氧化锆珠
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关于耐磨陶瓷涂层,你了解多少?

作者:zhimo 时间:2021-03-29 阅读量:

  磨损、腐蚀和断裂是设备零部件失效的主要原因,广泛存在于冶金、建筑、电力、机械等领域,而其中磨损问题对零部件的影响最为严重。尤其对于运输设备来说,约80%零件的失效原因是材料磨损。因此,磨损问题受到材料学界的普遍重视。
  
  为了跟上制造业发展的步伐,表面工程技术应运而生。该技术能以低投入实现材料性能的大幅度提高,具有显著的经济效益。近年来,在基体表面制备耐磨陶瓷涂层已成为国内外学者研究的热点。
  
 
  
  耐磨陶瓷涂层性能
  
  SPRING
  
  陶瓷具有高熔点、高硬度、高强度、高化学稳定性、高绝缘能力、低热导率、低热膨胀系数等特点,用作涂层可以有效地提高基体材料的耐磨损、耐高热、耐腐蚀和抗高温氧化等性能。陶瓷具有金属材料难以达到的性能,所以被广泛应用于制备各种陶瓷涂层。耐磨陶瓷将陶瓷的优点和金属材料的韧性结合起来,在材料表面喷涂,可使材料兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性等性能,对于提高社会经济效益、延长零部件的使用寿命具有重要意义。
  
  耐磨陶瓷分类
  
  SPRING
  
  耐磨陶瓷是一种典型的结构陶瓷,主要包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。
  
  氧化物陶瓷是发展和应用都比较早的陶瓷材料,是离子型晶体,其阴阳离子是通过较强离子键结合,因而具有耐高温、高强度、抗氧化性等特点,一般包括熔点高于1730℃的简单的氧化物陶瓷或者复合氧化物陶瓷,如氧化铝、氧化镁、氧化钛、莫来石、尖晶石等。其中一些氧化物陶瓷,如氧化锆、氧化铝等因其化学稳定性、耐磨性等特点广泛应用于人体关节、骨螺钉、耳骨等领域。
  
  氮化物陶瓷起步较晚,自20世纪70年代才开始迅猛发展,几乎都是通过人工合成的,除了具有高强度、高硬度的特点,还具有优良的电学和热学性能。经过多年的研究,氮化物陶瓷的脆性、可靠度等问题都有了明显的改善。历经几十年的发展,氮化硅、氮化铝、氮化硼等氮化物陶瓷作为高强度机械部件、耐腐蚀部件、以及耐磨部件,已经广泛应用于航空航天、机械、冶金等领域。
  
  碳化物陶瓷中应用较多的有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)等,例如SiC用于发动机的涡轮增压器转子,滑动轴承,高温交换器等;碳化硼用作防弹装甲等;碳化钛用于制备刀具。碳化物陶瓷最主要的优点就是熔点高、硬度高,如B4C的硬度仅次于金刚石和CBN。
  
  陶瓷涂层制备方法
  
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  01气相沉积法
  
  气相沉积法分为物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)。PVD技术出现于20世纪70年代末,它是用物理方法在真空条件下将材料气化成离子、原子或者分子沉积在基体表面形成一层保护膜,其工艺过程包括蒸发、传输、反应、和沉积。PVD膜附着力强、耐磨、耐腐蚀,还具有强抗氧化性。CVD是利用气态物质通过化学反应在基体表面形成固体薄膜的技术,它本质上属于原子范畴的气态传质过程,具有以下特点:可以在常压或者真空条件下进行;可以在低温下制备涂层;涂层的结构和纯度可以控制;绕镀性好。
  
  02溶胶凝胶法
  
  溶胶凝胶法(Sol-Gel)制备陶瓷涂层技术是用易于水解的金属醇盐或无机盐在某种溶剂中与水发生反应,经水解缩聚形成溶胶,将溶胶涂覆在金属基体表面,再经干燥、热处理后形成涂层。这种方法可以在低温下进行,并且制备的涂层质量高,但工艺复杂、耗时,膜层易开裂。
  
  03自蔓延高温合成法
  
  自蔓延高温合成法(SHS)是一种通过外部能量诱发产生小范围反应,利用反应物之间产生的高化学反应热促使反应物进行持续自发的化学反应,并在短时间内来合成目标产物的一种新技术,具有低成本、低污染、易制造等优点,其原理如下图所示。
  
 
  
  04热喷涂法
  
  热喷涂法最早是由瑞士的Sehoop在1910年发明的,它是在高温下将涂层材料熔化和雾化,形成熔融或半熔融状态的粒子流,以极高的速度喷涂于金属基体表面上的涂覆方法。热喷涂法适用范围广、涂层效果好、设备简单、高效,不仅用于制备陶瓷涂层,它在零部件修复领域也很有竞争力。
  
  05高温熔烧法
  
  高温熔烧法是在常温下把涂层原料制成料浆,然后将其均匀涂覆于金属表面,经高温熔烧制备成涂层材料。该方法具有设备简单、易于操作的特点,是制备陶瓷涂层的重要方法之一。另外,该方法还可对破损的涂层进行修复,既可以利用高温处理使之自补偿,又可以通过填补料浆后经适当的高温处理来实现。
  
  06激光熔覆
  
  激光熔覆是将具有特殊性能(如耐磨、耐蚀、抗氧化等)的粉末先喷涂在金属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、扩展及快速凝固,在基材表面上形成无裂纹、无气孔的冶金结合层的一种表面改性技术。激光熔覆具有许多优点:应用灵活、耗能小、热输入量低、引起的热变形较小,不需要后续加工或加工量很小,减少公害等。
  
  激光熔覆陶瓷涂层也存在一些不足之处。由于在激光熔覆过程中,熔覆层被快速加热、熔化,然后又急剧冷却,属非平衡凝固,而且涂层材料和基体材料差异较大,再加上激光处理过程中影响因素较多,致使熔覆层质量不易控制,结果常在涂层中出现某些缺陷,如气孔、裂纹、烧损等。
  
  结束语
  
  耐磨陶瓷涂层对提高基体的耐磨性、耐腐蚀性等性能具有明显的效果,在设备零部件的使用过程中十分关键。它的相对耐磨性显著优于常规耐磨材料,广泛用于延长在严重磨损环境下工作的大型部件的寿命,并降低大型磨损部件的能耗,符合国家节能、节材、环保的可持续发展战略。