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1、金屬陶瓷涂覆層研究概述術(shù)劉宗德劉靜靜華北電力大學(xué)微納米表面技術(shù)研究所(102206)摘要概述耐磨材料的應(yīng)用背景和發(fā)展現(xiàn)狀,綜述金屬陶瓷和金屬陶瓷涂覆層研究進(jìn)展,描述了電熱爆炸超高速噴涂法反應(yīng)合成亞微米晶金屬陶瓷涂層技術(shù)和等離子反應(yīng)合成碳化物基金屬陶瓷熔覆層技術(shù)的進(jìn)展及其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞金屬陶瓷金屬陶瓷涂覆層研究O引言磨損是機(jī)械零件失效的三大方式(磨損、腐蝕、斷裂)之一,磨損也是工業(yè)材料和能源消耗的主要根源之一,其中麼粒磨損約占各種磨損類型的50%。磨粒磨損通常是指處理砂土、礦石、巖石等物料時(shí),由這類物料造成機(jī)件的磨損。這類物料與機(jī)件表面相互作用的方式很多,有沖擊、滾
2、動(dòng)、滑動(dòng)和沖刷等。關(guān)于磨粒磨損的分類,當(dāng)前世界各國(guó)廣泛認(rèn)同的是H.S.Avery提出的分類方法,將磨粒磨損分為鑿削性碰撞磨損、研碎性高應(yīng)力磨損,擦傷性低應(yīng)力磨損等。對(duì)于在鑿削性碰撞磨損、研碎性高應(yīng)力磨損工況下工作的耐磨件,目前高鉻鑄鐵是首選的材料。含鉻量在12%以上的高鉻鑄鐵開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)初,1917年獲得了美國(guó)專利。隨后數(shù)十年內(nèi),由于對(duì)高鉻鑄鐵的性能了解不多而限制了其應(yīng)用范圍。20世紀(jì)中期,美國(guó)國(guó)際鎳公司研究開(kāi)發(fā)了鎳硬系列耐磨鑄鐵,其中,鎳硬4(NiHard4)于1951年獲美國(guó)專利,并逐漸廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)品加工行業(yè)。鎳硬4的耐磨性能較好,但因其抗沖擊能力欠佳而限制
3、了其在高應(yīng)力磨粒磨損條件下的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代,美國(guó)Abex公司為改善高鉻鑄鐵的性能進(jìn)行了大量的研究工作,系統(tǒng)研究了Ni、Mo、Mn、Si、Cr和C等在高鉻鑄鐵中的作用。隨后,美國(guó)ClimaxMolybdenum公司又對(duì)Mo和Cu在高鉻鑄鐵中的作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)80年代,美國(guó)內(nèi)政部礦業(yè)局的研究中心又對(duì)高鉻鑄鐵的熱處理進(jìn)行了研究,美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)制定的“抗磨鑄鐵”標(biāo)準(zhǔn)ASTMA532中基本體現(xiàn)了上述研究成果。我國(guó)耐磨材料每年消耗約數(shù)百萬(wàn)噸,并且以每年15%的速度在增長(zhǎng)。在水泥工業(yè)生產(chǎn)中,由于各種機(jī)械磨損,大量的鋼材被消耗掉。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)水泥產(chǎn)量約13億
4、噸/年,每年水泥工業(yè)消耗鋼材在200萬(wàn)噸以上。其中機(jī)械磨損消耗鋼材占90%以上。在電力行業(yè),針對(duì)火電廠制粉系統(tǒng)中速磨煤機(jī)制造落后的情況,我國(guó)從1980年起先后從西方國(guó)家引進(jìn)了RP、HP、MPS系列磨煤機(jī)制造技術(shù),目前已有2000多臺(tái)國(guó)產(chǎn)中速磨煤機(jī)在火電廠運(yùn)行。國(guó)內(nèi)早期使用的磨煤機(jī)磨輥和磨盤采用鎳硬4(含Cr8%~9%,Ni5.o%~6.5%,C2.6%~3.2%)制造,隨后由于降低成本的需要而采用高鉻鑄鐵替代鎳硬4。由于用高鉻鑄鐵制造的磨輥和磨盤壽命高于鎳硬4,我國(guó)已逐步將高鉻鑄鐵取代了鎳硬4。在高鉻鑄鐵焊接工藝獲得突破后,堆焊耐磨高鉻鑄鐵的技術(shù)在磨煤機(jī)磨輥和磨盤上
5、得到成功應(yīng)用,采用堆焊制造和修復(fù)的磨輥及磨盤的使用壽命相當(dāng)于或者高于鑄態(tài)的高鉻鑄鐵磨輥(最高可達(dá)鑄態(tài)高鉻鑄鐵壽命的1.5倍)。但由于國(guó)內(nèi)煤質(zhì)較差,無(wú)論是鑄態(tài)還是堆焊的高鉻鑄鐵磨輥的壽命僅為4000~8000h,遠(yuǎn)達(dá)不N20000h以上設(shè)計(jì)壽命和磨煤機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行的要求。在現(xiàn)有耐磨合金耐磨性已接近極限的情況下,迫切需要突破現(xiàn)有耐磨合金材料的局限性,開(kāi)發(fā)新的高耐磨復(fù)合材料技術(shù)。綜上,開(kāi)發(fā)新的耐磨材料和防磨表面技術(shù),對(duì)于減少磨損、降低鋼材消耗、節(jié)約能源、促進(jìn)水泥和電力等行業(yè)可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的意義。1金屬陶瓷發(fā)展概述金屬陶瓷是一種由金屬或合金與一種或幾種陶瓷相所組成
6、的非均質(zhì)復(fù)合材料。在金屬陶瓷中,陶瓷相體積分?jǐn)?shù)約占15%~90%,這使得金屬陶瓷既保持有陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度,耐磨損,耐高溫、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性等特性,又有較好的韌性和塑性。金屬陶瓷已成為非常重要的工具材料和結(jié)構(gòu)材料,其用途極其廣泛,幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率的提高起著重要的推動(dòng)作用。金屬陶瓷中陶瓷相通常是由高熔點(diǎn)氧化物(如Al2O3、ZrO2等)、碳化物(如TiC、SiC、WC等)、硼化物(如TiB2、ZrB2、CrB2等)、氮化物(如TiN、BN、Si,N等)組成。硅化物的熔點(diǎn)雖高,但易與金屬反應(yīng),所以在金屬陶瓷的配
7、方中較少采用。作為金屬粘結(jié)相的材料主要有Ni、Co、Fe、Mo等,它們可以單獨(dú)或組合起來(lái)使用,也可以是其它金屬材料,如不銹鋼青銅或高溫合金。為了使金屬陶瓷同時(shí)具有金屬和陶瓷的優(yōu)良特性,需滿足以下幾個(gè)主要條件:(1)金屬對(duì)陶瓷相的潤(rùn)濕性要好。金屬與陶瓷顆粒間的潤(rùn)濕能力是衡量金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)劣的主要因素之一,潤(rùn)濕力愈強(qiáng),則金屬形成連續(xù)相的可能性愈大,金屬陶瓷的性能愈好。(2)金屬相與陶瓷相應(yīng)無(wú)劇烈的化學(xué)反應(yīng)。金屬陶瓷制備時(shí)如果界面反應(yīng)劇烈,形成化合物,就無(wú)法利用金屬相改善陶瓷抵抗機(jī)械沖擊和熱震動(dòng)的性能。(3)金屬相與陶瓷相的膨脹系數(shù)相差不可過(guò)大。金屬陶瓷中的