金屬陶瓷涂覆層研究概述

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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，由這類物料造成機件的磨損。這類物料與機件表面相互作用的方式很多，有沖擊、滾

2、動、滑動和沖刷等。關(guān)于磨粒磨損的分類，當(dāng)前世界各國廣泛認(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％以上的高鉻鑄鐵開發(fā)于20世紀(jì)初，1917年獲得了美國專利。隨后數(shù)十年內(nèi)，由于對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，美國國際鎳公司研究開發(fā)了鎳硬系列耐磨鑄鐵，其中，鎳硬4(NiHard4)于1951年獲美國專利，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Abex公司為改善高鉻鑄鐵的性能進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ClimaxMolybdenum公司又對Mo和Cu在高鉻鑄鐵中的作用進行了系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)80年代，美國內(nèi)政部礦業(yè)局的研究中心又對高鉻鑄鐵的熱處理進行了研究，美國材料試驗學(xué)會制定的“抗磨鑄鐵”標(biāo)準(zhǔn)ASTMA532中基本體現(xiàn)了上述研究成果。我國耐磨材料每年消耗約數(shù)百萬噸，并且以每年15％的速度在增長。在水泥工業(yè)生產(chǎn)中，由于各種機械磨損，大量的鋼材被消耗掉。據(jù)統(tǒng)計，我國水泥產(chǎn)量約13億

4、噸／年，每年水泥工業(yè)消耗鋼材在200萬噸以上。其中機械磨損消耗鋼材占90％以上。在電力行業(yè)，針對火電廠制粉系統(tǒng)中速磨煤機制造落后的情況，我國從1980年起先后從西方國家引進了RP、HP、MPS系列磨煤機制造技術(shù)，目前已有2000多臺國產(chǎn)中速磨煤機在火電廠運行。國內(nèi)早期使用的磨煤機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(最高可達鑄態(tài)高鉻鑄鐵壽命的1．5倍)。但由于國內(nèi)煤質(zhì)較差，無論是鑄態(tài)還是堆焊的高鉻鑄鐵磨輥的壽命僅為4000～8000h，遠達不N20000h以上設(shè)計壽命和磨煤機高效穩(wěn)定運行的要求。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，開發(fā)新的高耐磨復(fù)合材料技術(shù)。綜上，開發(fā)新的耐磨材料和防磨表面技術(shù)，對于減少磨損、降低鋼材消耗、節(jié)約能源、促進水泥和電力等行業(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，幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個領(lǐng)域，對工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率的提高起著重要的推動作用。金屬陶瓷中陶瓷相通常是由高熔點氧化物(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，它們可以單獨或組合起來使用，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具有金屬和陶瓷的優(yōu)良特性，需滿足以下幾個主要條件：(1)金屬對陶瓷相的潤濕性要好。金屬與陶瓷顆粒間的潤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，潤濕力愈強，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)無劇烈的化學(xué)反應(yīng)。金屬陶瓷制備時如果界面反應(yīng)劇烈，形成化合物，就無法利用金屬相改善陶瓷抵抗機械沖擊和熱震動的性能。(3)金屬相與陶瓷相的膨脹系數(shù)相差不可過大。金屬陶瓷中的