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耐磨陶瓷涂層性能的發展研究

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耐磨陶瓷涂層性能的發展研究

【摘要】:
磨損、腐蝕和斷裂是設備零部件失效的主要原因,廣泛存在于冶金、建筑、電力、機械等領域,而其中磨損問題對零部件的影響最為嚴重。尤其對于運輸設備來說,約80%零件的失效原因是材料磨損。因此,磨損問題受到材料學界的普遍重視。?(?為了跟上制造業發展的步伐,表面工程技術應運而生。該技術能以低投入實現材料性能的大幅度提高,具有顯著的經濟效益。近年來,在基體表面制備耐磨陶瓷涂層已成為國內外學者研究的熱點。???

磨損、腐蝕和斷裂是設備零部件失效的主要原因,廣泛存在于冶金、建筑、電力、機械等領域,而其中磨損問題對零部件的影響最為嚴重。尤其對于運輸設備來說,約80%零件的失效原因是材料磨損。因此,磨損問題受到材料學界的普遍重視。

 

 

為了跟上制造業發展的步伐,表面工程技術應運而生。該技術能以低投入實現材料性能的大幅度提高,具有顯著的經濟效益。近年來,在基體表面制備耐磨陶瓷涂層已成為國內外學者研究的熱點。

 

 

 

耐磨陶瓷涂層性能

 

陶瓷具有高熔點、高硬度、高強度、高化學穩定性、高絕緣能力、低熱導率、低熱膨脹系數等特點,用作涂層可以有效地提高基體材料的耐磨損、耐高熱、耐腐蝕和抗高溫氧化等性能。陶瓷具有金屬材料難以達到的性能,所以被廣泛應用于制備各種陶瓷涂層。耐磨陶瓷將陶瓷的優點和金屬材料的韌性結合起來,在材料表面噴涂,可使材料兼具金屬的強韌性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨損、耐高溫、耐腐蝕及絕緣性等性能,對于提高社會經濟效益、延長零部件的使用壽命具有重要意義。

           

                                      耐磨陶瓷種類

 

耐磨陶瓷分類

 

耐磨陶瓷是一種典型的結構陶瓷,主要包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。

 

氧化物陶瓷是發展和應用都比較早的陶瓷材料,是離子型晶體,其陰陽離子是通過較強離子鍵結合,因而具有耐高溫、高強度、抗氧化性等特點,一般包括熔點高于1730℃的簡單的氧化物陶瓷或者復合氧化物陶瓷,如氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、莫來石、尖晶石等。其中一些氧化物陶瓷,如氧化鋯、氧化鋁等因其化學穩定性、耐磨性等特點廣泛應用于人體關節、骨螺釘、耳骨等領域。

 

氮化物陶瓷起步較晚,自20世紀70年代才開始迅猛發展,幾乎都是通過人工合成的,除了具有高強度、高硬度的特點,還具有優良的電學和熱學性能。經過多年的研究,氮化物陶瓷的脆性、可靠度等問題都有了明顯的改善。歷經幾十年的發展,氮化硅、氮化鋁、氮化硼等氮化物陶瓷作為高強度機械部件、耐腐蝕部件、以及耐磨部件,已經廣泛應用于航空航天、機械、冶金等領域。

 

碳化物陶瓷中應用較多的有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)等,例如SiC用于發動機的渦輪增壓器轉子,滑動軸承,高溫交換器等;碳化硼用作防彈裝甲等;碳化鈦用于制備刀具。碳化物陶瓷最主要的優點就是熔點高、硬度高,如B4C的硬度僅次于金剛石和CBN。

 

 

陶瓷涂層制備方法

 

1、氣相沉積法

 

氣相沉積法分為物理氣相沉積法(PVD)和化學氣相沉積法(CVD)。PVD技術出現于20世紀70年代末,它是用物理方法在真空條件下將材料氣化成離子、原子或者分子沉積在基體表面形成一層保護膜,其工藝過程包括蒸發、傳輸、反應、和沉積。PVD膜附著力強、耐磨、耐腐蝕,還具有強抗氧化性。CVD是利用氣態物質通過化學反應在基體表面形成固體薄膜的技術,它本質上屬于原子范疇的氣態傳質過程,具有以下特點:可以在常壓或者真空條件下進行;可以在低溫下制備涂層;涂層的結構和純度可以控制;繞鍍性好。

 

2、溶膠凝膠法

 

溶膠凝膠法(Sol-Gel)制備陶瓷涂層技術是用易于水解的金屬醇鹽或無機鹽在某種溶劑中與水發生反應,經水解縮聚形成溶膠,將溶膠涂覆在金屬基體表面,再經干燥、熱處理后形成涂層。這種方法可以在低溫下進行,并且制備的涂層質量高,但工藝復雜、耗時,膜層易開裂。

 

3、自蔓延高溫合成法

 

自蔓延高溫合成法(SHS)是一種通過外部能量誘發產生小范圍反應,利用反應物之間產生的高化學反應熱促使反應物進行持續自發的化學反應,并在短時間內來合成目標產物的一種新技術,具有低成本、低污染、易制造等優點。

 

4、熱噴涂法

 

熱噴涂法最早是由瑞士的Sehoop在1910年發明的,它是在高溫下將涂層材料熔化和霧化,形成熔融或半熔融狀態的粒子流,以極高的速度噴涂于金屬基體表面上的涂覆方法。熱噴涂法適用范圍廣、涂層效果好、設備簡單、高效,不僅用于制備陶瓷涂層,它在零部件修復領域也很有競爭力。

 

(熱噴涂法)

 

5、高溫熔燒法

 

高溫熔燒法是在常溫下把涂層原料制成料漿,然后將其均勻涂覆于金屬表面,經高溫熔燒制備成涂層材料。該方法具有設備簡單、易于操作的特點,是制備陶瓷涂層的重要方法之一。另外,該方法還可對破損的涂層進行修復,既可以利用高溫處理使之自補償,又可以通過填補料漿后經適當的高溫處理來實現。

 

6、激光熔覆

 

激光熔覆是將具有特殊性能(如耐磨、耐蝕、抗氧化等)的粉末先噴涂在金屬表面上或同激光束同步送粉,然后使其在激光束作用下迅速熔化、擴展及快速凝固,在基材表面上形成無裂紋、無氣孔的冶金結合層的一種表面改性技術。激光熔覆具有許多優點:應用靈活、耗能小、熱輸入量低、引起的熱變形較小,不需要后續加工或加工量很小,減少公害等。

 

激光熔覆陶瓷涂層也存在一些不足之處。由于在激光熔覆過程中,熔覆層被快速加熱、熔化,然后又急劇冷卻,屬非平衡凝固,而且涂層材料和基體材料差異較大,再加上激光處理過程中影響因素較多,致使熔覆層質量不易控制,結果常在涂層中出現某些缺陷,如氣孔、裂紋、燒損等。

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