磨損、腐蝕和斷裂是設(shè)備零部件失效的主要原因，廣泛存在于冶金、建筑、電力、機(jī)械等領(lǐng)域，而其中磨損問題對(duì)零部件的影響嚴(yán)重。尤其對(duì)于運(yùn)輸設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(xué)界的普遍重視。
為了跟上制造業(yè)發(fā)展的步伐，表面工程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)能以低投入實(shí)現(xiàn)材料性能的大幅度提高，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，在基體表面制備耐磨陶瓷涂層已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
耐磨陶瓷涂層性能
陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣能力、低熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，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(dá)到的性能，所以被廣泛應(yīng)用于制備各種陶瓷涂層。耐磨陶瓷將陶瓷的優(yōu)點(diǎn)和金屬材料的韌性結(jié)合起來(lái)，在材料表面噴涂，可使材料兼具金屬的強(qiáng)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(duì)于提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、延長(zhǎng)零部件的使用壽命具有重要意義。
耐磨陶瓷分類
耐磨陶瓷是一種典型的結(jié)構(gòu)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(fā)展和應(yīng)用都比較早的陶瓷材料，是離子型晶體，其陰陽(yáng)離子是通過較強(qiáng)離子鍵結(jié)合，因而具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗氧化性等特點(diǎn)，一般包括熔點(diǎn)高于1730℃的簡(jiǎn)單的氧化物陶瓷或者復(fù)合氧化物陶瓷，如氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、莫來(lái)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(xué)穩(wěn)定性、耐磨性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于人體關(guān)節(jié)、骨螺釘、耳骨等領(lǐng)域。
氮化物陶瓷起步較晚，自20世紀(jì)70年代才開始迅猛發(fā)展，幾乎都是通過人工合成的，除了具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)，還具有優(yōu)良的電學(xué)和熱學(xué)性能。經(jīng)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進(jìn)步。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，氮化硅、氮化鋁、氮化硼等氮化物陶瓷作為高強(qiáng)度機(jī)械部件、耐腐蝕部件、以及耐磨部件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、冶金等領(lǐng)域。
碳化物陶瓷中應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子，滑動(dòng)軸承，高溫交換器等；碳化硼用作防彈裝甲；碳化鈦用于制備刀具。碳化物陶瓷主要的優(yōu)點(diǎn)就是熔點(diǎn)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
01
氣相沉積法
氣相沉積法分為物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法(CVD)。PVD技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)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(hù)膜，其工藝過程包括蒸發(fā)、傳輸、反應(yīng)、和沉積。PVD膜附著力強(qiáng)、耐磨、耐腐蝕，還具有強(qiáng)抗氧化性。CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)在基體表面形成固體薄膜的技術(shù)，它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程，具有以下特點(diǎn)：可以在常壓或者真空條件下進(jìn)行；可以在低溫下制備涂層；涂層的結(jié)構(gòu)和純度可以控制；繞鍍性好。
02
溶膠凝膠法
溶膠凝膠法(Sol-Gel)制備陶瓷涂層技術(shù)是用易于水解的金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解縮聚形成溶膠，將溶膠涂覆在金屬基體表面，再經(jīng)干燥、熱處理后形成涂層。這種方法可以在低溫下進(jìn)行，并且制備的涂層質(zhì)量高，但工藝復(fù)雜、耗時(shí)，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(fā)產(chǎn)生小范圍反應(yīng)，利用反應(yīng)物之間產(chǎn)生的高化學(xué)反應(yīng)熱促使反應(yīng)物進(jìn)行持續(xù)自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，并在短時(shí)間內(nèi)來(lái)合成目標(biāo)產(chǎn)物的一種新技術(shù)，具有低成本、低污染、易制造等優(yōu)點(diǎn)，其原理如下圖所示。
04
熱噴涂法
熱噴涂法是由瑞士的Sehoop在1910年發(fā)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(tài)的粒子流，以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(shè)備簡(jiǎn)單，不僅用于制備陶瓷涂層，它在零部件修復(fù)領(lǐng)域也很有競(jìng)爭(zhēng)力。
05
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(jīng)高溫熔燒制備成涂層材料。該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作的特點(diǎn)，是制備陶瓷涂層的重要方法之一。另外，該方法還可對(duì)破損的涂層進(jìn)行修復(fù)，既可以利用高溫處理使之自補(bǔ)償，又可以通過填補(bǔ)料漿后經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷靥幚韥?lái)實(shí)現(xiàn)。
06
激光熔覆
激光熔覆是將具有性能(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(kuò)展及快速凝固，在基材表面上形成無(wú)裂紋、無(wú)氣孔的冶金結(jié)合層的一種表面改性技術(shù)。激光熔覆具有許多優(yōu)點(diǎn):應(yīng)用靈活、耗能小、熱輸入量低、引起的熱變形較小，不需要后續(xù)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(zhì)量不易控制，結(jié)果常在涂層中出現(xiàn)某些缺陷，如氣孔、裂紋、燒損等。
結(jié)束語(yǔ)
耐磨陶瓷涂層對(duì)提高基體的耐磨性、耐腐蝕性等性能具有明顯的效果，在設(shè)備零部件的使用過程中十分關(guān)鍵。它的相對(duì)耐磨性顯著優(yōu)于常規(guī)耐磨材料，廣泛用于延長(zhǎng)在嚴(yán)重磨損環(huán)境下工作的大型部件的壽命，并降低大型磨損部件的能耗，符合國(guó)家節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
