阅读说明：本技术 在ptfe基体上制备碳梯度钢基涂层的方法 (Method for preparing carbon gradient steel-based coating on PTFE (polytetrafluoroethylene) substrate ) 是由 李文生 张富邦 胡春莲 翟海民 何东青 安国升 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法,先将纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面,待纯钠金属液在空气中冷凝后,基体进行超声处理,然后得到活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体,置于焙烧—还原一体炉中加热还原,得到纯铁薄层PTFE基体；选取纯铁粉、低碳钢粉、中碳钢粉和高碳钢粉为喷涂粉末,以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序,对纯铁薄层PTFE基体喷涂,得到碳梯度钢基涂层。此方法具有涂层厚度控制精度高,工艺稳定性和重复性较强,可实现碳梯度钢基涂层的强界面和高性能。(The invention discloses a method for preparing a carbon gradient steel-based coating on a PTFE (polytetrafluoroethylene) matrix, which comprises the steps of uniformly spraying pure sodium metal liquid on the surface of the PTFE matrix, carrying out ultrasonic treatment on the matrix after the pure sodium metal liquid is condensed in the air, then obtaining an active surface PTFE matrix coated with ferric hydroxide colloid, and heating and reducing the active surface PTFE matrix in a roasting-reduction integrated furnace to obtain a pure iron thin-layer PTFE matrix; pure iron powder, low-carbon steel powder, medium-carbon steel powder and high-carbon steel powder are selected as spraying powder, and a pure iron thin-layer PTFE matrix is sprayed by the spraying sequence of the pure iron powder, the low-carbon steel powder, the pure iron powder, the medium-carbon steel powder, the pure iron powder and the high-carbon steel powder, so that the carbon gradient steel-based coating is obtained. The method has the advantages of high control precision of the thickness of the coating, strong process stability and repeatability, and realization of strong interface and high performance of the carbon gradient steel-based coating.)

在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，特别涉及一种在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的化学稳定性、耐磨性、点绝缘性和抗老化耐力，可用于耐磨损的管道、泵、阀、无线电器材等，但当工作温度大于250℃时，耐磨性能明显下降。涂层技术是解决上述问题的有效方法，但有机高分子材料与涂层材料(如金属材料)的成分及化学键类别差异使其难以形成稳固界面。因此，寻找一种新方法，强化涂层与PTFE基体界面，提高其高温耐磨性能至关重要。

发明内容

本发明是针对常见手段难以有机高分子材料与涂层材料的稳固界面和高温耐磨问题的研发领域现状，提供一种在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现碳梯度钢基涂层的强界面和高性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法，包括以下步骤：

1)将纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体进行超声处理，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，然后进行焙烧、还原处理，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)取纯铁粉、低碳钢粉、中碳钢粉和高碳钢粉为喷涂粉末，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序对纯铁薄层PTFE基体表面进行喷涂，得到碳梯度钢基涂层。

作为本发明的进一步改进，喷洒工艺采用高温紊流喷雾装置，高温紊流喷雾装置的气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒；纯钠金属液温度343℃，紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米。

作为本发明的进一步改进，超声介质为无水乙醇，超声46～62分钟。

作为本发明的进一步改进，氢氧化铁胶体的涂抹厚度1.5～2.8毫米。

作为本发明的进一步改进，焙烧温度为170～220℃、时间为30～60分钟，还原温度和时间为360～440℃、2.0～2.5小时，气氛均为体积1:1的氩氢混合气。

作为本发明的进一步改进，焙烧、还原处理是在焙烧—还原一体炉中进行。

作为本发明的进一步改进，纯铁粉、低碳钢粉、中碳钢粉和高碳钢粉的平均粒度均为0.43微米，纯铁粉的纯度≥99.5％，低碳钢的含碳量0.13～0.21％，中碳钢的含碳量0.32～0.43％，高碳钢的含碳量1.12～1.58％。

作为本发明的进一步改进，喷涂工艺采用脉冲气动双枪喷涂装置，动力气体和保护气体均为体积2:1的氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压350～400伏特，电流103～179安培。

作为本发明的进一步改进，制得的碳梯度钢基涂层的表面硬度大于等于62HRC，界面结合强度大于等于131MPa，涂层厚度误差小于等于122微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.26克/小时。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：

本发明先用高温紊流喷雾装置将纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体进行超声处理，然后得到活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，置于焙烧—还原一体炉中加热还原，得到纯铁薄层PTFE基体；选取纯铁粉、低碳钢粉、中碳钢粉和高碳钢粉为喷涂粉末，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备；其中高温紊流喷雾装置可保证金属钠液体的冲击基体动能及均匀性，提升基体活化效果。氢氧化铁胶体含有氢氧根离子，与活性表面PTFE基体亲和性较好，易于粘附并反应黏着。脉冲气动双枪喷涂装置通过脉冲气流增加粉末动能，适用于喷涂超细粉末。本发明制得的碳梯度钢基涂层的表面硬度大于等于62HRC，界面结合强度大于等于131MPa，涂层厚度误差小于等于122微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.26克/小时。

进一步，通过钠金属液活化、过渡层制备和碳梯度涂层制备技术，充分发挥碳钢硬度和耐磨性优势，是解决有机高分子材料与涂层材料的稳固界面和高温耐磨问题的关键手段。在制备碳梯度钢基涂层过程中，此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现碳梯度钢基涂层的强界面和高性能。

具体实施方式

本发明一种在PTFE基体上制备碳梯度钢基涂层的方法，包括下述步骤：

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、30～60分钟焙烧和360～440℃、2.0～2.5小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压350～400伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

脉冲气动双枪喷涂装置主要由空气压缩机、脉冲控制仪、双喷枪、气氛保护罩和工作台构成。

以下通过具体实施例对本发明的方法进行详细说明。

实施例1

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例2

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例3

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例4

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例1～4制备碳梯度钢基涂层的性能参数见表1所示：

表1

从上表可以得出，本发明制得的碳梯度钢基涂层的表面硬度大于等于62HRC，界面结合强度大于等于131MPa，涂层厚度误差小于等于122微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.26克/小时。

实施例5

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例6

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例7

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例8

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110～170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120～4310，喷射厚度32～46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46～62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5～2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170～220℃、50分钟焙烧和360～440℃、2.1小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13～0.21％低碳钢粉、0.32～0.43％中碳钢粉和1.12～1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2～5赫兹，电压380伏特，电流103～179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例5～8制备碳梯度钢基涂层的性能参数见表2所示：

表2

实施例9

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为170毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4310，喷射厚度46微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理62分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度2.8毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行220℃、30分钟焙烧和440℃、2.5小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.21％低碳钢粉、0.43％中碳钢粉和1.58％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为5赫兹，电压400伏特，电流179安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

实施例10

1)用高温紊流喷雾装置将343℃纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，气体介质为氮气，流量为110毫升/秒，钠金属液紊流雷诺数4120，喷射厚度32微米，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体在无水乙醇进行超声处理46分钟，得到活性表面PTFE基体；

2)在活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，厚度1.5毫米，置于焙烧—还原一体炉中进行170℃、60分钟焙烧和360℃、2.0小时还原，气氛为体积一比一氩氢混合气，得到纯铁薄层PTFE基体；

3)选取平均粒度均为0.43微米的纯铁粉、含碳量0.13％低碳钢粉、0.32％中碳钢粉和1.12％高碳钢粉为喷涂粉末，纯铁粉的纯度≥99.5％，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，动力气体和保护气体均为体积二比一氮氩混合气，脉冲频率为2赫兹，电压350伏特，电流103安培，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。

本发明采用一种钠金属液活化、过渡层制备和碳梯度涂层制备技术，研究高温紊流喷雾工艺参数、过渡层制备工艺、脉冲气动双枪喷涂技术和碳梯度钢基涂层界面及高温耐磨性能的关系，即：对于碳梯度钢基涂层，保持较高界面强度及高温耐磨性能的最佳高温紊流喷雾工艺参数、过渡层制备工艺、脉冲气动双枪喷涂技术。

本发明先用高温紊流喷雾装置将纯钠金属液均匀喷洒PTFE基体表面，待纯钠金属液在空气中冷凝后，基体进行超声处理，然后得到活性表面PTFE基体涂抹氢氧化铁胶体，置于焙烧—还原一体炉中加热还原，得到纯铁薄层PTFE基体；选取纯铁粉、低碳钢粉、中碳钢粉和高碳钢粉为喷涂粉末，将纯铁薄层PTFE基体安装在脉冲气动双枪喷涂装置中，以纯铁粉—低碳钢粉—纯铁粉—中碳钢粉—纯铁粉—高碳钢粉的喷涂顺序，完成碳梯度钢基涂层的制备。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现碳梯度钢基涂层的强界面和高性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。