强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层及其配制方法

摘要

本发明涉及一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层及其制备方法，所述涂层包括锰粉和复合碳化物陶瓷粉末，所述塑料混合机的桨叶和筒体的基体为奥氏体不锈钢，所述涂层通过将粘接剂与所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末混合后均匀铺展在所述塑料混合机的桨叶和筒体的基体表面得到。本发明直接利用奥氏体不锈钢桨叶和筒体基体中的Fe材料，减少了粉末中添加Fe的步骤；利用高锰奥氏体钢的形变强化效应，所得到的涂层既具有强韧性又具有随着工作时间而增加的硬度和耐磨性，显著延长了塑料混合机桨叶和筒体的使用寿命，降低了生产成本，具有很好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及表面强化及修复应用领域，特别涉及一种用于强化及修复塑料混合机桨叶和筒体表面的耐磨耐蚀涂层及其制备方法。

背景技术

浆叶和筒体是塑料混料设备的主要结构部件，其耐磨、耐蚀性能的高低直接影响设备的使用寿命。通常，桨叶和筒体的工作温度为100~300℃，而且桨叶和筒体在高速旋转过程中要承受磨料的摩擦力和冲击力，加之工作环境中产生的氯气的蚀蚀作用，使其产生疲劳、裂纹和剥落，从而导致其使用年限很短。目前国内混料设备中的浆叶、筒体基本上采用普通不锈钢，这种材料虽然具有较高的耐蚀性，但耐磨性能差。一般情况下，其使用寿命为1~2年，但当其混合的填料硬度较高时（如：高浓度CaCO₃、玻璃纤维、玻璃微珠等），其使用寿命更短。

目前，国内外的研究主要集中在改进桨叶其筒体的结构和材质上，例如专利申请号为200610035789.X，发明名称为“焊接式螺旋桨桨叶的加工方法”和专利申请号为200410074991.4，发明名称为“桨叶式混合机”以及专利申请号为200810020001.7，发明名称为“桨叶式三维立体混合机”的中国专利描述了通过改变结构和制造方法来改善桨叶性能；专利申请号为87107515.6，发明名称为“一种耐磨耐蚀普钙发生器桨叶铸铁合金及生产工艺”的专利描述了通过改变材质提高桨叶性能等。除了上述方法外，表面改性技术是其延寿的另一种方法。已有这方面应用的涂层的专利发表，如在专利申请号为200510095492.8，发明名称为“在螺旋桨叶片的表面应用的硬质复合纳米陶瓷薄膜的涂层”的中国专利中描述了一种应用在飞机和船舶领域的螺旋桨叶表面的硬质复合纳米陶瓷薄膜涂层。当前，利用表面技术对零部件进行强化和修复已成为磨损件延寿的发展方向之一。该方法可以大大提升混料设备中易耗件的使用年限，减少了频繁更换部件所需的成本，节约能源，并实现可持续发展。因此该方法成为可以获得高耐蚀、高耐磨性能的浆叶及筒体工作层以提高混合设备使用寿命的一种主要途径。但是上述方法主要应用于航空和船舶领域，用于该领域的螺旋桨叶表面改性的涂层材料价格昂贵，制备复杂，并不适用于普通的塑料混合机械。

据申请人所知，目前并没有用于塑料混合机领域的涂层的相关专利，通过对塑料混合机的桨叶和筒体表面进行强化和修饰，在桨叶和筒体表面形成耐磨耐蚀涂层将是一项值得研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层及其制备方法，旨在延长塑料混合机桨叶和筒体的使用寿命，降低生产成本。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，所述涂层包括锰粉和复合碳化物陶瓷粉末，所述塑料混合机的桨叶和筒体的基体为奥氏体不锈钢，所述涂层通过将粘接剂与所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末混合后均匀铺展在所述塑料混合机的桨叶和筒体的基体表面得到。

在本发明的目的还可以通过以下的技术方案来进一步实现：

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，其中，所述涂层中所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：30~70 wt％锰粉，30~70 wt％复合碳化物陶瓷粉末。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，其中，所述的复合碳化物陶瓷粉末为NiWC、Cr₃C₂、SiC、TiC、Al₂O₃、NiCr或者是它们的组合。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，其中，所述涂层中锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%NiWC、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%Cr₃C₂、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%SiC、(30~70) wt%Mn－(30~70) wt%TiC、(30~70) wt%Mn- (30~70)wt% Al₂O₃、(30~70) wt%Mn - (20~50)wt% NiCr - (15~30)wt% Al₂O₃或者(30~70) wt%Mn - (20~40)wt% TiC- (10~30)wt% Al₂O₃。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，其中，所述粘接剂为透明型环氧树脂粘接剂。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层，其中，所述涂层的厚度为0.5~1.5mm。

本发明的另外一个目的通过以下技术方案实现：

一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，所述方法包括以下步骤：

1)将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合；

2)将粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成糊状物，所述粘接剂的加入质量之比为1 : 0.8~1.2，以使所述糊状物具有较好的流动性；

3)将所述糊状物铺设在为奥氏体不锈钢的所述塑料混合机桨叶和筒体的基体上，依靠表面张力使糊状物流动至均匀铺展在基体表面上，从而形成以所述奥氏体不锈钢为基体的复合碳化物增强韧性涂层。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，其中，在所述步骤1）或步骤2）前还包括对所述塑料混合机桨叶和筒体的基体的表面进行清洗和打磨的步骤。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，其中，所述涂层中所述锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：30~70 wt％锰粉，30~70 wt％复合碳化物陶瓷粉末。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，其中，所述的复合碳化物陶瓷粉末为NiWC、Cr₃C₂、SiC、TiC、Al₂O₃、NiCr或者是它们的组合。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，其中，所述涂层中锰粉和所述复合碳化物陶瓷粉末的重量百分比为：(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%NiWC、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%Cr₃C₂、(30~70)wt%Mn－(30~70) wt%SiC、(30~70) wt%Mn－(30~70) wt%TiC、(30~70) wt%Mn- (30~70)wt% Al₂O₃、(30~70) wt%Mn - (20~50)wt% NiCr - (15~30)wt% Al₂O₃或者(30~70) wt%Mn - (20~40)wt% TiC- (10~30)wt% Al₂O₃。

前述的强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的配制方法，其中，所述粘接剂为透明型环氧树脂粘接剂。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著进步主要体现在：

1. 本发明以桨叶和筒体的基体为Fe元素来源，其与涂层中的Mn元素及复合碳化物相结合，形成了类高猛奥氏体钢，其成分与高锰奥氏体钢接近，因此可利用高锰奥氏体钢的加工硬化特性，在本身具有良好韧性的基体上得到具有良好耐磨性和耐蚀性的增强韧性涂层。

2. 本发明利用Fe-Mn二元相图中Fe和Mn可以在任意成分范围内形成固溶体，从而简化了对Mn的加入量的控制。

3. 在涂层设计中，采用类高锰奥氏体钢（即利用基体材料中的Fe，和所添加合金粉末中的Mn形成类高锰奥氏体钢）作为基体材料并添加不同含量的增强、增韧微细颗粒（即复合碳化物陶瓷粉末）可以保证涂层的高硬度和高耐磨性；而且形成的类高锰奥氏体钢基体在工作过程中，通过加工硬化来调控涂层的残余应力分布并实现其强韧化。预期本发明的涂层不仅可以强化桨叶和筒体工作层表面，亦可用于桨叶和筒体的修复和再制造，显著延长二者的使用寿命，降低生产成本，具有很好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：

图1是Fe-Mn二元相图；

图2是预涂了锰粉和复合碳化物陶瓷粉的混合粉末后的试样图片；

图3是预涂了锰粉和复合碳化物陶瓷粉的混合粉末后的试样经过激光扫描后的图片。

具体实施方式

实施例一：

本发明提供一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的技术方案，其一种具体方案是：

1）将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：65wt%Mn - 35wt% NiWC、60wt%Mn - 40wt% Cr₃C₂、65wt%Mn - 35wt% SiC、65wt%Mn - 35wt% TiC、65wt%Mn - 35wt% Al₂O₃、55wt%Mn - 30wt% NiCr - 15wt% Al₂O₃或65wt%Mn - 20wt% TiC- 15wt% Al₂O₃；

2）用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设；

3）将透明型环氧树脂粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成糊状物，所述粘接剂的加入质量之比为1 : 0.8，以使所述糊状物具有较好的流动性；

4）将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的基体上（塑料混合机桨叶和筒体的基体为市面可购得的普通奥氏体不锈钢），依靠表面张力使糊状物流动至均匀铺展在基体表面上，然后在空气中风干，从而形成以所述奥氏体不锈钢为基体的复合碳化物增强韧性涂层，所述涂层厚度为0.5mm。

实施例二：

本发明提供一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的技术方案，另一种具体方案是：

1）用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设；

2）将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：50wt%Mn - 50wt% NiWC、50wt%Mn - 50wt% Cr₃C₂、50wt%Mn - 50wt% SiC、50wt%Mn - 50wt% TiC、50wt%Mn - 50wt% Al₂O₃、50wt%Mn - 30wt% NiCr - 20t% Al₂O₃或50wt%Mn - 30wt% TiC- 20wt% Al₂O₃；

3）将透明型环氧树脂粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成糊状物，所述粘接剂的加入质量之比为1 : 1，以使所述糊状物具有较好的流动性；

4）将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的基体上（塑料混合机桨叶和筒体的基体为市面可购得的普通奥氏体不锈钢），依靠表面张力使糊状物流动至均匀铺展在基体表面上，然后在空气中风干，从而形成以所述奥氏体不锈钢为基体的复合碳化物增强韧性涂层，所述涂层厚度为0.9mm。

实施例三：

本发明提供一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的技术方案，第三种具体方案是：

1）将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：35wt%Mn - 65wt% NiWC、35wt%Mn - 65wt% Cr₃C₂、35wt%Mn - 65wt% SiC、35wt%Mn - 65wt% TiC、35wt%Mn - 65wt% Al₂O₃、35wt%Mn - 40wt% NiCr - 25wt% Al₂O₃或35wt%Mn - 40wt% TiC- 25wt% Al₂O₃；

2）用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设；

3）将透明型环氧树脂粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成糊状物，所述粘接剂的加入质量之比为1 : 1.2，以使所述糊状物具有较好的流动性；

4）将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的基体上（塑料混合机桨叶和筒体的基体为市面可购得的普通奥氏体不锈钢），依靠表面张力使糊状物流动至均匀铺展在基体表面上，然后在空气中风干，从而形成以所述奥氏体不锈钢为基体的复合碳化物增强韧性涂层，所述涂层厚度为1.2mm。

实施例四：

本发明提供一种强化及修复塑料混合机桨叶和筒体的耐磨耐蚀涂层的技术方案，第四种具体方案是：

1）将锰粉和复合碳化物陶瓷粉末混合，所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末的比例为：70wt% Mn - 30wt% NiWC、30wt% Mn - 70wt% Cr₃C₂、45wt% Mn - 55wt% SiC、60wt% Mn - 40wt% TiC、65wt% Mn - 35wt% Al₂O₃、40wt% Mn - 30wt% NiCr - 30wt% Al₂O₃或45wt% Mn - 20wt% TiC- 35wt% Al₂O₃；

2）用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除桨叶或筒体表面油污和锈，然后用砂纸打磨二者表面进一步去除污物，便于预涂层的铺设；

3）将透明型环氧树脂粘接剂倒入混合好的所述锰粉和复合碳化物陶瓷粉末中搅拌成糊状物，所述粘接剂的加入质量之比为1 : 0.9，以使所述糊状物具有较好的流动性；

4）将所述糊状物铺设在所述塑料混合机桨叶和筒体的基体上（塑料混合机桨叶和筒体的基体为市面可购得的普通奥氏体不锈钢），依靠表面张力使糊状物流动至均匀铺展在基体表面上，然后在空气中风干，从而形成以所述奥氏体不锈钢为基体的复合碳化物增强韧性涂层，所述涂层厚度为1.5mm。

本发明采用奥氏体钢作为塑料混合机桨叶和筒体的基体，利用基体材料中的Fe和所添加合金粉末中的Mn形成类高锰奥氏体钢。高锰奥氏体钢的特性是在受到摩擦或者冲击力时表面具有强烈的加工硬化特性，可以大幅度提高材料表面的硬度，从而提高材料表面的耐磨性，而心部仍然保持良好韧性。高锰奥氏体钢广泛应用于坦克的履带，铲车、挖掘机等磨损部件上。由于高锰奥氏体钢在工作过程中的冷加工硬化使其具备良好的冲击磨损性能。而塑料混合机的桨叶和筒体的工况可以类比于此。因此，采用类高锰奥氏体钢作为涂层的基体。但是，虽然高锰钢韧性、耐冲击性能好，但由于其初始组织为奥氏体，比较软，其耐磨性取决于加工硬化的程度，而且耐蚀蚀性也比较差。在某些工况下，由于加工硬化程度和耐蚀蚀性能不足，导致高锰奥氏体钢寿命有限。本发明针对这种情况对其表面进行修饰，即本发明以桨叶和筒体的基体为Fe元素来源，其与涂层中的Mn元素形成类高猛奥氏体钢，利用高锰钢的加工硬化特性，以及涂层中含有的复合碳化物的特性，在本身具有良好韧性的基体上得到具有良好耐磨性和耐蚀性的增强韧性涂层。

从图1的Fe-Mn二元相图可知，Fe和Mn可以在任意成分范围内形成固溶体，从而容易形成以类似高锰奥氏体钢（为基底的涂层），并且大大简化了粉末配比中控制Mn含量的步骤。

另外，本发明选用的复合碳化物陶瓷材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和良好的化学稳定性，以及高温下优良的力学性能。而且，陶瓷材料在激光的照射下几乎能吸收激光的全部能量。并且，WC，SiC，NiWC，Cr₃C₂，Al₂O₃有增加耐磨性的用途；TiC可以抑制裂纹扩展的作用。

本发明所采用的透明型环氧树脂粘接剂可以在低温或者常温下固化，固化速度快，仅用2~3个小时的时间即可固化完毕，而且固化后粘接强度高、抗冲击，耐震动，硬度较好，有较好的韧性；固化物耐酸碱性能好，防潮防水、防油防尘性能佳，耐湿热和大气老化；固化物具有良好的绝缘、抗压、粘接强度高等电气及物理特性。使用时仅需将粘接剂倒入混合好的粉末中，加入量为使搅拌后混合粉末有较好的流动性即可，然后倒在基体上，依靠表面张力使液体流动至均匀铺展在基体表面上。由图2可以看出涂覆了混合粉末后的试样的涂层致密，表面光滑，厚度分布均匀。图3所示为经过激光扫描后的试样图片，由图3可见涂层仍与基体结合牢固，并且即使经过打磨后，涂层仍未脱离基体，可见该粘接剂非常适合该涂层与基体的结合。

可以预期本发明的涂层不仅可以强化桨叶和筒体工作层表面，亦可用于桨叶和筒体的修复和再制造，显著延长二者的使用寿命，降低生产成本，具有很好的应用前景。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。