1、金屬陶瓷復合涂層的技術與研究展望劉 佳 郭春麗(河北理工大學 河北唐山 063000摘 要 綜述了采用金屬陶瓷復合涂層的制備技術特點和應用,介紹了其采用的合金粉末,并展望了金屬陶瓷涂層的發展趨勢。關鍵詞 復合涂層 制備 合金粉末 陶瓷粉末Preparation of Metal-ceramic Composite Coating and Research ProspectsLiu Jia,Guo Chunli(Hebei Polytechnic University,Hebei,Tangshan,063000Abstract:An overview of commonly used metal

2、-ceramic composite coating prepared by technical characteristics and applications,intro duced its common alloy powder,and forecasts the development trend of metal-ceramic coating.Key words:Composi te coating;Preparation;Alloy powder;Ceramic powder前言隨著我國科學技術和工業現代化的持續高速發展,使得對機械零件的工作要求越來越高,從而對材料耐高溫、耐腐蝕

3、、耐磨損、抗疲勞、抗冷熱沖擊等性能的要求也隨之提高。零部件的損壞一般都是從材料表面、亞表面開始或因表面其他因素而引起,然后逐漸導致零件的整體失效。因此,表面的改進對整體零件的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等起到了決定性的作用。涂層是材料表面改進方法的一種,具有提高材料的耐高溫、耐腐蝕和抗磨損性能的作用。涂層的種類很多,但兼有陶瓷和金屬兩方面特點的金屬陶瓷復合涂層以其具有高強度、低膨脹系數、更高的使用溫度、良好的熱穩定性以及好的抗磨損性等優點,顯示出了廣闊的應用前景。金屬陶瓷復合涂層是由金屬或合金與一種或幾種陶瓷相混合后所組成的復合材料。采用適當的涂覆技術,制備出最佳的涂層材料,從而提高了材料的使

4、用壽命和應用性能。陶瓷材料具有抗油、抗有機溶劑、抗堿或酸、不燃、電絕緣性好等優點。而加入金屬粉末不但能提高涂層與基體的粘結性能,還可機械聯鎖與冶金結合共同作用,提高了強度及硬度,為材料科學提供了更廣泛的研究和應用空間。1 復合涂層技術1.1 熱噴涂熱噴涂技術是采用某種高溫熱源,將欲涂覆的涂層材料熔化(或至少軟化,并采用高速射流方式使之霧化成微細液滴或高溫顆粒,噴射到經過預處理的機體表面形成涂層的技術。熱噴涂的特點:能夠噴涂的材料范圍特別廣,幾乎所有的固態工程材料都可以應用;能夠在多種基體材料上形成涂層,如金屬、陶瓷、塑料基體、木材甚至紙板都可以;一般情況下不受工件尺寸和施工場所的限制;沉積快,

5、效率高,特別適合沉積厚膜涂層;對基體材料的熱影響小;調整涂層成分比較容易等13。熱噴涂方法也有一定的缺點,如噴涂作業環境差,粉塵污染嚴重,噴涂材料利用率低,難以制備厚度較大的覆層材料等。隨著熱噴涂技術的發展,該技術已經在能源、汽車、鋼鐵、冶金工業等方面得到了廣泛的應用45。如在三峽鋼鐵結構中采用熱噴涂鋁制造的長效防腐涂層將達2000萬t鋼材,汽車制造工業的很多零部件,以及鋼鐵、冶金工業中的熱電偶保護套、軋輥、支撐輥等均可采用熱噴涂工藝制造。1.2 溶膠-凝膠涂層技術溶膠-凝膠涂層技術是利用易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,將溶膠涂覆在金屬表面,再經干燥、熱

6、處理后形成涂層的方法。溶膠-凝膠法的特點:用該方法制備的涂層是一種非常致密牢固的氣密性薄膜,適用于在大面積物體上制作涂層;它與金屬、陶瓷、塑料、木材等基材具有很高的粘著力,而且涂層具有較高的顯微硬度、耐沖擊性、柔韌性、化學穩定性、耐蝕性和耐磨性;用該方法在基材上涂覆,可以涂一層或多層,工藝和設備簡單,可以采用刷涂、噴涂、浸涂的方式。缺點是6:在干燥過程中,由于溶劑蒸發而產生殘余應力,易導致薄膜龜裂出現裂縫甚至脫落,薄膜的應力影響限制了薄膜的厚度,溶膠的粘度、濃度、溫度和機體的波動等因素均會影響制備的薄膜質量。T Hubert等2研究了溶膠-凝膠法涂層氧化鋁和合金的耐磨性。通過試驗證明,涂層在與

7、基體結合時金屬 氧化物之間是以化學鍵結合的,結合力非常強,所以極大地提高了合金的耐磨性。S Raghunathan等7用溶膠-凝膠法制備了多種納米基合金粉末,如W-Mo、W-Cu、WC-C o復合粉末。1.3 自蔓延高溫合成涂層技術自蔓延高溫合成涂層技術(SHS是利用原料組分發生放熱化學反應,反應后沉積在制品基體上形成涂層的技術。SHS反應種類有:無氣相合成反應;放出氣體的燃燒合成!反應;滲透合成反應;多種單質元素組合的固體燃燒合成;以化合物為反應物的金屬熱還原合成等。該技術是一種先進的材料合成技術,它在難熔材料合成及非平衡和非化學計量化材料的合成等方面具有很多常規方法難以比擬的優點89。例如

8、,生產工藝簡單,反應迅速;節約能源,因為該反應是自熱過程,一經引發不需補充能量;合成反應溫度一般很高,可以使大多數雜質揮發而得到高純產品;特別適合于合成各種復合材料、結構陶瓷、功能梯度材料等。SHS技術已被廣泛使用在陶瓷材料、金屬間化合物、電子材料和復合材料等的合成與制備中。1.4 高溫熔燒法高溫熔燒法制備涂層是將涂層原料按一定比例混合起來,涂覆于處理好的金屬表面,經過高溫熔燒以獲得所需性能涂層的一種表面技術。用高溫熔燒法制備的涂層具有很多優點:制備工藝簡便,設備投資小,不受場地、環境條件的限制,易于操作,能處理形狀復雜的構件,一般在室溫下操作,不會使零件產生熱影響和變形,可在金屬表面得到耐磨

9、抗蝕的金屬陶瓷復合涂層等。這種涂層的連續密閉性很好,其防銹耐蝕性優于電鍍層和熱噴涂涂層,涂層的厚度范圍很寬,能得到0.0516 的不同厚度。薄涂層用作防腐蝕和抗氧化;厚涂層一般用作耐磨和修補工作表面缺陷。高溫熔燒涂層的成分可根據需要調整,涂層硬度可在一定范圍內變化,其硬度上限在HRC70以上,這是其它涂層工藝難以達到的,且涂層硬度分布均勻10。1.5 激光熔覆技術激光熔覆技術也是一種表面改性技術。它是通過在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之與基材表面的薄層同時熔化,并快速凝固的方法,與基材表面形成冶金結合的添料熔覆層。熔覆材料以粉、絲、板的形式加入,其中以粉末的形式最為常用7。相

10、對其它表面處理技術,激光熔覆技術具有組織致密、稀釋度小、涂層與基體結合性能好、粒度及含量變化大、適合熔覆材料多等特點,而且已經在耐磨、抗蝕、熱障等涂層性能方面顯示出了良好的應用前景。激光熔覆技術可以改善工模具鋼的表面硬度、紅硬性、耐磨性、高溫硬度、抗熱疲勞等性能,從而提高了工模具的使用壽命。如在軋鋼導向板上激光熔覆高溫耐磨涂層,可使其使用壽命較普通碳鋼導向板提高4倍以上11。2 合金粉末2.1 鎳基自熔合金粉末最早的自熔合金以鎳基合金為基礎。鎳的熔點為1453,加入適量硼、硅和其它元素后,合金具有溫度在1000左右的固液相狀態,而且可在HRC25 HRC65調節硬度,并具有耐磨、耐蝕和抗氧化性

11、能,即使在600的高溫狀態下,化學性質也相當穩定。鎳基自熔合金粉末可分為鎳硼硅合金粉末和鎳鉻硼硅合金粉末兩個類別1216。2.2 鈷基自熔性合金粉末在鈷鉻鎢合金中加入硼、硅元素就可形成鈷基自熔合金17。由于鈷基自熔合金中含有高硬度碳化物和硼化物,比CoCr W合金具有更好的抗氧化能力和耐磨性,其高溫硬度優于鎳基自熔性合金。但鈷是稀有金屬,所以鈷基自熔合金粉末系列的發展受到了限制,鈷基自熔性合金粉末一般用于較重要的耐高溫磨蝕零件的強化和修復。2.3 鐵基自熔合金粉末鐵基自熔合金粉末是在鐵內加入適量的硼、硅等元素,通常情況下其熔點高于鎳基、鈷基,自熔性不如鎳基、鈷基自熔性合金粉末。但它的成本比較低

12、,所以應用也相當廣泛。鐵基自熔性合金粉末適用于鐵路鋼軌的修補,以及石油鉆探、農機部件、建筑和礦山機械等磨損零件的強化和修復。2.4 銅基自熔合金銅基自熔合金一般是在含有錫、錳、鎳的銅基合金中加入硼、硅元素形成的,合金粉末呈球形。除此之外,含有一定量磷的銅基合金也具有很好的自熔性。相對于鎳基、鈷基、鐵基自熔合金,銅基自熔合金的應用場合較少。2.5 含碳化鎢彌散型自熔合金粉末含碳化鎢彌散型自熔合金粉末是一種超硬性自熔合金。在高硬度鎳基、鈷基自熔合金中加入25% 35%的碳化鎢顆粒,便形成含碳化鎢彌散型自熔合金。其組織結構是在自熔合金基體上均勻分布著碳化鎢顆粒。由于超硬度碳化鎢顆粒彌散分布在高硬度自

13、熔合金基體中,很好地提高了合金的耐磨性、紅硬性和抗氧化性,因此含碳化鎢彌散型自熔合金粉末特別適用于抗高應力磨粒磨損工件的強化和修復。3 陶瓷粉末183.1 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷是一種氧化物陶瓷材料,具有以下性質:熔點高(熔點2050,抗腐蝕性好(能很好的抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金屬的侵蝕,對NaOH、玻璃、爐渣的侵蝕也有很高的抵抗能力;機械強度高(氧化鋁陶瓷燒結產品的抗彎強度可達250MPa,熱壓產品可達500MPa;硬度高(莫氏硬度為9;電阻率高,電絕緣性能好;化學穩定性優良,許多復合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、

14、鹽酸、硝酸、氫氟酸不與Al2O3發生化學反應。利用陶瓷的機械強度,可制成裝置瓷和其他機械構件。3.2 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷是新近發展起來的僅次于氧化鋁陶瓷的一種很重要的結構陶瓷。其具有以下優良性能:硬度高,莫氏硬度為6.5,因此可制成冷成形工具、整形模、拉絲模、切削工具等;強度高,韌性好,常溫抗彎強度可達2100MPa,1000時為1190MPa;抗腐蝕性好, ZrO2在氧化氣氛中十分穩定,在還原性氣氛中也相當穩定;半導體性好,氧化鋯在高溫具有半導體性,純氧化鋯是良好的絕緣體,氧化鋯發熱元件可在空氣中使用,最高溫度達21002200;敏感特性強,穩定化之后有氧空位。3.3 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷

15、作為一種優良的高溫結構陶瓷,被認為是具有廣泛應用前景的高溫耐磨結構材料,是碳化物中抗氧化性最好的。它可以被熔融的堿分解,具有良好的化學穩定性、高的機械強度和抗熱震性。如可用作高溫軸承、刀削工具、機械密封件和先進發動機零部件等,這些都與高溫環境有關。3.4 納米陶瓷納米陶瓷又稱納米結構、納米結晶或納米復合材料,是指在納米長度范圍(1100nm內的微粒或結構、結晶或納米復合的材料。它具有既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的諸多特性。納米陶瓷材料呈現出如下的宏觀物理性能:高強度和高韌性、高熱膨脹系數、高比熱和低熔點,同時具有導電率和磁化率變化大等特點。4 結論及展望金屬陶瓷復合涂層制備技術作為一種重要

16、的表面改進技術,成功地將金屬與陶瓷材料的優異性能結合起來,已經能夠制備出各種特殊功能要求的涂層,受到越來越多的材料研究者的重視。關于金屬陶瓷復合涂層的研究,今后的發展主要在以下幾個方面:發展新的涂層,制備出性能更優異的配方;解決這種復合涂層與金屬基體熱膨脹系數匹配問題,從而提高結合力;發展更加簡便的、成本低的、生產效率高的涂層制備技術;為了保證涂層的可靠性,除了從工藝上要保證涂層的均一性以及完整性外,還應對金屬陶瓷復合涂層的性能進行準確評價,從而使涂層這種表面工程技術發展得更廣闊更長遠。參考文獻2 周健兒,李家科,江偉輝.金屬基陶瓷涂層的制備、應用及發展.陶瓷學報,2004,25(9:1791

17、845 Giovanni Bolelli,Valeria Cannillo,Luca Lusvarghi,et al.Wear behaviour of thermally sp rayed ceramic ox ide coatings.Science Di rect, 2006,261:129813156 張同生,劉福田,劉鑫.溶膠-凝膠法制備合金表面耐腐蝕涂層的研究進展.山東冶金,2007(3:468 雷臨海.材料表面處理新工藝#自蔓延高溫合成.石油化工腐蝕與防護,1997,14(3:121614 Raja K S,Namjoshi S A,Misra M.Improved corrosion resis tance of Ni-22Cr-13Mo-4W alloy by surface nanocrystallization. Materials Letters,2005,59:57057415 Shrestha S,Hodgkiess T,Neville A.Erosion-corrosion be haviour of high-velocity oxy-fuel Ni-Cr-Mo-Si-B coatings un der high-veloeity.Wear,2005,259:20821816 Zhang X,Xie X S,Yang Z