（材料加工工程专业论文）普碳钢基陶瓷涂层的制备及磨损性能的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 捅芰 随着科学技术的不断发展，工程应用中对于材料性能的要求越来越高。 在很多恶劣的工况下要求材料同时具备好的强度、韧性、耐磨性等综合性能， 单纯的金属材料已难以满足这样的要求。陶瓷材料则具有硬度高、耐磨性好 等特点，金属材料具有易成型、韧性好等特点。因此，通过一定的工艺将陶 瓷材料制备于金属材料表面形成一种复合材料，使之具有金属材料和陶瓷材 料的综合性能，具有重大的研究意义和应用价值。 本论文采用涂搪法在q 2 3 5 a 钢表面制各质量完好的陶瓷涂层。该涂层分 为两层：第一层为过渡搪瓷层，实验结果表明瓷釉粒度为1 6 1 a m 时浆料的涂 覆效果最好，合适的烧结温度为8 5 0 。c ，合适涂层厚度为0 5 m m 左右。第二 层为瓷釉a 1 2 0 3 陶瓷颗粒复合的陶瓷涂层，较好的制各工艺参数是：采用 5 p v b 乙醇溶液作为浆料粘结剂，烧结前先在4 5 0 排胶3 0 m i n ，最后在 8 5 0 烧成，涂层厚度为l m m 左右。在该工艺参数下，a 1 2 0 3 粒度在 5 0 9 m 1 1 7 1 t m 范围内可调，体积分数在0 4 0 范围内可调。研究中还发现钢 板越厚烧成时间越长，3 m m 钢板为5 m i n ，1 0 m m 钢板为8 m i n 。 在4 5 0 冲蚀角、1 5 m p a 冲蚀气压、2 2 k g 冲砂量的实验条件下研究a 1 2 0 3 粒度和体积分数对涂层冲蚀磨损性能的影响。实验测试结果表明：当a 1 2 0 3 在同种粒度下，a 1 2 0 3 颗粒体积分数越高涂层的耐冲蚀性越好。其原因是 a 1 2 0 3 体积分数越大冲蚀过程中抵挡磨粒切削和冲击的a 1 2 0 3 颗粒越多，所以 抗冲蚀性越好。当a 1 2 0 3 体积分数较低为1 0 和2 0 时，a 1 2 0 3 颗粒被完全 包覆在瓷釉内，a 1 2 0 3 粒度越大越能抵挡磨粒的切削，涂层的耐冲蚀性越好； 当a 1 2 0 3 体积分数为3 0 和4 0 时，更多的a 1 2 0 3 颗粒富集在涂层表面，a 1 2 0 3 粒度越大冲蚀过程中所受的冲击力越大，a 1 2 0 3 颗粒更容易剥落，涂层耐冲 蚀性下降。综合结果表明在该工况下涂层中a 1 2 0 3 粒度为5 0 1 x m 、体积分数为 4 0 时涂层的耐冲蚀性最好，是无a 1 2 0 3 搪瓷层的4 2 倍。 在4 0 n 加载力、橡胶轮转速1 8 0 r m i n 的实验条件下研究a 1 2 0 3 粒度和体 积分数对涂层摩擦磨损性能的影响。实验测试结果表明：当a 1 2 0 3 在同种 粒度下，随a 1 2 0 3 体积分数的增加涂层的耐磨性先增后减，在体积分数为3 0 时耐磨性最好。a 1 2 0 3 的加入量越大抵抗磨粒切削和滚压的a 1 2 0 3 颗粒越多， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 但同时也带来另一方面的影响，涂层的表面摩擦系数变大影响耐磨性。当 a 1 2 0 3 体积分数为1 0 和2 0 时，a 1 2 0 3 粒度对涂层耐磨性影响不大，彼此的 耐磨性很接近；当a 1 2 0 3 体积分数为3 0 和4 0 时，a 1 2 0 3 粒度越小涂层耐 磨性越好，此时a 1 2 0 3 含量相对较高，这是因为a 1 2 0 3 粒度越大涂层的表面 摩擦系数越大，从而降低了涂层耐磨性。综合结果表明，在该工况下涂层中 a 1 2 0 3 粒度为5 0 9 m 、含量为3 0 时涂层的耐摩擦磨损性最好，是无a 1 2 0 3 搪 瓷层的5 3 倍。 关键词：q 2 3 5 a 钢；a 1 2 0 3 ；陶瓷涂层；冲蚀磨损；摩擦磨损 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 | l 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h i g hp e r f o r m a n c e m a t e r i a l sa r ec a l l e df o rb yi n d u s t r y m a t e r i a l sh a v eb e e nr e q u i r e dt oh a v eg o o d c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s o fs t r e n g t h ，t o u g h n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ei n a b o m i n a b l ec o n d i t i o n s ，b u ts i m p l em e t a lm a t e r i a l sh a v eb e e nd i f f i c u l tt os a t i s f y t h i sr e q u i r e m e n t h o w e v e r ，c e r a m i cm a t e r i a l sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h h a r d n e s sa n dg o o dw e a rr e s i s t a n c e ，a n dm e t a lm a t e r i a l sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co f e a s ym o l d i n ga n dg o o dt o u g h n e s s t h e r e f o r e ，c e r a m i cm a t e r i a l sp r e p a r e do n m e t a lm a t e r i a l ss u r f a c et of o r mac o m p o s i t em a t e r i a lt h r o u g hs o m ep r o c e s s ， w h i c hh a st h es t r o n gt o u g h n e s so fm e t a lm a t e r i a l sa n dh i g hw e a rr e s i s t a n c eo f c e r a m i cm a t e r i a l s ，i so f g r e a ts i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e e n a m e l m e t h o dw a su s e dt op r e p a r ec e r a m i cc o a t i n go nq 2 35 as t e e l s u r f a c ei nt h i sp a p e r t h ec o a t i n gi sd i v i d e di n t ot w ol a y e r s ：t h ef i r s tl a y e ri st h e t r a n s f e re n a m e ll a y e r ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h ee n a m e l p a r t i c l es i z eo f16 i _ t m ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 c ，a n dt h ec o a t i n gt h i c k n e s s i sa b o u t0 5 m m ，t h ee f f e c to fs l u r r yc o a t i n gi st h eb e s t ；t h eo t h e rl a y e ri s e n a m e l a 1 2 0 3p a r t i c l ec o m p o s i t ec e r a m i cc o a t i n g ，a n dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s p a r a m e t e r si s ：5 p v be t h a n o l s o l u t i o ni su s e da sb i n d e r ，e x c l u d ep v ba t 4 5 0 。cf o r3 0 m i n ，f i n a l l ys i n t e r e da t8 5 0 。c ，a n dt h ec o a t i n gt h i c k n e s si sa b o u t lm m i nt h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，a 1 2 0 3s i z ec a nb ea d ju s t e db e t w e e n5 0 1 x ma n d 1 17 “m ，v o l u m ef r a c t i o nb e t w e e n0a n d4 0 s i n t e r i n gt i m ei sd i f f e r e n ta c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h es u b s t r a t e ：t h eb e s th e a tp r e s e r v a t i o nt i m eo f3 r a m t h i c kb a s ep l a t ei s5 m i n ，a n dt h a to f10 r a mt h i c kb a s ep l a t ei s8 m i n t h ee f f e c to ft h ev o l u m ef r a c t i o na n dp a r t i c l es i z eo fa 1 2 0 3p a r t i c l e so n c o a t i n ge r o s i o nw e a rp e r f o r m a n c e ，e r o d e da t4 5 0i m p a c ta n g l e ，15 m p a e r o s i o n a i rp r e s s u r e ，a n d2 2 k ge r o s i o nq u a n t i t y ，w a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：o t h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o a t i n gi sb e t t e rw i t ht h ev o l u m ef r a c t i o n o fa 1 2 0 3p a r t i c l e si n c r e a s i n ga tt h es a m es i z eo fa 1 2 0 3p a r t i c l e s t h er e a s o nw h y t h ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c ei sb e t t e ri st h a tt h ev o l u m ef r a c t i o no fa 1 2 0 3p a r t i c l e s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1v 页 i s h i g h e r ，l e a d i n gt om o r ea 1 2 0 3p a r t i c l e s a 1 2 0 3p a r t i c l e s a r ec o m p l e t e l y w r a p p e di ne n a m e l sw h e nt h e i rv o l u m ef r a c t i o ni s 10 o r2 0 ，l e a d i n gt ob e t t e r e r o s i o nw e a rr e s i s t a n c e ；m o r ea 1 2 0 3p a r t i c l e sa r ee n r i c h e do nc o a t i n gs u r f a c e w h e nt h e i rv o l u m ef r a c t i o ni s3 0 o r4 0 ，l e a d i n gt ot h ed e c r e a s eo fe r o s i o n w e a rr e s i s t a n c e c o m p r e h e n s i v er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t i - w e a rp r o p e r t yo ft h e c e r a m i cc o a t i n gc o n t a i n i n ga 1 2 0 3i sb e t t e rt h a nt h ec o a t i n gw i t h o u ta 1 2 0 3 ，a n d t h ec o a t i n gw i t h4 0 v o l u m ef r a c t i o np a r t i c l e sa n d5 0 1 x mp a r t i c l es i z e ，i st h eb e s t ， w h i c hi s4 2t i m e st h a nt h a to ft h ee n a m e lc o a t i n g t h ee f f e c to ft h ev o l u m ef r a c t i o na n dp a r t i c l es i z eo fa 1 2 0 3p a r t i c l e so n f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r ，e r o d e da tv e l o c i t yo f180 r m i na n d4 0 nl o a d i n g f o r c e ，w a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：o w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ev o l u m e f r a c t i o no fa 1 2 0 3p a r t i c l e s ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gf i r s ti n c r e a s e da n d t h e nd e c r e a s e d ，a n dt h ew e a rr e s i s t a n c eh a sb e e nt h eb e s tw h e nt h ev o l u m e f r a c t i o no fa 1 2 0 sw a s3 o ；b u ta d d i n gm o r ea 1 2 0 3p a r t i c l e sl e a d e dt ot h e i n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc o a t i n gs u r f a c e ，t oi m p a c ta b r a s i o nr e s i s t a n c e a 1 2 0 3p a r t i c l es i z eh a dl i t t l ee f f e c to na b r a s i o nr e s i s t a n c ew h e nt h ev o l u m e f r a c t i o no fa 1 2 0 3w a s10 o r2 0 ；w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no ft h o s ew a s30 o r4 0 ，t h ea b r a s i o nr e s i s t a n c ew a sb e t t e rw i t hs m a l l e ra 1 2 0 3p a r t i c l e s t h e r e f o r e ，t h ea n t i - w e a rp r o p e r t yo ft h ec e r a m i cc o a t i n gc o n t a i n i n ga 1 2 0 3i s b e t t e rt h a nt h ec o a t i n gw i t h o u ta 1 2 0 3 ，a n dt h ec o a t i n gw i t h30 v o l u m ef r a c t i o n p a r t i c l e sa n d5 0 i _ t mp a r t i c l es i z e ，i st h eb e s t ，w h i c hi s 5 3t i m e st h a nt h a to ft h e e n a m e lc o a t i n g k e yw o r d s ：q 2 3 5 as t e e l ；a 1 2 0 3 ；c e r a m i c sc o a t i n g ；e r o s i o nw e a r ；f r i c t i o nw e a r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题背景 材料是现代科学技术和当代文明的重要支柱，材料在不同的使用环境中 存在着各种失效，材料的磨损失效是现代工程材料中最常见、最重要的失效 形式( 腐蚀、断裂和磨损) 之一。磨损是由于材料间的相互摩擦而引起的， 在人类的生活和工业生产中随处可见，磨损的过程一个相当复杂的过程，它 涉及材料、机械、物理、化学等多个学科的知识。在具体的情况下，影响磨 损的因素有很多，包括材料因素( 化学成分、显微组织、力学性能等) ，工作 条件( 负荷、运动速度、运动方式等) 、环境因素( 温度、湿度、周围介质等) ， 零件表面的物理化学性能及质量等，其中每个因素的变化都有可能带来磨损 量的变化。由于材料的磨损失效每年都会给世界带来巨大的经济损失。据统 计，世界上1 1 3 - 1 1 2 的能源消耗于摩擦和磨损；美国由磨损造成的经济损失 约1 2 0 0 亿美元年，德国约5 0 亿马克年。我国( 2 0 0 0 年统计) 每年由于磨 损消耗约3 0 0 万吨以上的金属抗磨材料，其中每年有近1 8 0 万吨的球磨机磨 球被消耗，近3 0 万吨的各种破碎机和球磨机衬板被消耗，近5 0 万吨的轧辊 被消耗【l ，2 j 。对材料来说，约8 0 的零件失效是磨损引起的，在各类磨损中， 磨料磨损又占有重要的地位，在金属磨损总量中占5 0 以上【3 巧】。磨损不仅引 起设备零件失效，导致工件更换和维修频繁、设备工作效率降低，而且消耗 了大量的能源和材料。为此，减少摩擦和磨损，提高资源利用效率，力争以 最少的资源消耗获得最大的经济和社会收益同时也是机械事故高发的重要原 因之一，给人们的生命财产安全带来很大的隐患。 随着科学技术的不断发展，工程应用中对于材料性能的要求越来越高。 在很多恶劣的工况环境下要求材料有好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性，单 纯的金属材料已难以满足这样的要求。陶瓷材料则具有硬度高、耐腐蚀、耐 磨损但脆性大等特点，在使用方面也受到一定的局限。因此，通过一定的工 艺将陶瓷材料制备于金属材料表面形成一种复合材料，使之既有金属材料的 强韧性又兼具陶瓷材料的耐腐蚀、耐磨损等优点。目前金属基陶瓷涂层在航 天、航空、化工、机械、电力、电子、国防等领域已得到的应用，在未来的 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 发展中具有广阔的发展前景。 1 2 金属基陶瓷涂层的发展现状 金属基陶瓷涂层是指在金属表面制备陶瓷涂层，通过陶瓷涂层对材料进 行表面强化和表面保护，从而提高机械部件的性能和质量，延长其使用寿命， 同时还节约了材料和能源。因此，金属基陶瓷涂层在很多领域有广阔的应用 前景，也是目前国内外研究的热点之一 6 8 】。 国内外对于金属基陶瓷涂层的研究和生产，国内起步较晚，北美等国家 ( 特别是美国) 起步较早，而且发展速度也很快，其次是日本和欧洲等国家。 据统计，美国在1 9 9 7 年至2 0 0 2 年高性能陶瓷涂层的市场销售额由7 1 亿美 元增至9 8 亿美元，其平均年增长率为6 8 。其中热喷涂、p v d 和c v d 等 主要涂层服务业的增长率为6 。其他一些制备技术如溶胶凝胶等也很大程 度上促进了涂层市场的增长速度，5 年内这些技术的市场销售总额增长了近 一倍，从1 9 9 7 年的3 8 0 0 万美元增加到2 0 0 2 年的7 3 0 0 万美元【9 - 1 1 1 。表1 1 为2 0 0 8 2 0 1 4 北美高性能陶瓷涂层技术市场现状和预测( 全球市场) ，从表 中可以看出，热喷涂、p v d 和c v d 还是主要的制各技术，占市场的绝大数 份额，尤其是热喷涂技术，其他的一些制各技术所占的比例波动不大。近年 来，我国在这方面的发展也很快，例如洛阳鹏飞耐火耐磨材料有限公司，拥 有国家发明专利新型专利4 8 项。目前，在全国合资建成了三大纳米陶瓷新材 料生产基地，公司主要产品有预热器纳米陶瓷内筒、耐磨陶瓷涂料、高分子 基耐磨防腐管道构件、各种碳化硅制品和各种耐火材料，年产值达到2 0 亿元 表1 - 12 0 0 8 - 2 0 1 4 北美高性能陶瓷涂层技术市场现状和预测 t a bie1 12 0 0 8 2 0 1 4n o r t ha m e ric a nhig h p e r f o r m a n c ec e r a micc o a tin g t e c h n oio g ym a r k e tsit u a tio na n df o r e c a s t 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 人民币，产品出口多个国家。 目前，金属基陶瓷涂层在很多领域得到广泛应用，如航天航空、汽车、 电子电力、刀具、冶金和机械等行业【9 1 ，具体介绍如下： ( 1 ) 航天航空中的应用 航天飞机的机身表面通常涂有白色硼硅酸盐和黑色硼化硅涂层，由于摩 擦航天飞机在经过大气层返回地面的过程中机身要经受1 0 0 0 * c 以上的高温 冲击，该涂层需要具有很高的发射率才能使产生的热量很快的辐射出去，以 保证机舱内温度正常。在航空发动机中，风扇叶片和涡轮叶片之间的封凸肩 磨损比较严重，为提高其使用寿命，在封凸肩上镀金属铑后再喷涂一层碳化 钨加钴的耐磨涂层，能提高其使用寿命1 5 3 0 倍。 飞机内很多部件，如压气机的衬套，燃烧室的内壁，齿轮箱传送装置等， 通常通过镀碳化钨和碳化铬等耐磨涂层来提高其耐磨性。 ( 2 ) 汽车中的应用 在新一代的发动机在制造中，发动机制造商通过在合金表面制备n i s i c 复合镀层，这样不但减轻了发动机的重量，而且该镀层还能大大提高润滑性 能、耐磨性能和耐高温氧化性能。在内燃机燃烧室的内壁上喷涂氧化锆陶瓷， 能够大大提高内燃机的工作温度。 著名跑车l a m b or e v e n t o n 其车体涂料中含有锆酸盐陶瓷，该陶瓷属于特 种保温陶瓷，目前仅在核电工业中广泛应用。由于锆酸盐陶瓷的加入使得涂 料保温隔热效果非常好，并且具有强度高、耐久性好等性能，在抗机械冲击、 抗震动和热骤变等外部情况下能对车体起到很好的保护作用。针对该车的排 气管和排气系统，该涂料能有效的保护这些部件在高温的工作环境下不易老 化和变形。 ( 3 ) 电子电力行业中应用 在电子电力行业中，陶瓷涂层也得到了广泛的应用。在变压器内利用等 离子喷涂技术制备的氧化铝陶瓷涂层能在1 3 0 0 的高温下承受2 5 0 0 v 的高 压，从而保证了高温下的电绝缘。在金属基片上喷涂厚度为3 0 | lm 的钛酸钡 陶瓷涂层，其介电常数超过6 0 0 0 ，该涂层己广泛用于各种电容器中。 ( 4 ) 刀具行业中的应用 在切削刀具行业中，陶瓷涂层刀具有很大的发展潜力，其特点是化学稳 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - - - - - _ - _ _ _ _ 一一一一 定性好、耐热粘结性强、切削韧性好、硬度高等。 涂层成分由第一代的t i n 发展为t i c 、t i c n 、z r n 、c r n 、m o s ，、t i a i n 、 t i a l c n 、t i n - a 1 n 等多元复合涂层。通常陶瓷涂层刀具的使用寿命是普通刀 具的2 3 倍，多层涂层的刀具寿命要比单层的高。在基体上熔烧一层厚约 o 9 m m 的立方氮化硼的硬质合金刀具可加工钴、镍等硬质合金，其切削效果 是硬质合金刀具的五倍。 ( 5 ) 冶金工业和机械工业中的应用 金属在热处理和热加工的过程中为了防止金属的高温氧化、渗氧和渗氮， 通常会在金属的表面涂覆热处理保护涂料。该涂料通常是由硅酸盐、硼酸盐 与粘结剂组成。在热处理和热加工的过程中，涂料会形成高致密、高粘度的 玻璃相保护层，以阻止外部气体的进入，从而保护金属工件。当热处理和热 加工结束后，工件冷却，涂层会从表面自动剥落。该涂层能减少金属材料的 损失、提高工件的表面质量。 随着金属基陶瓷涂层研究的不断深入，其应用的领域也越来越广。针对 陶瓷涂层作用机理和失效机理的研究，不断改进陶瓷涂层的性能，并发展新 的涂层和新的工艺【9 】。相比整体结构的陶瓷材料，金属基陶瓷涂层具有以下 的特点n 2 】： 能把陶瓷材料的耐高温、耐磨损、高硬度的特点和金属材料的强韧性、 可加工性等特点有机的结合； 涂层基体材料种类多； 涂层成分易调整，且厚度可控； 涂层易成型、可加工性好； 经济效益高。 即便陶瓷涂层有以上的优点，但陶瓷涂层亦有其固有的缺点，主要表现 在以下几个方面： 陶瓷涂层有着陶瓷材料脆性大，塑性变形能力差、抗疲劳性和抗热震 性差的固有弱点； 陶瓷涂层与金属基体的结合强度不高，这也是目前制各陶瓷涂层的一 个难点； 陶瓷涂层材料与金属的热物理性能( 如膨胀系数、热导率等) 差别大， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 在使用过程中可能产生不同的应力状态，影响其使用性能和寿命； 因此，在高应力、高冲击和高疲劳等工况下，陶瓷涂层往往不能适用。 陶瓷涂层通常是对金属基体起增强和弥补的作用，而不能取代结构材料本身。 1 3 金属基陶瓷涂层的制备工艺 目前，国外关于制备陶瓷涂层公开发表的一些关键技术保密，而国内更 多的是制备金属基陶瓷涂层的工艺研究的报道，缺乏微观评价指标。陶瓷涂 层与金属基体结合存在一些关键问题：界面结合强度、陶瓷涂层与金属基体 热膨胀性能的差异、界面结合机理等。现在研究金属基陶瓷涂层的企业和研 究单位很多，市场上出现的产品也很多，但质量也存在着较大的差异。因此， 还需进行深入的研究，如何将实验室中那些效果好，但成本较高的工艺运用 到实际生产中，这是目前急需解决的问题。陶瓷涂层的制备方法有很多，主 要有以下几种。 1 。3 1 热喷涂法 热喷涂法【1 3 , 1 4 】，是指利用某种形式的热源将喷涂材料加热到熔融或半熔 融状态，再经过高速焰流或气流使其雾化，加速喷射到经预处理的零件表面， 使材料表面得到强化和改性，获得具有某种功能( 如耐磨、防腐、抗高温等) 的一种应用性很强的材料表层复合技术。热喷涂法最早是由瑞士肖普博士在 1 9 1 0 年发明的。常用的热喷涂方法大致可分为以下几种：火焰喷涂、电弧喷 涂和等离子喷涂等其他方法。 c h u a n x i a nd i n g 等人【l5 】采用等离子喷涂技术制备了纳米结构z r 0 2 涂层。 经测定纳米结构z r 0 2 涂层的强度为8 6 g p a ，气孔率为8 ，而传统z r 0 2 涂 层的强度为5 4 g p a ，气孔率为1 2 ，纳米结构z r 0 2 涂层具有更优异的耐磨 损性能。m c e l l 等【1 6 】采用等离子喷涂技术，制备出了a 1 2 0 3 t i 0 2 纳米结构 涂层，与普通涂层相比，纳米结构涂层的气孔率降低，结合强度增大，耐冲 蚀磨损性能提高了3 倍。 苗利湘【17 1 、马韶霞【1 8 】等采用等离子喷涂法在4 5 号钢基材上分别制备了 金属颗粒增韧的f e a l 2 0 4 一a 1 2 0 3 一f e 复合陶瓷涂层和a 1 2 0 3 - 1 3 w t t i 0 2 复合陶 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 _ 。_ _ - - 。_ - - - 。- _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一 一 瓷涂层，复合涂层的断裂韧性和结合强度明显优于普通a 1 2 0 3 涂层，特别是 复合涂层的具有较高的耐磨性能。 1 3 2 气相沉积法 气相沉积法【1 3 , 1 4 】，根据原理的不同可分为化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o u r d e p o s i t i o n ，c v d ) 和物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ，p v d ) 。 c v d 法是指在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混 合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属陶瓷的固态薄膜或镀 层。目前c v d 技术在电子、机械等工业部门中发挥了巨大作用，特别是用 于一些氧化物、碳化物、金刚石等功能薄膜和超硬薄膜的沉积：在超大规模 集成电路中很多薄膜都是采用c v d 方法制备。 p v d 法是指在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基 材上，形成薄膜或涂层的过程。p v d 技术出现于2 0 世纪7 0 年代末，制备的 薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。近年来 c v d 和p v d 联系越来越紧密，出现了兼有c v d 和p v d 特种的薄膜制备方 法，例如等离子体气相沉积法。 n a v i n s e k 等人1 9 , 2 0 1 采用低温p v d 技术在铝合金基体上制备了c r n 涂层， 主要研究c r n 涂层高温下抗氧化和抗腐蚀能力，高温下c r n 表面形成一层致 密且稳定的c r 2 0 3 保护层，能起到很好的热障作用，使涂层具有更好的耐高 温性能。 1 3 3 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法【1 3 , 1 4 】，该方法是利用易水解的无机盐或金属醇盐，在某种特 定的溶剂中能与水发生反应，无机盐或金属醇盐经过水解后缩聚形成溶胶， 然后将溶胶涂敷于金属基板表面，最后经干燥、热处理形成涂层。 目前，国内外利用溶胶凝胶技术在金属表面制备了各种不同的陶瓷涂 层，如在不锈钢的表面制备了a 1 2 0 3 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 一s i 0 2 、z r 0 2 - s i 0 2 、 s i 0 2 t i 0 2 z r 0 2 、c e 0 2 、纳米t i 0 2 等陶瓷涂层，在碳钢的表面制备了s i 0 2 、 t i 0 2 和z r 0 2 等陶瓷涂层，利用陶瓷涂层优越的抗高温性和耐腐蚀性以提高 工件的耐腐蚀性和抗高温氧化性【2 m 3 1 。但也有学者研究发现这类膜基结合方 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 式以机械结合为主，膜基结合不好，没有根本解决钢基涂层的膜基结合强度 问题，结合强度仅为数兆帕【2 4 - 2 6 ，因此还有待进一步加强膜基结合的研究。 1 3 4 热化学反应法 热化学反应法【2 。7 1 ，是目前国内外制备陶瓷涂层的一种新兴技术，其机理 是通过金属基体与涂层在界面处发生化学反应，使二者通过化学结合而牢固 地连接在一起。热化学反应法也称“东芝t o s r i c 法”或称“水基液基陶瓷 涂层”，在不同的文献中也称为“原位化学反应法”“化学反应法”“原位反 应法”。具体步骤是采用粘结剂将微细陶瓷粒子制成陶瓷浆料，涂刷在经过活 化的基材表面上，在烘箱中烘干后，在一定温度下进行高温固化，界面处有 否化学反应发生是该技术成败的关键。 o d a w a r a 2 8 利用热化学反应法以金属铝为原料成功地在钢管内涂覆 a 1 2 0 3 等陶瓷涂层，该涂层克服了金属与陶瓷间存在的不润湿、不粘附的缺 点，可以获得很高的界面结合强度；减少了制备复合材料的生产步骤。 目前国内这方面研究较多的是辽宁工程技术大学马壮等人，马壮【2 9 , 3 0 】等 人用热化学反应法在q 2 3 5 钢上制备a 1 2 0 3 基陶瓷涂层，在磨粒磨损实验中 相对耐磨性是基体的2 6 3 倍，在粘着磨损试验中，陶瓷涂层相对耐磨性是基 体的5 6 3 倍。在镁合金a z 9 1 d 表面制备a 1 2 0 3 + t i 0 2 + s i 0 2 + z n o + a l 陶瓷涂 层，磨粒磨损试验表明耐磨性比基体提高了2 2 倍，黏着干磨损试验表明比 常用热喷涂陶瓷涂层a 1 2 0 3 + 1 3 t 1 0 2 + a l 耐磨性提高了1 9 4 倍。 1 4 磨损的种类及抗磨材料研究现状 1 4 1 磨损的种类 在实际工况中，按照磨损的机制的不同可以将磨损分为以下几类：磨料 磨损、粘着磨损、微动磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等【3 l 】，其造成 的损失约占总磨损损失的比例如表1 - 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 表卜2 不同磨损类型所造成的损失约占总磨损损失的比例 df f e r e n tt y p e so fw e a rio s sc a u s e db yt h ew e a ro ft o t a 磨损类型约占总磨损损失的比例 磨料磨损 粘着磨损 微动磨损 冲蚀磨损 腐蚀磨损 疲劳磨损 5 0 1 5 8 8 5 1 4 1 4 1 1 磨料磨损 由外界硬质颗粒或硬的微凸体在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表 面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨料磨损。其特征是在摩擦副对偶表面 沿滑动方向形成划痕。如表1 1 所示，磨料磨损在总磨损损失中所占的比例 最大，存在的形式也是最多的，产生的材料消耗及其它经济损失最多。 磨料磨损的分类方式有多种： ( 1 ) 根据磨料与被磨损材料软硬程度的对比，可以将磨料磨损分为软磨 料磨损和硬磨料磨损。通常是以被磨材料硬度h m 和磨料硬度h a 的相对比 值来大致划分。当h m h a 0 5 0 8 时为软磨料磨损，h m h a 0 5 0 8 为硬磨 料磨损。 ( 2 ) 在工业中，磨料磨损往往按照力的作用特点来分，主要的分类如 下： 低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力 不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械 中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。 高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大 压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损 便是属于这种类型。 凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，这种磨 损通常形成很高的应力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑。经常在输送和破 碎大块材料时发生，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 二二二_ 二二：= = = ! ：二= ： ( 3 ) 根据磨损接触物体的表面可以将磨料磨损分为两体磨料磨损和三体 磨料磨损。两体磨料磨损的情况是磨料与一个零件表面接触，磨料为一物 体，零件表面为另一物体，如犁铧、活塞与汽缸间落人磨料等。而三体磨料 磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，如两 个相互啮合的齿轮间落人磨料，一般情况下工业上遇到的三体磨料磨损大多 属于高应力磨料磨损。 两体磨料磨损和三体磨料磨损的运动形式及失效方式如图1 1 和1 2 所 示，可以看到，两体磨料磨损过程中被磨损材料失效主要为切削磨损形式， 三体磨料磨损过程中被磨损材料失效不仅存在显微切削磨损，同时还存在由 于滚压而引起的疲劳和龟裂失效。 图卜1 两体磨料磨损运动形式及失效方式 f i g 卜1 t w ob o d ya b r a s j v ew e a rf o r m s o fe x e r c is ea n df a i u r em o d e 运动方向 材 图卜2 三体磨料磨损运动形式及失效方式 f i g 1 2 t h r e eb o d ya b r a s i v ew e a rf o r m s o fe x e r c i s ea n df a j l u r em o d e 关于磨料磨损的机理，目前还没有统一的标准，然而对于磨料磨损机理 的揭示，对抗磨材料的研制有很深远的影响。实际工况中，材料的磨损往往 几种机理同时存在，而不是单一的某种机理，只能说是某种机理在其中占主 导地位。然而随着工作条件的变化，磨损机理也可能会发生变化，从一种机 理为主转变为以另一种机理为主。因此，针对实际的工况进行分析，找出磨 损方式和磨损机理是很重要的。如今磨料磨损的机制大致可以分为以下几 西南科技大学硕士研究生学位论文 第10 页 种： ( 1 ) 显微切削磨损机理 显微切削磨损是硬质磨料磨损条件下的主要机制。图1 3 所示，在外力 的作用下硬质磨粒与材料表面相互接触时，在材料表面上会产生一个力p ， 该力可分为法向压应力n 和切向拉应力t 。法向压应力n 使磨粒压入材料表 面，在材料表面上形成压痕，而切向拉应力t 则把压入表面的磨粒向前推进 p 2 。在显微镜的观察下，脱落的切屑具有机加工中切屑的特征，呈螺旋 形、弯曲形等，所以称之为显微切削。影响显微切削磨损量最重要的一个因 素是材料硬度，当被磨损材料的表面硬度越高时，其产生的切削量就越少。 因此，提高材料硬度，是降低材料的切削磨损的一个重要手段。 图卜3 微切削磨损模型 f i g 1 3m i c r o c u r ti n gw e a rm o d e i ( 2 ) 多次塑变形磨损机理 多次塑变形导致断裂的磨损机理，一般出现在塑性性能较好的材料中， 当硬质磨粒的棱角比较困钝或者磨粒和被磨材料表面间的夹角太小时，磨粒 在材料表面滑过后，材料表面往往形成一条犁沟，而在形成犁沟时沟槽内的 材料全部被推向沟槽的两边，而且不产生任何的切屑，这种情况则称为犁皱， 如图l 一4 所示【3 3 】。由于犁沟或犁皱所形成的堆积在两旁和前缘的材料以及沟 槽中的材料，在随后的磨粒作用下，堆积起的材料可能会被重新压平，也可 能使己变形的材料遭到再一次的犁皱变形。经过如此反复的塑性变形，使材 料局部不足以承受外力而撕裂脱落，或者使材料因加工硬化或其他强化作用 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 一 ： ( 如形变诱导相变、再结晶等) 而变脆，最终剥落而成为磨屑。这种机制产 生的磨屑大多呈片块状。 变形脊 切槽 变形区 图卜4 塑性材料磨料磨损微犁沟皱形貌 f i g 卜4p i a s t j cm a t e ri a ia b r a s i v ew e a rt h ef u rr o w s k n i tm o r p h o l o g y ( 3 ) 微观断裂磨损机理 微观断裂机理主要针对的是脆性材料，以脆性断裂为主。磨料磨损时， 塑性材料由于磨粒的压入，大多数都会发生塑性变形。而对于脆性材料。当 磨料压入和划擦材料表面时，压痕处的材料产生塑性变形很小，当磨料 压入深度达到某一临界深度时，随压力而产生的拉伸应力足以使裂纹产 生，裂纹的萌生扩展导致材料断裂脱落是主要的磨损机理。其中裂纹的形式 主要有两种，一种是从压痕底部向材料表面扩展的横向裂纹，另一种是 垂直于材料表面的中间裂纹。当横向裂纹扩展或相交到材料表面时，材 料微粒便会产生脱落，最终形成磨屑。与塑性变形所引起的材料磨损相 比，由断裂所引起的材料磨损要大得多。通过实验发现，对于脆性材料 而言，当磨料的棱角尖锐锋利、尺寸大，并且施加的载荷较高时，由断 裂所引起的磨损占主要地位，因此磨损率很高。 ( 4 ) 疲劳断裂磨损机理 疲劳断裂磨损机理是以前苏联克拉盖里斯基教授为代表创立的。这 里的疲劳是指应力疲劳，指应力幅不超过材料的弹性极限的重复应力循环引 起的一种特殊破坏形式。在磨料的作用下，材料表层出现高拉应力和高剪 应力区，起初材料表面是不会产生任何破坏层，随着进一步的作用，在 应力区萌生裂纹并逐渐扩展，最终导致材料表面分层、剥落，疲劳破坏 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 主要出现在局部位置，形成一些较圆较深的坑。这属于低周疲劳产生的 损坏现象，是表层微观组织受周期性载荷的作用而产生的。 以上是磨料磨损可能出现的几种磨损机理。在磨料磨损的过程中往往有 几种机理同时存在，在磨损的过程中由于内部组织或外部条件的变化，相应 的磨损机理也会发生变化，从一种主要的机理向另一种主要的机理转变。在 上述的几种磨损机理中，微切削是造成材料磨损最严重的一种形式，另外在 一些脆性材料中断裂是引起材料磨