)C09D1/00GK1278540SQ00109500
公開日2001年1月3日 申請(qǐng)日期2000年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者梁開明, 李海濱, 梅樂(lè)夫 申請(qǐng)人:清華大學(xué)