氧化鋯珠
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關於耐磨陶瓷塗層,你了解多少?

作者:zhimo 時間:2021-03-29 閱讀量:

  磨損、腐蝕和斷裂是設備零部件失效的主要原因,廣泛存在於冶金、建築、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。尤其對於運輸設備來說,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。
  
  為了跟上製造業發展的步伐,表麵工程技術應運而生。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,在基體表麵製備耐磨陶瓷塗層已成為國內外學者研究的熱點。
  
 
  
  耐磨陶瓷塗層性能
  
  SPRING
  
  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、低熱膨脹係數等特點,用作塗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,所以被廣泛應用於製備各種陶瓷塗層。耐磨陶瓷將陶瓷的優點和金屬材料的韌性結合起來,在材料表麵噴塗,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,對於提高社會經濟效益、延長零部件的使用壽命具有重要意義。
  
  耐磨陶瓷分類
  
  SPRING
  
  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,一般包括熔點高於1730℃的簡單的氧化物陶瓷或者複合氧化物陶瓷,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於人體關節、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。曆經幾十年的發展,氮化矽、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,已經廣泛應用於航空航天、機械、冶金等領域。
  
  碳化物陶瓷中應用較多的有碳化矽(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)等,例如SiC用於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;碳化鈦用於製備刀具。碳化物陶瓷最主要的優點就是熔點高、硬度高,如B4C的硬度僅次於金剛石和CBN。
  
  陶瓷塗層製備方法
  
  SPRING
  
  01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技術出現於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麵形成一層保護膜,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麵形成固體薄膜的技術,它本質上屬於原子範疇的氣態傳質過程,具有以下特點:可以在常壓或者真空條件下進行;可以在低溫下製備塗層;塗層的結構和純度可以控製;繞鍍性好。
  
  02溶膠凝膠法
  
  溶膠凝膠法(Sol-Gel)製備陶瓷塗層技術是用易於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,將溶膠塗覆在金屬基體表麵,再經幹燥、熱處理後形成塗層。這種方法可以在低溫下進行,並且製備的塗層質量高,但工藝複雜、耗時,膜層易開裂。
  
  03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範圍反應,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,並在短時間內來合成目標產物的一種新技術,具有低成本、低汙染、易製造等優點,其原理如下圖所示。
  
 
  
  04熱噴塗法
  
  熱噴塗法最早是由瑞士的Sehoop在1910年發明的,它是在高溫下將塗層材料熔化和霧化,形成熔融或半熔融狀態的粒子流,以極高的速度噴塗於金屬基體表麵上的塗覆方法。熱噴塗法適用範圍廣、塗層效果好、設備簡單、高效,不僅用於製備陶瓷塗層,它在零部件修複領域也很有競爭力。
  
  05高溫熔燒法
  
  高溫熔燒法是在常溫下把塗層原料製成料漿,然後將其均勻塗覆於金屬表麵,經高溫熔燒製備成塗層材料。該方法具有設備簡單、易於操作的特點,是製備陶瓷塗層的重要方法之一。另外,該方法還可對破損的塗層進行修複,既可以利用高溫處理使之自補償,又可以通過填補料漿後經適當的高溫處理來實現。
  
  06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)的粉末先噴塗在金屬表麵上或同激光束同步送粉,然後使其在激光束作用下迅速熔化、擴展及快速凝固,在基材表麵上形成無裂紋、無氣孔的冶金結合層的一種表麵改性技術。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,不需要後續加工或加工量很小,減少公害等。
  
  激光熔覆陶瓷塗層也存在一些不足之處。由於在激光熔覆過程中,熔覆層被快速加熱、熔化,然後又急劇冷卻,屬非平衡凝固,而且塗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製,結果常在塗層中出現某些缺陷,如氣孔、裂紋、燒損等。
  
  結束語
  
  耐磨陶瓷塗層對提高基體的耐磨性、耐腐蝕性等性能具有明顯的效果,在設備零部件的使用過程中十分關鍵。它的相對耐磨性顯著優於常規耐磨材料,廣泛用於延長在嚴重磨損環境下工作的大型部件的壽命,並降低大型磨損部件的能耗,符合國家節能、節材、環保的可持續發展戰略。