摘要：目前制备高硬度耐高温搪瓷基板多采用两涂两烧法和热喷涂等新工艺，国内研究人员采用两涂两烧法已制备出了在500时使用的耐热搪瓷渗氮罐.但是，采用两涂两烧法在金属基板表面烧制搪瓷层工序复杂，且易产生爆瓷、气孔多等缺陷.虽然采用热喷涂等新型工艺制备的搪瓷层耐热温度达到了700，但设备造价高、工序复杂、成本高.本研究采用无底釉一次涂搪法制备搪瓷金属基板.其工艺主要有搪瓷粉料的制备、调浆、金属基板的涂搪、搪瓷基板的烧制.本方法的特点是金属基板不需要预先的镀镍、只采用一次涂搪就能制备出具用优良的密着性能、高硬度和高耐蚀性能的搪瓷基板。
关键词：无底釉；一次涂搪法；制备搪瓷层；工艺研究
前言
常规的搪瓷涂层都较薄，主要起保护基体金属不受高温腐蚀的作用;而对高温强度的要求则主要由基体合金本身来承担。由于基体合金和防护涂层可以单独地设计，所以施加防护涂层的合金部件就可以既保持合金足够的高温强度，而表面又具有优异的耐高温腐蚀性能，特别是在要求抗高温腐蚀性能的场合。
1、实验材料和方法
1.1实验材料
基板采用厚度为2.3mm的Q235钢板，成分为Fe99.1%、C0.2%、S0.05%、Mn0.6%、P005%。所使用的搪瓷原料有：Na2CO3、ZnO、H2BO3、Al2O3、P2O5、SiO2、NaF、TiO2、Co(NO3) 6H2O和Ni粉，均为化学纯试剂。
1.2实验方法
瓷浆粉料的制备：根据表1中玻璃料的化学组成，换算出原料的实际用量，用电子天平称量。将称量好的料在研钵中混合研磨均匀后，装入刚玉坩埚中随炉加热到1100，保温1.5h，获得均匀的熔融玻璃料。保温完毕后立即将熔融的玻璃料倒入冷水中，使熔融玻璃料急冷而变成玻璃碎块。干燥后的玻璃碎块经球磨24h后，过325目筛子作为瓷浆粉料。
表 1 瓷浆粉料的基本化学组成
粉浆的调制：向瓷浆粉中添加无水酒精稀释，使玻璃料的含量为40%，静置24h使瓷浆陈化.陈化的作用是使瓷浆内的气体逸出，并使瓷浆浓缩到一定的密度、粘度和流变性，以便于涂搪.钢板预处理：Q235钢板锯成尺寸18mm 8mm的基板，在980保温30min进行脱碳，然后酸洗以除去基板表面的油污和氧化皮待用.基板如果不进行脱碳预处理，在搪瓷基板烧制时，基板中的碳向外扩散并且在高温下与空气中的氢或氧发生作用生成甲烷、二氧化碳或一氧化碳.如果这些气体在搪瓷基板烧制完成时不能从搪瓷层中逸出，就会在搪瓷层中形成气泡，甚至引起搪瓷层的脱落，降低搪瓷层耐温急变性和密着性。涂搪和烧制：向陈化后的瓷浆中添加无水酒精稀释，使玻璃料的含量为60%。将预处理过的基板浸入瓷浆中涂搪，直到瓷浆均匀地分布在整个基板表面上，并且厚度达到1.2mm为止。将涂搪完毕的基板干燥后，分别在920~960下烧结不同时间。
在NEOPHOT-32金相显微镜和JSM-6360LV型扫描电镜下观察搪瓷基板的显微形貌和测量基板脱碳层厚度；用PW1710型X射线衍射仪测定搪瓷层的相结构；用FM-700型显微硬度仪测量搪瓷层的维氏硬度。根据国标GB4738.2-84，测定搪瓷层的耐酸(碱)性能，测定耐酸性时加入浓度为18%盐酸溶液(测定耐碱性时加入浓度为10%的氢氧化钠溶液)将溶液加热至微沸，保持1h。依据GB11418-89和GB11419-89的规定分别测试搪瓷层的耐热性和耐温急变性，耐冲击强度测试采用落球冲击法测试，采用重100g的钢球作自由落体撞击搪瓷基板，直到搪瓷基板发生脱瓷为止。
2、实验结果与分析
2.1搪瓷层与基板结合处的显微形貌
搪瓷基板在940、950、960烧结7min后的界面显微形貌可以看到在搪瓷与金属基板结合界面产生了互相镶嵌的齿状密着，但齿状密着的深浅并不相同。940烧结时搪瓷层与基板的齿状密着深度最浅，在950烧结时搪瓷层与基板的密着深度比在940烧结时的齿状结合更深。随着烧结温度增加到960，搪瓷层与基板的齿状结合最深。
通过对搪瓷层和基板结合界面进行能谱分析。可以看到齿状物处的Fe元素含量较低，而O、Si的含量较大，说明了齿状物是融熔的搪瓷浸入到了金属基体中。根据一般性判断，陶瓷层与金属基体的结合程度可以用陶瓷层与基板的界面长度与基板的长度的比值来表示。值越大，说明陶瓷层与金属基体的结合越牢固。在烧结时间相同时，随着烧结温度从940增加到960，单位长度上搪瓷层与基板的结合长度从29.66变为44.25，增加了接近一倍，说明提高烧结温度，有利于提高搪瓷层与基板的结合性能。
在相同烧结时间下，烧结温度越高搪瓷层在基板中的扩散和渗透的越快，所以在较高温度烧结的搪瓷基板的搪瓷层与基板界面具有较深的齿状密着。所以搪瓷基板在经过落球冲击实验后，露出的基板表面越粗糙，也就是基板与搪瓷层结合的面积越大，所以搪瓷层与基板的密着性能越好。搪瓷层与基板的结合性能的改善是由于在烧结过程中，熔融的瓷釉对基体表面产生侵蚀作用，使基板表面凸凹不平，瓷釉浸入粗糙的金属表面形成机械镶嵌，增加了搪瓷层与基体的接触面积，加强了搪瓷层与基板的密着性，同时瓷釉与金属互相扩散、渗透，而且烧结温度越高，其扩散和渗透的越快.所以在相同烧结时间下，在较高温度烧结的搪瓷基板的搪瓷层与基板界面具有较深的齿状密着。
2.2搪瓷层的相结构
在搪瓷原料中没有添加晶核计时，在950烧结5min制得的搪瓷层的X射线衍射分析结果如图1所示，搪瓷层中出现的晶相为Al2SiO5。在搪瓷原料中添加2%TiO2晶核计时，在960烧结不同时间制得的搪瓷基板的搪瓷层衍射分析结果如图1所示。从图中可以看出，基板在烧结3min时就出现了晶体的衍射峰，说明搪瓷层中已经出现析晶.当烧结时间增加到7min时，搪瓷层中的晶体衍射峰的强度明显增大，说明搪瓷层的晶化程度随烧结时间的延长而增加.通过将对搪瓷层X射线衍射分析，搪瓷层中出现的晶相为NaAlSi2O6和Na2Si2O5。
图1 搪瓷层 XRD相分析
2.3基板脱碳层厚度
基板脱碳层厚度与烧结时间和温度的关系可以看出，脱碳层的厚度随烧结时间的延长而增加；当烧结时间相同时，脱碳层的厚度随烧结温度的升高而增加。脱碳的过程是基板中的碳向外扩散，并与空气中的氢或氧发生反应生成甲烷、二氧化碳或一氧化碳使基板脱碳.温度越高，碳在铁中的扩散系数越大，脱碳的速度也随之加快.当脱碳层达到一定厚度后，基板中碳的扩散越来越困难，脱碳层厚度的增加也会减缓。
在烧结温度不变时，脱碳层厚度随脱碳时间的延长而增大;在脱碳时间相同时，脱碳处理温度越高，脱碳层厚度越大.在960时分别脱碳15min和20min的脱碳层厚度为119m和121m；继续增加随脱碳时间，脱碳层的厚度变化不显著.所以，本实验选用的脱碳温度和时间分别为980和30min。经此工艺脱碳处理后，消除了金属基板中的碳在烧结过程中在搪瓷层中形成的气体。我国化工部标准规定，优质搪瓷的耐温急变性能不低于230。因此，本研究所制备的搪瓷基板具有极其优良的耐温急变性.这种优良的抗热冲击性能与搪瓷层与基体间的界面结合形式密切相关。由于陶瓷层与金属基体的锚状结合，和搪瓷层嵌入基体的复杂形状能使其承受更大的应力载荷，并使陶瓷层的受到的部分应力转移到基体上，从而使搪瓷基板具有优良的耐温急变性。
参考文献
[1]姚明明，缑英俊，何业东.高温防护涂层研究进展[J].中国粉体技术，2005(3):32-38.
张微，唐绍裘，何莉萍.金属基耐高温陶瓷涂层抗热冲击性能的研究[J].电镀与涂饰，2002，21(6):8-11.
作者简介
董勋飞，身份证号码：61032219840125XXXX。
论文作者:董勋飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：搪瓷论文; 基板论文; 脱碳论文; 基体论文; 厚度论文; 温度论文; 时间论文; 《基层建设》2019年第8期论文;