一种耐磨陶瓷涂层材料、耐磨涂层及其制备方法

专利名称：一种耐磨陶瓷涂层材料、耐磨涂层及其制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210831008.7

专利申请（专利权）人：广东金雅陶陶瓷有限公司
权利人地址：广东省佛山市南海区西樵河岗开发区(原耐尔仕陶瓷厂内)

专利发明（设计）人：李东,王伟,李石佳

专利摘要：本发明涉及一种耐磨陶瓷涂层材料、耐磨涂层及其制备方法，该材料由基层涂料和耐磨涂料组成，所述基层涂料由岩棉纤维10‑30份、玻璃纤维25‑40份、空心微珠5‑10份和水性丙烯酸环氧杂化乳液30‑40份组成，所述耐磨涂料由刚玉粉10‑20份、碳化硅粉5‑10份、氮化硅粉2‑5份、石墨烯粉1‑3份和水玻璃25‑40份组成。本发明优点为，形成耐磨陶瓷涂层时先在基材表面成型基础层，再在基础层上成型耐磨层，基础层和耐磨层使用分别使用不同粘合剂，可保证耐磨涂层具有较好附着性；基础层具有隔热效果，从而在耐磨层成型时可进行800‑1200℃的短时烧结强化而基本不会对基材产生损伤，保证表面硬度更大，耐磨性更优异。

主权利要求：
1.一种耐磨陶瓷涂层材料，其特征在于，由基层涂料和耐磨涂料组成，各原料的重量份按同一重量单位计，所述基层涂料由岩棉纤维10‑30份、玻璃纤维25‑40份、空心微珠5‑10份和水性丙烯酸环氧杂化乳液30‑40份组成，所述耐磨涂料由刚玉粉10‑20份、碳化硅粉5‑10份、氮化硅粉2‑5份、石墨烯粉1‑3份和水玻璃25‑40份组成;所述岩棉纤维的长度为0.5‑1mm,所述玻璃纤维的长度为1‑2mm;所述空心微珠为空心玻璃微球，粒径为40‑80μm;所述刚玉粉为白刚玉微粉，粒径为10‑30μm，所述碳化硅粉、氮化硅粉和石墨烯粉的粒径均为5‑15μm;所述水玻璃的模数为2.5‑3.0;所述水性丙烯酸环氧杂化乳液的固含量为42.5‑50.5%，所述水玻璃的固含量为49‑50%。
2.一种利用如权利要求1所述的耐磨陶瓷涂层材料制备耐磨涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.对基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；
S2.将岩棉纤维、玻璃纤维、空心微珠和水性丙烯酸环氧杂化乳液按相应的重量份数充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料形成厚度为1‑5mm的基础层，室温静置3‑
10h，随后进行表面压花处理，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持1‑5h,完成基层固化；
S3.将刚玉粉、碳化硅粉、氮化硅粉、石墨烯粉和水玻璃按相应的重量份数充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上形成厚度为0.5‑1.5mm厚的耐磨层，室温静置5‑12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持2‑8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1200℃，每处持续灼烧的处理的时间为5‑10s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。
3.根据权利要求2所述的一种制备耐磨涂层的方法，其特征在于，基材为陶瓷、钢铁、玻璃、木材或石材，表面压花处理产生的纹路的深度为0.2‑0.5mm,所述基础层的厚度为2‑
4mm，所述耐磨层的厚度为0.5‑0.8mm。
4.根据权利要求2所述的一种制备耐磨涂层的方法，其特征在于，基材的表面预处理包括除油和去锈以使基材表面洁净，以及喷砂加粗处理以增强基础层与基材粘合牢固度。
5.一种耐磨涂层，其特征在于，通过权利要求2至4任一项所述的方法制备得到。 说明书 : 一种耐磨陶瓷涂层材料、耐磨涂层及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于耐磨涂层技术领域，具体涉及一种耐磨陶瓷涂层材料、耐磨涂层及其制备方法。背景技术[0002] 在物料输送管道及机械往复运动部件上为了减少物料对管道的磨损及机械部件相互接触摩擦部分的磨损，通常需要考虑对易磨损部件的保护。通常的方法包括润滑或设置耐磨涂层。陶瓷材料因具有化学稳定性高、硬度高和耐磨性强等特点，成为一种使用较多的耐磨材料。然而陶瓷耐磨材料通常是作为一种较厚的材料独立使用，比如耐磨陶瓷板，如何在需要保护的机械部件(基材)表面形成结合牢固且耐磨性好的陶瓷涂层是亟待解决的技术问题。[0003] 中国发明专利CN104313446B公开了一种耐磨陶瓷涂层材料及其制备方法，其以氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锡和氧化铬等为原料，进行高温烧结制备，最高处理温度达到1600℃且处理时间达到几个小时。其不足之处在于，实质上制备的是耐磨陶瓷而非耐磨陶瓷涂层，因为绝大多数基材无法承受数小时如此高的温度，而且上述制备原料中也没有粘合剂，无法在基材表面粘附固定。中国发明专利CN110318036B公开了一种碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用，该专利采用化学气相沉积法在基材表面镀上一层耐磨陶瓷层。其不足之处在于：对设备、操作技能等要求均较高、成本高，难以大批量生产和投入应用，同时沉积形成涂层的温度仍为1000℃以上的高温且沉积时间较长，一般基材仍无法承受。发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨涂层材料、耐磨涂层及其制备方法，旨在克服现有技术中存在的上述不足。[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种耐磨陶瓷涂层材料，其由基层涂料和耐磨涂料组成，各原料的重量份按同一重量单位计，所述基层涂料由岩棉纤维10‑30份、玻璃纤维25‑40份、空心微珠5‑10份和水性丙烯酸环氧杂化乳液30‑40份组成，所述耐磨涂料由刚玉粉10‑20份、碳化硅粉5‑10份、氮化硅粉2‑5份、石墨烯粉1‑3份和水玻璃25‑40份组成。[0006] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的具体选择。[0007] 具体的，所述岩棉纤维的长度为0.5‑1mm,所述玻璃纤维的长度为1‑2mm。[0008] 具体的，所述空心微珠为空心玻璃微球，粒径为40‑80μm。[0009] 具体的，所述刚玉粉为白刚玉微粉，粒径为10‑30μm，所述碳化硅粉、氮化硅粉和石墨烯粉的粒径均为5‑15μm。[0010] 具体的，所述水玻璃的模数为2.5‑3.0。[0011] 具体的，所述水性丙烯酸环氧杂化乳液的固含量为42.5‑50.5％，所述水玻璃的固含量为49‑50％。[0012] 本发明还提供了一种利用上述的耐磨陶瓷涂层材料制备耐磨涂层的方法，其包括如下步骤：[0013] S1.对基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0014] S2.将岩棉纤维、玻璃纤维、空心微珠和水性丙烯酸环氧杂化乳液按相应的重量份数充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料形成厚度为1‑5mm的基础层，室温静置3‑10h，随后进行表面压花处理，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持1‑5h,完成基层固化；[0015] S3.将刚玉粉、碳化硅粉、氮化硅粉、石墨烯粉和水玻璃按相应的重量份数充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上形成厚度为0.5‑1.5mm厚的耐磨层，室温静置5‑12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持2‑8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1200℃，每处持续灼烧的处理的时间为5‑10s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0016] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的具体选择或最优选择。[0017] 具体的，基材为陶瓷、钢铁、玻璃、木材或石材。[0018] 具体的，基材的表面预处理包括除油和去锈以使基材表面洁净，以及喷砂加粗处理以增强基础层与基材粘合牢固度。[0019] 优选的，表面压花处理产生的纹路的深度为0.2‑0.5mm,所述基础层的厚度为2‑4mm，所述耐磨层的厚度为0.5‑0.8mm。[0020] 本发明还提供一种耐磨涂层，其通过上述的方法制备得到。[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0022] 具有基层涂料和耐磨涂料，形成耐磨陶瓷涂层时先在基材表面成型基础层，然后再在基础层上成型耐磨层，基础层使用粘接性优异且适用于在多种基材表面稳定粘附结合的水性丙烯酸环氧杂化乳液，耐磨层使用耐候性佳且更适于高温处理的水玻璃作粘合剂，同时基础层在成型时于表面压花以增大耐磨层与其接触面积且增加结合后的着力位点，可保证耐磨层与基础层更牢结合；基础层使用耐热隔热的岩棉纤维、玻璃纤维和空心微球，保证附着基础层后的基材具有更好的表面耐热处理性能，从而在耐磨层成型时可进行800‑1200℃的短时烧结强化而基本不会对基材产生损伤，保证表面硬度更大，耐磨性更优异。附图说明[0023] 图1为本发明提供的耐磨涂层材料在基材表面形成耐磨涂层后的示意图；[0024] 图2为本发明提供的制备耐磨涂层的方法的流程示意图。[0025] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：[0026] 1、基材；2、基础层；3、耐磨层。具体实施方式[0027] 以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。[0028] 为免赘述，以下实施例中用到药品若无特别说明则均为本领域的市售常规产品，用到的方法若无特别说明则均为本领域的常规方法。[0029] 以下各实施例中制备的耐磨涂层的结构如图1所示，即在基材1的表面先形成了基础层2，然后又在基础层2的表面形成了耐磨层3。基材优选为钢材、石材、木材、硬质塑料等；基础层的厚度优选为2‑4mm,耐磨层的厚度优选为0.5‑0.8mm。相应的制备方法的工艺流程示意如图2所示。以下实施例中，所述岩棉纤维的长度为0.5‑1mm,所述玻璃纤维的长度为1‑2mm；所述空心微珠为空心玻璃微球，粒径为40‑80μm；所述刚玉粉为白刚玉微粉，粒径为10‑30μm，所述碳化硅粉、氮化硅粉和石墨烯粉的粒径均为5‑15μm；所述水玻璃的模数为3.0；所述水性丙烯酸环氧杂化乳液(水性环氧丙烯酸乳液)的固含量为42.5％，所述水玻璃的固含量为49.5％。各原料的重量份按同一重量单位计。[0030] 实施例1[0031] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0032] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0033] S2.将岩棉纤维20份、玻璃纤维30份、空心微珠7份和水性丙烯酸环氧杂化乳液35份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为3mm的基础层，室温静置10h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长8‑12mm，纹路槽的深度为0.4mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持5h,完成基层固化；[0034] S3.将刚玉粉15份、碳化硅粉8份、氮化硅粉4份、石墨烯粉2份和水玻璃32份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为0.8mm厚的耐磨层，室温静置12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1000℃(优选为酒精或汽油喷灯)，每处持续灼烧的处理的时间为5s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0035] 实施例2[0036] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0037] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0038] S2.将岩棉纤维10份、玻璃纤维25份、空心微珠5份和水性丙烯酸环氧杂化乳液30份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为1mm的基础层，室温静置5h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长8‑12mm，纹路槽的深度为0.2mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持2h,完成基层固化；[0039] S3.将刚玉粉10份、碳化硅粉5份、氮化硅粉2份、石墨烯粉1份和水玻璃25份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为0.5mm厚的耐磨层，室温静置5h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持3h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1000℃，每处持续灼烧的处理的时间为5s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0040] 实施例3[0041] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0042] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0043] S2.将岩棉纤维30份、玻璃纤维40份、空心微珠10份和水性丙烯酸环氧杂化乳液40份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为2mm的基础层，室温静置6h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长8‑12mm，纹路槽的深度为0.5mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持3h,完成基层固化；[0044] S3.将刚玉粉20份、碳化硅粉10份、氮化硅粉5份、石墨烯粉3份和水玻璃40份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为1.2mm厚的耐磨层，室温静置12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1000℃，每处持续灼烧的处理的时间为8s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0045] 实施例4[0046] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0047] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0048] S2.将岩棉纤维15份、玻璃纤维30份、空心微珠8份和水性丙烯酸环氧杂化乳液35份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为5mm的基础层，室温静置10h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长8‑12mm，纹路槽的深度为0.5mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持5h,完成基层固化；[0049] S3.将刚玉粉15份、碳化硅粉10份、氮化硅粉5份、石墨烯粉1份和水玻璃40份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为1.5mm厚的耐磨层，室温静置12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为800‑1000℃，每处持续灼烧的处理的时间为10s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0050] 实施例5[0051] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0052] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0053] S2.将岩棉纤维25份、玻璃纤维35份、空心微珠5份和水性丙烯酸环氧杂化乳液38份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为5mm的基础层，室温静置10h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长8‑12mm，纹路槽的深度为0.5mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持5h,完成基层固化；[0054] S3.将刚玉粉10份、碳化硅粉10份、氮化硅粉2份、石墨烯粉3份和水玻璃25份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为1.5mm厚的耐磨层，室温静置12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为950‑1200℃(优选使用液化气喷火枪)，每处持续灼烧的处理的时间为10s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0055] 实施例6[0056] 一种耐磨涂层的制备方法，其包括如下步骤：[0057] S1.对不锈钢基材表面预处理，保证基材表面洁净且粗糙；[0058] S2.将岩棉纤维30份、玻璃纤维25份、空心微珠10份和水性丙烯酸环氧杂化乳液30份充分混合得基层涂料，然后在基材表面用基层涂料旋涂形成厚度为5mm的基础层，室温静置10h，随后进行表面压花处理，花纹为渔网纹，网孔为菱形，边长12mm，纹路槽的深度为0.5mm，最后在烤箱中升温到60‑80℃后保持5h,完成基层固化；[0059] S3.将刚玉粉15份、碳化硅粉8份、氮化硅粉2份、石墨烯粉1份和水玻璃40份充分混合得耐磨涂料，用耐磨涂料在基础层上喷涂形成厚度为1.5mm厚的耐磨层，室温静置12h,然后在烤箱中升温到150‑220℃后保持8h,然后取出后立即用火焰喷枪对耐磨层进行快速烧结加强，火焰温度为950‑1200℃，每处持续灼烧的处理的时间为10s，即在基材表面制备出由基础层和耐磨层组成的耐磨涂层。[0060] 对比例1[0061] 与实施例1各步骤相同，仅S3中缺少火焰喷枪的烧结加强处理。[0062] 对比例2[0063] 与实施例1相比，缺少S2步骤，直接以耐磨涂料在洁净及粗糙处理后的基材表面进行S3步骤。[0064] 对比例3[0065] 与实施例1各步骤相同，仅耐磨涂料中未加入氮化硅粉及石墨烯。[0066] 耐磨涂层性能表征[0067] 对各实施例及对比例制备出的耐磨涂层进行表面性能检测，测定结果如下表所示：[0068][0069][0070] 由上表可知，本发明制备的耐磨涂层经短时的高温火焰烧结处理后，表面硬度显著提升，表面硬度提升后材料的平均磨损率有较大下降，显著提升了耐磨性；本发明制备耐磨涂层时在表面耐磨层对应的涂料中加入有一定润滑性能的石墨烯和氮化硅，对表面摩擦系数降低有明显效果，同时也降低了平均磨损率，有效提升了耐磨性；从上表还可看出，基础层增加了涂层在基材表面的粘接稳固性和成膜性，原因在于基础层耐热性好，起缓冲作用，使基材与表层的耐磨层避免因高温处理时膨胀系数差异大而出现裂纹；基础层还具有显著隔热效果，使在耐热性稍差的材料(木材、塑料)表面可进行本发明提供的耐磨涂层的成型，具体而言，以松木替代实施例1的不锈钢为基材，在未形成基础层而直接进行耐磨层成型时，火焰喷枪处理5s左右即会明显损坏木质，而施加基础层(3mm)后,火焰喷枪处理5‑10s未见明显木质损坏，形成的耐磨涂层与在不锈钢表面的性能接近。[0071] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：广东

专利申请日期：2022-07-15

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115216763B