Zn玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究王超会郝光照刘剑虹杨长龙董刚赵家林李宁.docx

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Zn玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究王超会郝光照刘剑虹杨长龙董刚赵家林李宁

Zn_玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究_王超会郝光照刘剑虹杨长龙董刚赵家林李宁

第33卷第2期

2014年2月硅酸盐通报BULLETINOFTHECHINESECEＲAMICSOCIETYVol．33No．2February，2014

Zn-玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究

刘剑虹，杨长龙，董王超会，郝光照，刚，赵家林，李宁

（齐齐哈尔大学材料科学与工程学院通用聚合物复合改性工程技术中心，齐齐哈尔161006）

摘要：

利用储存丰富的天然玄武岩制备了一种可用于金属表面防护的低成本的热喷涂粉体，并对其性能进行了研究。

在天然的玄武岩中添加金属氧化物降低其熔点，然后与Zn粉混合采用聚合造粒的方法制粉。

采用霍尔流速仪测试了粉体的流动速率及松装密度，利用同步热分析仪对各粉体进行了热分析，采用氧-乙炔火焰喷涂工艺在45#钢表面制备了涂层，利用扫描电子显微镜和X射线衍射分析仪对粉体及其涂层的形貌和结构进行了分析。

结果表明：

聚合造粒玄武岩颗粒由非晶态结构的玄武岩和晶态结构的Zn组成；改性后的Zn-玄武岩复合粉体的松装密度显著增加、流动性明显提高。

改性后的Zn-玄武岩复合粉体在热喷涂过程中熔融更加充分，得到的涂层致密度明显提高，涂层结合强度较好。

关键词：

天然玄武岩；改性；聚合造粒；涂层

中图分类号：

TG178文献标识码：

A1625（2014）02-0420-06文章编号：

1001-

PreparationandStudyofZinc-BasaltComposite

PowderforThermalSpraying

WANGChao-hui，HAOGuang-zhao，LIUJian-hong，YANGChang-long，DONGGang，ZHAOJia-lin，LINing

（GeneralPolymerCompositeModifiedEngineeringTechnologyCenter，

CollegeofMaterialsScienceandEngineeringofQiqihaerUniversity，Qiqihaer161006，China）

Abstract：

Inthispaper，thepowderforthermalspraywhichcanbeusedasprotectionofmetalsurfaceswaspreparedbystockedrawbasaltrockinlowprice，anditsperformancehasbeenstudied．Themeltingpointofrawbasaltrockwasdecreasedbyaddingmetaloxidetoit，thenthiscompoundandZnicweremillingbyapplyingpolymerizedgranulationmethod．TheHallcurrentmeterwasusedtomeasuretheflowrateandloosedensityofpowder．Thebasaltcoatingonthesurfaceof45#steelwasproducedbyflamespraying．ThemorphologyofthepowdersandthestructureofthecoatingwereshowedbySEM，XＲDandthethermalpropertyanalyzedbytheDSC．Theresultsshowthatthefluidityofthebasaltpowderisimprovedafterthemodified．PolymerizationgranulationbasaltparticleismadeupofbasaltwhichstructureisamorphousandZincwithcrystallinestructure．

Keywords：

rawbasalt；modified；polymerizedgranulation；coating

1引言

在地球表面具有非常大的储存量，在岩石中属于低熔点矿石，熔点为1500℃左玄武岩属于基性喷出岩，

［1］右。

当玄武岩熔化后冷却速度很快，其组织结构为非晶态，如果冷却速度较慢时它达到100℃/s以上时，

基金项目：

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531771）

），男，副教授．主要从事材料表面改性方面的研究．作者简介：

王超会（1980-

mail：

guangzhao1005@163．com通讯作者：

刘剑虹．E-

第2期王超会等：

Zn-玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究

［2］

421

的组织结构为矿物晶体结构

。

玄武岩的主要成分有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O等［3］。

它的体

3

抗压强度可高达340MPa以上。

玄武岩具有较强的耐腐蚀、积密度为2．8～3．3g/cm，抗磨、抗压、耐高温和

［4-6］，因此，绝缘性能，同时还具有良好的保温特点其制品具有广泛的应用前景。

虽然玄武岩是一种低熔点矿石，但是作为热喷涂的喂料时，它的熔点还是太高，不利于粉体的熔融和沉

积。

本研究通过对天然玄武岩进行改性，降低其熔点，改善其流动性，使其能在基体表面形成性能优良的涂层。

玄武岩具有非常大的储存量，利用它制备喷涂喂料，在合理利用资源的同时也极大的降低了喷涂成本。

2

2．1

实验

实验材料及设备

45#钢，Na2O，工业用氧气、乙炔。

实验室分析纯CaO、天然玄武岩（来自黑龙江省齐齐哈尔市龙江县），

天然玄武岩的化学成分如表1所示。

表1

Tab．1

Chemicalcomposition

Massfraction

O50．54

Si17．62

天然玄武岩的主要化学成分

/wt%

Mg4．03

Na0．82

K0．33

Al4．66

Fe2．38

Ca2．95

ChemicalcompositionoftheＲawBasalt

主要实验仪器设备：

100×60型颚式破碎机、滚动式球磨机、高温箱式电阻炉、霍尔流速仪，振动分级筛，

AXS公司D8型X射线衍射仪、3400型扫描电子显微镜、德国BＲUKEＲ-日立S-美国TA公司STA449F3型TG-DSC同步热分析仪，英国LLOYD公司LＲ50KN型材料试验机。

2．2

粉体的制备

（1）采用颚式破碎机将天然玄武岩破碎，然后放入球磨机中球磨至粒径为40μm左右的颗粒，用标准筛过筛得到天然玄武岩颗粒（ＲawBasaltParticles，下文简称ＲBP）；

（2）将ＲBP与适量的CaO和Na2O均匀混合后放入高温箱式电阻炉中加热熔融，保温1h使熔融体系均匀稳定后，立即将其倒入准备好的冷水中淬冷，由于玄武岩的降温速度很快，达到100℃/s以上时，冷却以后其组织结构为非晶态，干燥后球磨得到非晶态的玄武岩粉末；

（3）采用标准筛选取过300目筛子的玻璃态玄武岩粉，向其中添加一定比例的粒径小于325目的Zn粉和适量的质量分数为5%的PVA溶液，匀速搅拌对粉末进行聚合造粒，干燥后分筛，选取粒径在200到300目之间的Zn-玄武岩复合粉末（CompositeParticles），下文简称CP用于热喷涂。

2．3粉体及涂层性能的表征

2010中的粉末的流动速率及粉末的粒径利用标准振动分级筛分级处理，参照国家检测标准GB/T1482-松装密度的实验标准对粉体的流动速率及松装密度进行测量。

利用扫描电子显微镜（SEM）观察粉体形貌DSC同步热分析仪对及成分和涂层结构特征；利用X射线衍射分析仪（XＲD）对各粉体进行分析；利用TG-E2000-7/H粉末火焰喷涂枪，各粉体进行了热分析；采用QT-氧气压力0．45MPa，乙炔压力0．09MPa，喷涂距离10～15cm，线扫描速度80mm/s，在经过喷砂处理、喷涂过镍铝打底层的45#钢基体表面制备涂层；参

2002利用材料试验机对涂层与基体的结合强度进行检测，照国家检测标准GB/T8642-利用扫描电子显微镜观察涂层的表面和截面的形貌。

3

3．1

结果与讨论

粉体的形貌分析

本文利用扫描电子显微镜（SEM）对ＲBP和CP两种粉体的表面形貌特征、结构进行了分析。

图1是两

种颗粒的SEM图片。

ＲBP存在明显的尖锐的棱角，如图1a所示，颗粒大小不均且形状不规则，有的颗粒呈片状，有的颗粒呈

422试验与技术硅酸盐通报第33

卷

图1

Fig．1ＲBP（a）和CP（b）的SEM图SEMimagesofＲBP（a）andCP（b）

并且还有颗粒团聚现象。

不规则的形状会大大降低粉体的流动性能，影响喷涂的效果。

由图1b可棱体状，

知，与ＲBP相比CP更趋于圆滑，粉体颗粒分布相对均匀，超细粉的量明显减少，颗粒团聚现象得到改善，且颗粒形状更趋近于球形。

因为CP是在粉体中添加了Zn粉和PVA在机械搅拌的作用下聚合造粒形成的颗粒，大大改善了颗粒的形状。

粉末形状越接近于球形，在随着热喷涂火焰飞行过程中受到的空气阻力越小，形成的涂层致密性和结合强度都更好；形状不规则的粉末颗粒间具有较大的内摩擦力以及产生的“架棚现

［7］象”，会降低粉体的流动性。

3．2粉体的结构分析

图2是采用X射线衍射分析仪（XＲD）对两种粉体进行分析得到的谱图，图3是CP的EDS图片

。

图2

Fig．2ＲBP（a）和CP（b）的XＲD图谱XＲDpatternsofＲBP（a）andCP（b

）

图3

Fig．3CP的EDS图片EDSpictureofCP

ＲBP的谱图含有大量的衍射峰，ＲBP的组成结构主要是晶态结构，因为它是由天然玄武由图2a可见，

［8］岩矿石经过粉碎直接制成的，玄武岩主要矿物成分为辉石和斜长石，次要矿物为橄榄石，从图2a中可看出

第2期王超会等：

Zn-玄武岩复合热喷涂粉体的制备与研究423ＲBP由斜长石矿物、镁橄榄石、辉石、钛铁矿等矿物成分组成；由图2b可知CP的谱图由大量的弥散型的峰和少量尖锐型的峰组成，图中的尖锐的峰是Zn的衍射特征峰。

CP是由经过高温熔融、水淬处理后得到的玄武岩粉体和Zn粉组成，经过高温水淬后的玄武岩降温速度非常快，其结构呈非晶态结构，所以CP的结构由

CP中的确有大量Zn的存在，非晶态结构的玄武岩和晶态结构的Zn组成，由图3可得到，且Zn颗粒与玄武

岩颗粒在PVA的作用下机械的结合在了一起，这也是CP的形状得到改善的原因所在。

3．3粉体的流动速率和松装密度的分析

对于热喷涂粉末而言，流动速率和松装密度是非常重要的两个性质。

ＲBP和CP两种颗粒的松装密度和流动速率如表2所示。

表2

Tab．2

Powder

Ｒawbasaltpowder

Compositepowder两种粉体的流动速率和松装密度LoosedensityandflowrateofpowderLoosedensity/g·cm1．0751．287-3Flowrate/g·s-10．2920．675

由表2可知：

经过聚合造粒得到的CP的松装密度和流动速率与ＲBP相比均有明显的增加。

ＲBP的形

［9］状很不规则，过多的棱角增加它们在流动过程中的阻力，从而降低了它们的流动速率，同时它形成的“架

棚现象”产生的空间使得粉体堆积时的体积增大，进而使得它们的松装密度较小。

CP是在粉体中添加Zn粉后经过聚合造粒制得的，颗粒的形状与ＲBP相比得到明显的改善，从而增加粉体的流动速率和松装密度。

3．4DSC测试结果分析粉体的TG-

DSC同步热分析仪对各粉体的热性能进行了分析，DSC曲线图

。

本文利用TG-图4是ＲBP和CP的TG-

图4

Fig．4ＲBP（a）和CP（b）的TG-DSC图TG-DSCdiagramofＲBP（a）andCP（b）

观察分析图4，图4a在600℃左右和900℃左右出现放热峰，同时重量均有明显的降低，在470℃左右和700℃左右出现吸热峰，同时试样的质量没有明显变化。

因为ＲBP在加热到600℃左右时，硅酸盐晶体中失去结晶化合水吸热，导致失重。

在加热到900℃左右时，部分碳酸盐开始分解吸热，产生气体挥发，使得试样失重。

两个放热峰是因为晶型转变放热产生的，热稳定性较好。

可见ＲBP在加热熔融过程中，有较多的晶型转变和相变过程产生，且粉末的重量明显减少，失重率约为18%，热稳定性较差，对热喷涂过程和涂层的形成极为不利。

如图4b所示，加热过程中，在750℃左右和1250℃左右均有一个明显的放热峰，这是

CP的高温析晶放热，由于析晶放热产生的放热峰，失重率约为2%，有较好的热稳定性。

在热喷涂过程中，

可以为粉体颗粒的熔融提供热量。

因为CP中非晶态结构的该性玄武岩处于亚稳定状态，能量没有达到最低状态，它没有固定的熔点，只有一个软化温度范围，而它开始软化的温度比晶态结构的玄武岩的熔点要低，故在喷涂的过程中吸收相同的热量，非晶态结构的改性玄武岩熔融的更加充分，甚至在温度升高的过程中发生析晶放热促进粉体熔融，从而提高粉体的熔融率和有利于获得良好的涂层。

424试验与技术硅酸盐通报第33卷

3．5聚合造粒玄武岩涂层分析

利用CP作为喷涂喂料，采用火焰喷涂工艺在经过预处理的45#钢基体表面制备了CP涂层。

在涂层形成的过程中，由于CP中添加的Zn粉的熔点低于玄武岩的熔点，增加粉体的熔融度，使熔滴在金属基体表面更好的铺展，从而增加涂层与基体的结合强度，另一方面，完全熔融的Zn熔滴会流入熔融或半熔融的玄武岩空隙中，达到降低涂层孔隙率的目的。

图5是CP粉体的火焰喷涂涂层的表面和截面的SEM图片

。

图5

Fig．5CP涂层的表面形貌（a）和截面形貌（b）SEM图片SEMimagesofsurfaceandcross-sectionalmorphologyofCPcoating

采用氧乙炔火焰喷涂工艺以CP为喷涂材料能够在金属基体形成了较好的涂层，颗由图5a和5b可知，

粒大部分熔融状态良好，涂层属于层状结构，具有一定的结合强度，约为13．5MPa，涂层与基体的结合方式主要为机械嵌合，涂层与基体、涂层之间结合良好，咬合紧密，界面之间无明显间隙或者分离现象，由于喷涂时，喷涂粒子从碰撞到凝固的时间很短，熔化颗粒无法达到前一个已铺开的小薄片边角处，从而涂层中必出现孔隙。

涂层表面分布有细小的球形粒子，当熔融的粒子在较大的冲击压力下撞击到凹凸不平的已沉积的涂层上时，易发生脆性破碎形成飞溅［10］。

这些小颗粒就是由飞溅的固、液态小颗粒互相粘连凝固而成。

涂层层状结构的形成是由于火焰喷涂时熔化状态粉末粒子以高速喷向基体表面，经层层叠加形成层状不连续结构，粒子喷射到基体表面上经过撞击、变形、冷凝等过程，特别是有些粒子仅表层熔化，在喷涂过程中不

［11］可能完全展平，难以填充到其它颗粒的孔隙中去或是完全将孔隙填满，从而造成涂层分层、多孔结构。

4结论

（1）ＲBP的结构为晶态结构，CP由非晶态结构的玄武岩和晶态结构的Zn组成；聚合造粒后得到的CP，其流动速率和松装密度均有显著增加；

（2）天然玄武岩经过改性后，粉体的热稳定性有较大的提高，CP在喷涂过程中，会有析晶放热现象，能够促进粉体的熔融；

（3）利用Zn-玄武岩复合粉体，采用氧-乙炔火焰喷涂工艺在金属基体上形成的涂层结构为层状结构，具有较好的结合强度。

参

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毃第二十届全国玻璃钢/复合材料学术年会征文通知20thANNUALACADEMICCONFEＲENCEONFＲP/CMCALLSFOＲPAPEＲ2014年恰逢《玻璃钢/复合材料》期刊创刊40周年和中国硅酸盐学会玻璃钢分会举办第二十届全国玻璃钢/复合材料学术年会，同时也是国内高校开办玻璃钢/复合材料学科专业走过四十年。

玻璃钢“老三所三校”（“老三所”学会将携手玻璃钢/复合材料行业指北京玻璃钢研究设计院、哈尔滨玻璃钢研，“老三校”究院和上海玻璃钢研究院指武汉理工大学、哈尔滨工业大学和华东理工大学）6个单位共同“第二十届全国玻璃钢/复合材料学术交流会暨中国玻璃钢/复合材料学术发展回顾与展望”举办活动。

现开始征集年会主题报告及学术论文，年会学术论文集（玻璃钢/复合材料增刊）将于2014年9月出版发行。

本次会议将评选优秀论文一等奖1篇、二等奖2篇、三等奖5篇，对参与大会交流的作者将颁发学术会议交流荣誉证书。

欢迎玻璃钢/复合材料行业全体同仁和各高校师生撰写论文，并参加会议。

年会其他事宜将另行通知，敬请关注中国复合材料网（www．frp．cn）。

征文内容及要求:

1．论文范围:

（1）基础研究;

（2）材料研究;（3）基本性能;（4）复合材料力学及设计;（5）成型工艺;（6）设备及模具等;（7）测试技术及标准;（8）产品研究、开发应用及管理等;（9）基础设施、航空航天、风力发电、轨道交通、电力及桥梁等复合材料有关;（10）国内外玻璃钢/复合材料及原辅材料发展现状的综述等;（11）有关我国复合材料行业的热点问题的讨论。

2．投稿方式及要求:

mail投稿，mail投稿应该注意:

本届年会论文全文采用E-欢迎采用word文件。

照片与图另附。

E-grayscale（黑白灰度）模式扫描成JPG格式存盘。

②图表插图的分辨①照片插图应以300dpi的分辨率，mail时附注你的E-mail邮箱。

来稿请注明作者的通讯地址、率不限，力求清晰;③请在发E-邮编及电话，以便联系。

（投稿邮箱:

frpcm@frp．cn论文要求文字严谨，论据准确，图表清晰，并附有中英文论文题目、姓名、单位、摘要及关键词。

每篇论文原则上限6000字以内。

来稿务必注明“第二十届年会征文”以及论文所属类别。

3．截止日期:

征文截止日期为2014年7月31日。

4．其他事项:

经评审录用的论文免收版面费。

作者可以低于工本费的优惠价获取论文集。

编辑部地址：

北京市亦庄经济开发区经海四路25号院6号楼6层（101111）话：

（010）67832070投稿邮箱：

frpcm@frp．cn电联系人：

刘青张文玲传真：

（010）67832027櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃