一種用于加熱輥的TiO₂基陶瓷加熱涂層及其制備方法

專利名稱：一種用于加熱輥的TiO₂基陶瓷加熱涂層及其制備方法
技術領域：
本發明屬于材料加工工程中的熱噴涂領域，具體涉及一種用等離子噴涂方 法制備用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層及其制備方法。
背景技術：
造紙、印刷、打印、復印、紡織、橡膠、塑料、化纖等行業的許多生產工 藝如層壓、壓花、干燥、退火、壓光和膜定向等都需要使用加熱輥，特別是對
于薄片巻筒類的產品進行預熱、烘干、定向、層壓、壓紋、壓花等工藝，更適 合用加熱輥對其加工的產品進行加熱或加工。
目前加熱輥的加熱方式主要有液態加熱和電加熱兩種方式。其中，油、水、 蒸汽等液態加熱是傳統的加熱方法，已經使用了幾十年，大多數的液態加熱系 統需要貯液池和加熱設備，需要用泵、旋轉接觸器和管件將液體傳輸給輥子。 由于其維修成本高、不易控溫、能耗大，且容易發生泄漏和銹蝕，壓力容器需 定期檢修等問題，已經越來越少被人們采用。
電加熱主要分電熱管直接加熱和電i茲感應加熱兩種方式。電熱管直接力口熱 是將電熱管直接置入加熱輥內，使熱量在輥子表面均勻分布以達到加熱的目的； 電磁感應加熱則是利用高頻發生器驅動感應加熱線圈，通過感應生熱和熱管技 術使輥子殼體的內表面通過高強度、快速變化的磁場而產熱。由于電加熱在環 境保護、使用壽命、安全性能等方面都具有獨特優勢，越來越受到歡迎，成為 加熱輥的主要加熱方式。但是由于這種加熱方式需要額外的電熱管和感應輔助 設備，成本較高，且輥筒表面加熱溫度不易控制均勻而影響產品質量，對于一 些要求很高的產品難以滿足要求。同時，由于其復雜的結構給溫度檢測帶來了 困難，造成溫度控制精度低，也影響了產品的質量。
陶瓷加熱輥是一種新型的電加熱輥，它利用熱噴涂技術在輥的外表面直接 噴涂各種陶瓷材料，使之形成覆蓋整個輥子表面的薄而均勻的、具有特殊功能 的加熱元件，通過外部電源使輥子表面產生均勻的輻射熱。由于陶資加熱輥采 用的是外部加熱，直接在輥子表面產生熱量，這樣就使得陶瓷加熱輥的表面溫度比內部溫度高，所以這種外部加熱系統比其它的內部加熱系統效率更高，大 大減少了系統能耗。同時，由于陶瓷涂層的硬度高，耐腐蝕性、耐磨損性好， 化學性能穩定，不易氧化，使得陶瓷加熱輥具有生產效率高、產品質量好，加 熱均勻、控溫容易，減少設備維修費用和停工時間，使用壽命長，節能降耗， 操作安全并且能獲得與高成本的感應加熱輥相同的性能。目前，陶瓷加熱輥在 國內尚無相關的報道。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層及其制備方 法。本發明所提供的涂層可以滿足更高溫度范圍內的應用，滿足低電流、高電
壓的工業要求。Al203的加入，可明顯提高涂層的加熱溫度，使涂層可以穩定的
工作在300。C以上。
本發明所提供的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層，包括有直接噴涂 在輥核上的絕緣層，和噴涂在絕緣層之上與絕緣層緊密接觸的一個加熱層；所 述絕緣層使用的材料為絕緣陶瓷材料Ab03粉末，厚度為120~150|im;所述 加熱層使用的材料為半導體特性的陶瓷材料Ti02+Al203的混合粉末，其中， 7102和A1203粉末4安質量百分比為90:10 50:50混合，加熱層的厚度為180-200,。
本發明所提供的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷涂層的制備方法，包括以下 步驟
1) 絕緣層的噴涂釆用等離子噴涂設備將絕緣層的材料Al203粉末噴涂到 經噴砂粗化處理后的輥核之上，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量32~45L/min, 輔氣H2,輔氣流量8~10L/min，送粉氣Ar，送粉氣流量10~12L/min,送粉率 25~40g/min,電流500 550A，槍擺速度25~30mm/s，試件轉速200~300轉/min, 噴涂距離90~110mm。
2) 加熱層的噴涂釆用等離子噴涂設備將加熱層的材料Ti02+Al203粉末噴 涂到絕緣層之上，其中，Ti02和Al203粉末按質量百分比為90:10-50:50混合； 噴涂工藝參數為主氣Ar,主氣流量40~42L/min,輔氣H2，輔氣流量3~9L/min， 送粉氣Ar,送粉氣流量10~12L/min，送粉率30~50g/min，電流550~600A，槍擺速度25 30mm/s,試件轉速200-300轉/min,噴涂距離90 110mrn。
本發明所述的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層，其加熱層的電阻大
小通過調整Ti02與A1203的配比調節。
本發明所述的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層及其制備方法，可以
噴涂于鋼、不銹鋼、黃銅、鋁、玻璃或玻璃鋼合成材料制成的輥核上，尤其是
鋼材料制成的輥核上。 本發明的優勢在于
按照本發明所提制備方法，制備得到的用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂層， 進行通電加熱測試，隨功率的增加，加熱輥的表面溫度均可達到300。C以上，并 且長時間通電，加熱輥涂層體系無異常變化。
本發明所提供的用于加熱輥的陶瓷涂層可以有效解決其他加熱輥所需復雜 輔助設備及加熱不均勻的問題，可加熱溫度更高，具有升溫快、節能、環保、 溫度均勻、安全等特點。


圖1為本發明陶瓷加熱涂層截面示意圖。其中，s為輥核、1為絕緣層、2 為加熱層、3為電才及銅片。
圖2為本發明陶瓷加熱涂層結構示意圖。
圖3為本發明陶瓷加熱涂層功率隨溫度變化曲線
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明作進一步闡述。 下列實施例中均選用長150mm、直徑32mm、壁厚3mm的20號低-灰鋼管 為輥核s，在輥核s之上依次噴涂絕緣層1和加熱層2，在加熱層2兩端設有電 極銅片3,結構如圖2所示。
下列實施例中所使用的Al203粉末、Ti02粉末均為市售商品。其中八1203粉 末純度為98°/。以上，粒徑為20~40)Lim, 1102粉末純度為98%以上，粒徑為20-40|um。加熱層的Ti02與A1203的配比見表1。
表1 Ti02與A1203不同配比的陶瓷加熱涂層 編號 材料TA10 90 wt.% Ti02+10 wt.% A1203 TA20 80 wt.% TiO2+20 wt.% A1203
TA30 70 wt% Ti02+30 wt.% A1203
TA40 60 wt.% TiO2+40 wt0/o A1203 TA50_50 wt.% TiO2+50 wt% A1203
實施例1
1)采用等離子噴涂設備在經過噴砂粗化處理的鋼管表面噴涂絕緣層1，絕 緣層1的材料為Al203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量32L/min,輔 氣H2，輔氣流量8L/min，送粉氣Ar，送粉氣流量10L/min,送粉率25g/min, 電流550A,槍擺速度25mm/s,試件轉速300轉/min，噴涂距離90mm，絕緣層 1的厚度為120|xm;
2 )采用等離子噴涂設備在絕緣層1表面噴涂加熱層2,加熱層2的材料為 90 wt.% TiO2+10 wt.%八1203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量40L/min， 輔氣H2，輔氣流量6L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量10L/min，送粉率30g/min， 電流550A，槍擺速度25mm/s，試件轉速300轉/min，噴涂距離90mm,加熱層 2的厚度為180pm。加熱層2室溫電阻為21.70Q。在加熱層2兩端約lcm寬處 加電極銅片3,使加熱層2與電極3緊密接觸。對加熱輥進行通電測試，加熱輥 可以加熱到330。C，加熱輥涂層體系無異常變化。陶瓷加熱涂層功率隨溫度變化 規律見圖3中的TA10曲線。
實施例2
1) 采用等離子噴涂設備在經過噴砂粗化處理的鋼管表面噴涂絕緣層1,絕 緣層1的材料為Al203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar,主氣流量32L/min,輔 氣H2，輔氣流量8L/min，送粉氣Ar，送粉氣流量10L/min，送粉率25g/min， 電流550A,槍擺速度25mm/s,試件轉速300轉/min，噴涂距離100mm,絕緣 層1的厚度為120pm;
2) 采用等離子噴涂設備在絕緣層1表面噴涂加熱層2，加熱層2的材料為 80wt.%TiO2+20 wt.。/。Al203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar,主氣流量40L/min， 輔氣&，輔氣流量6L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量10L/min，送粉率30g/min，電流550A，槍擺速度25mm/s,試件轉速300轉/min，噴涂距離100mm，加熱 層2的厚度為180jim。加熱層2室溫電阻為72.30Q。在加熱層2兩端約lcm寬 處加電極銅片3，使加熱層2與電極3緊密接觸。對加熱輥進行通電測試，加熱 輥可以加熱到360。C，加熱輥涂層體系無異常變化。陶瓷加熱涂層功率隨溫度變 化規律見圖3中的TA20曲線。 實施例3
1) 采用等離子噴涂設備在經過噴砂粗化處理的鋼管表面噴涂絕緣層1，絕 緣層1的材料為八12034分末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量35L/min，輔 氣H2，輔氣流量9L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量11L/min,送粉率35g/min, 電流525A，槍擺速度27mm/s,試件轉速250轉/min，噴涂距離100mm，絕緣 層1的厚度為140nm;
2) 采用等離子噴涂設備在絕緣層1表面噴涂加熱層2，加熱層2的材料為 70 wt.% TiO2+30 wt.% A1203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量42L/min， 輔氣H2，輔氣流量3L/min，送粉氣Ar，送粉氣流量12L/min，送粉率45g/min， 電流600A,槍擺速度27mm/s,試件轉速250轉/min，噴涂距離100mm，加熱 層2的厚度為195|im。加熱層2室溫電阻為143.5Q。在加熱層2兩端約lcm寬 處加電極銅片3，使加熱層2與電極3緊密接觸。對加熱輥進行通電測試，加熱 輥可以加熱到360。C,加熱輥涂層體系無異常變化。陶資加熱涂層功率隨溫度變 化規律見圖3中的TA30曲線。
實施例4
1) 采用等離子噴涂設備在經過噴砂粗化處理的鋼管表面噴涂絕緣層1,絕 緣層1的材料為Al203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量45L/min，輔 氣H"輔氣流量10L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量12L/min，送粉率40g/min, 電流500A,槍擺速度25mm/s，試件轉速300轉/min，噴涂距離100mm,絕緣 層1的厚度為150pm;
2) 采用等離子噴涂設備在絕緣層1表面噴涂加熱層2，加熱層2的材料為 60 wt.% TiO2+40 wt.°/。 A1203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar，主氣流量42L/min, 輔氣H2，輔氣流量9L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量12L/min,送粉率40g/min，電流550A,槍擺速度25mm/s，試件轉速300轉/min，噴涂距離100mm,加熱 層2的厚度為190pm。加熱層2室溫電阻為80.30Q。在加熱層2兩端約lcm寬 處加電極銅片3,使加熱層2與電極3緊密接觸。對加熱輥進行通電測試，加熱 輥可以加熱到490。C，加熱輥涂層體系無異常變化。陶瓷加熱涂層功率隨溫度變 化規律見圖3中的TA40曲線。 實施例5
1) 采用等離子噴涂設備在經過噴砂粗化處理的鋼管表面噴涂絕緣層1,絕 緣層1的材料為Al203粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar,主氣流量45L/min,輔 氣H2，輔氣流量10L/min，送粉氣Ar，送粉氣流量12L/min,送粉率40g/min， 電流500A，槍擺速度30mm/s，試件轉速200轉/min，噴涂距離110mm，絕緣 層1的厚度為150|im;
2) 采用等離子噴涂設備在絕緣層1表面噴涂加熱層2，加熱層2的材料為 50wt.。/。TiC)2+50wt.。/。Al2O3粉末，噴涂工藝參數為主氣Ar,主氣流量42L/min， 輔氣H2，輔氣流量6L/min,送粉氣Ar，送粉氣流量12L/min，送粉率50g/min， 電流600A,槍擺速度30mm/s，試件轉速200轉/min，噴涂距離110mm，加熱 層2的厚度為200^m。加熱層2室溫電阻為131.20Q。在加熱層2兩端約lcm 寬處加電極銅片3,使加熱層2與電極3緊密接觸。對加熱輥進行通電測試，加 熱輥可以加熱到450°C，加熱輥涂層體系無異常變化。陶瓷加熱涂層功率隨溫度 變化規律見圖3中的TA50曲線。
權利要求
1、一種用于加熱輥的TiO2基陶瓷加熱涂層，其特征在于，包括有直接噴涂在輥核(S)上的絕緣層(1)，和噴涂在絕緣層(1)之上與絕緣層(1)緊密接觸的一個加熱層(2)；其中，絕緣層(1)的組成為Al2O3粉末，厚度為120～150μm；加熱層(2)的組成為TiO2+Al2O3粉末，TiO2和Al2O3粉末按質量百分比為90∶10～50∶50混合，加熱層(2)的厚度為180～200μm。
2、 根據權利要求1所述的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂 層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1) 絕緣層(1 )的噴涂采用等離子噴涂設備將絕緣層(1 )的 材料Al203粉末，噴涂到經噴砂粗化處理后的輥核之上，噴涂工藝參 數為主氣Ar,主氣流量32~45L/min，輔氣H2，輔氣流量8~10L/min, 送粉氣Ar，送粉氣流量10~12L/min,送粉率25~40g/min,電流 500-550A，槍擺速度25 30mm/s,試件轉速200 300轉/min，噴涂距 離9(M10mm;2) 加熱層(2)的噴涂采用等離子噴涂設備將加熱層(2)的 材料1102+^203粉末，噴涂到絕緣層(1)之上，其中，1102和A1203 粉末按質量百分比為90:10-50:50混合；噴涂工藝參數為主氣Ar, 主氣流量40~42L/min,輔氣112,輔氣流量3 9L/min,送4分氣Ar,送 粉氣流量10~12L/min，送粉率30~50g/min，電流550 600A，槍擺速 度25 30mm/s，試件轉速200-300轉/min，噴涂距離90-110mm。
3、 根據權利要求1所述的一種用于加熱輥的Ti02基陶瓷加熱涂 層，其特征在于加熱層(2)的電阻大小通過調整TiCb與八1203的配 比調節。
全文摘要
本發明公開了一種用于加熱輥的TiO₂基陶瓷加熱涂層及其制備方法，屬于材料加工工程中的熱噴涂領域。本發明所提供的陶瓷涂層，包括有直接噴涂在輥核(S)上的絕緣層(1)，和噴涂在絕緣層(1)之上與絕緣層(1)緊密接觸的加熱層(2)。絕緣層(1)和加熱層(2)均采用等離子噴涂設備噴涂。本發明所提供的用于加熱輥的陶瓷涂層及其制備方法，可以有效解決其他加熱輥所需復雜輔助設備及加熱不均勻的問題，可加熱溫度更高，具有升溫快、節能、環保、溫度均勻、安全等特點。
文檔編號C23C4/10GK101588656SQ200910087708
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者正 周, 麗 崔, 李曉延, 班書英, 程雙才, 蔣建敏, 賀定勇, 然 馬 申請人:北京工業大學