表面技术

发布日期:[15-12-27 11:59:42] 浏览人次:[]

表面技术的含义和分类

表面技术是用机械、物理或化学方法,来改变工件表面状态、化学成分、组织结构和应力状态,或施加各种覆盖层,使工件表面具有不同于其基体的某种特殊性能,从而达到特定使用要求的一种应用技术。

图  表面技术的分类

表面技术具有学科的综合性,手段的多样性,广泛的功能性,潜在的创造性,环境的保护性,以及很强的实用性和巨大的增效性。

它可使产品和零部件的局部或整个表面具有如下功能:①提高耐磨性、耐蚀性、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能和自润滑性;②实现自修复性(自适应、自补偿和自愈合)和生物相容性;③改善传热性或隔热性,导电性或绝缘性,导磁性、磁记忆性或屏蔽性,增光性、反光性或吸波性,湿润性或憎水性,黏着性或不黏性,吸油性或干摩性,摩擦因数提高或降低,减振性,密封性,以及装饰性或仿古艺术性等。因而得到了迅速的发展和广泛的应用。可以说没有表面技术,就没有现代机电产品。

表面技术在机械零部件、工程和功能构件等方面的功能

在机械零部件、工程构件、结构材料方面

功  能

常用技术

应用

防护

提高材料或工件表面的耐蚀性、耐热性、耐氧化性和防辐射性

针对不同腐蚀情况,选用不同耐蚀涂层

耐磨

磨损大体分磨料、粘着、疲劳腐蚀、冲蚀、汽蚀等磨损。正确确定磨损类别,合理选择表面技术,可有效提高材料或工件表面的耐磨性

根据磨损类别,选择相应表面技术,涂覆有关涂(膜)层,如硬质膜、固体润滑膜、耐磨耐热膜、耐磨耐蚀膜等

强化

主要指通过各种表面强化处理来提高材料或工件表面抵抗除腐蚀和磨损之外的环境作用能力,如提高工件的疲劳强度

化学热处理、喷丸、滚压、激光表面处理

在制造业、汽车工业中得到广泛应用

修复

磨损、剥落、锈蚀,使工件外形尺寸变小以致尺寸超差,或强度降低,修复不仅可修复尺寸精度,而且还可提高表面性能,延长使用寿命

堆焊、电刷镀、热喷涂、粘涂等

工程中各种金属零部件的修复

装饰

表面装饰主要包括光亮(镜面、全光亮、亚光、光亮缎状、无光亮缎状等)、色泽(各种颜色和多彩等)、花纹(各种平面花纹、刻花和浮雕等)、仿照(仿贵金属、仿大理石、仿花岗石等)多方面特性

选用相应表面技术制成如光亮膜、亚光膜、色泽膜、仿照膜等

可对各种材料表面装饰,方便、高效,而且美观、经济,故应用广泛

在环保>、医疗、卫生方面

净化

大气

表面技术制成的催化剂载体等,是回收、分解和替代使用各种燃料、原料产生的大量CO2、NO2、SO2等有害气体的有效途径之一

涂覆、气相沉积等

催化剂载体

净化水质

膜材料是重要的净化水质的材料,可用来处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化等

这方面的表面技术在迅速发展

膜材料

抗菌

灭菌

有些材料具有净化环境的功能。其中二氧化钛催化剂可以将一些污染的物质分解掉,使之无害。过渡金属Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增强TiO2的光催化作用,而且有抗菌、灭菌作用(特别是Ag和Cu)。日本利用表面技术开发出了一种把具有吸附蛋白质能力的磷灰石生长在二氧化钛表面而制成的高功能二氧化钛复合材料

这种高功能二氧化钛复合材料能够完全分解吸附的菌类物质,不仅可以半永久使用,而且还可以制成纤维和纸,用作广泛的抗菌材料

吸附杂质

用一些表面技术制成的吸附剂,可以除去空气、水、溶液中的有害成分以及具有除臭、吸湿等作用

在氨基甲酸乙酰泡沫上涂覆铁粉,经烧结而成的除臭剂,用于冰箱、汽车内

去除藻类污垢

运用表面化学原理制成特定的组合电极,例如Cl-Cu组合电极

用于除去发电厂沉淀池、热交换器、管道等内部的藻类污垢

活功能

远红外线具有活化空气和水的功能,活化的空气和水有利于人的健康

在水的净化器中加上远红外陶瓷涂层装置,能活化水

生物医学

医用涂层可在保持基体材料特性的基础上,或增进基体表面的生物学性质,或阻隔基材离子向周围组织溶出扩散,或提高基体表面的耐磨性、绝缘性等,促进了生物医学材料的发展

等离子喷涂、气相沉积、离子注入、电泳等

在金属材料上涂以生物陶瓷,用作人造骨、人造牙、植入装置导线的绝缘层等

绿色能源

提高能量转换效率

是许多绿色能源装置如太阳能电池、半导体制冷器等制造的基础之一;用于制造固体氧化物燃料电池中的极板和电解质

优化环境

在研制能调光、调温的“智能窗”中,表面技术发挥了积极作用

利用涂覆、镀膜等使窗可按人的意愿来调节光的透过率和光照温度

治疗疾病

用表面技术和其他技术制成的磁性涂层敷在人体的一定穴位,有治疗疼痛、高血压等功能。敷驻极体膜,具有促进骨裂愈合等功能

在功能材料和器件方面

功能

常用技术

应用

功能

常用技术

应用

功能

常用技术

应用

光学特性

反射性

电镀、化学转化处理、涂装、气相沉积

反射镜

电学特性

半导性

 

半导体材料

热学特性

保温性、绝缘性

 

保温材料

防反射性

防眩零件

波导性

 

(膜)波导管

耐热性

耐热涂层

增透性

激光材料增透膜

低接触电

阻特性

开关

吸热性

吸热材料

光选择透过

反射红外线、

透过可见光的

透明隔热膜

化学

特性

选择过滤性

大多数表面技术

分离膜材料

磁学

特性

存储记忆

气相

沉积

、涂

装等

磁泡材料

活性

活性剂

磁记录

磁记录介质

耐蚀

防护涂层

分光性

用多层介质膜

组成的分光镜

电磁屏蔽

电磁屏蔽材料

防沾污性

医疗器件

杀菌性

餐具镀银

光选择吸收

太阳能选择吸收膜

声学

特性

声反射和

声吸收

涂装

、气

相沉

积等

吸声涂层

功能

转换

光-电转换

涂装

、气

相沉

积、

粘涂

、等

离子

喷涂

薄膜太阳能电池

偏光性

起偏器

电-光转换

电致发光器件

发光

光致发光材料

声表面波

声表面波器件

热-电转换

电阻式温度传感器

光记忆

薄膜光致变色材料

电-热转换

薄膜加热器

电学

特性

导电性

涂装

、化

学镀

、气

相沉

积等

表面导电玻璃

热学

特性

导热性

电镀

、涂

装、

气相

沉积

散热材料

光-热转换

选择性涂层

超导性

用表面扩散制成

的Nb-Sn线材

热反射性

热反射镀膜玻璃

力-热转换

减振膜

力-电转换

电容式压力传感器

约瑟夫逊效应

约瑟夫逊器件

耐热性、

蓄热性

集热板

磁-光转换

磁光存储器

各种电阻特性

膜电阻材料

绝缘性

绝缘涂层

热膨胀性

双金属温度计

光-磁转换

光磁记录材料

在研

制和

生产

新型

材料

方面

新 型 材 料

表面技术

表面技术所起作用

名称

特  点

应  用

金刚石

薄膜

为金刚石结构。硬度高达80~100GPa,室温热导率达到11W/(cm·K),是铜的27倍,有较好的绝缘性和化学稳定性,在很宽的光波段范围内透明;与Si、GaAs等半导体材料相比,有较宽的禁带宽度

它在微电子技术、超大规模集成电路、光学、光电子等方面有良好的应用前景,有可能是继Ge、Si、GaAs之后的新一代半导体材料

热化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等

过去制备金刚石材料是在高温高压条件下进行的,现在利用所列表面技术,在低压或常压条件下就可以制得

类金刚

石碳膜

是一种具有非晶态和微晶结构的含氢碳化膜,又名i-C膜、a-C、H膜等。其化学键为sp3和sp2。在拉曼谱上特征峰为1552~1558cm-1的漫散峰,而金刚石的特征峰为1333cm-1。类金刚石碳膜的一些性能接近金刚石膜,如高硬度、高热导率、高绝缘性,良好的化学稳定性,从红外到紫外的高光学透过率等

可考虑用作光学器件上的保护膜和增透膜、工具的耐磨层、真空润滑层等

所用的表面技术与金刚石薄膜相似,但条件较低

通常可用低能量的碳氢化合物等离子体分解或碳离子束沉积技术来制得,因而设备较为简单,成本较低,容易实现工业生产。缺点是结构为亚稳态等

立方氮

化硼

薄膜

为立方结构。硬度仅次于金刚石,而耐氧化性、耐热性和化学稳定性比金刚石更好。具有高电阻率、高热导率。掺入某些杂质可成为半导体

正逐步用于半导体、电路基板、光电开关以及耐磨、耐热、耐蚀涂层

以化学气相沉积和物理气相沉积为主

不仅能在高压下合成,也可在低压下合成,具体方法很多,主要的有左列两种

超导

薄膜

用YBaCuO等高温超导薄膜可望制成微波调制、检测器件,超高灵敏的电磁场探测器件,超高速开关存储器件

用于超高速计算机等

主要用物理气相沉积如真空蒸发、溅射、分子束外延等方法制备。沉积膜为非晶态,经高温氧化处理后,转变为具有较高转变温度的晶态薄膜

LB

薄膜

LB薄膜是有机分子器件的主要材料。它是由羧酸及其盐、脂肪酸烷基族以及染料、蛋白质等有机物构成的分子薄膜

在分子聚合、光合作用、磁学、微电子、光电器件、激光、声表面波、红外检测、光学等领域有广泛的应用

将有机高分子材料溶于某种易挥发的有机溶剂中,然后滴在水面或其他溶液上,待溶剂挥发后,液面保持恒温和被施加一定的压力,溶质分子沿液面形成致密排列的单分子膜层。接着用适当装置将分子逐层转移,组装到固体载片,并按需要制备几层到数百层LB膜

超微

颗粒

膜材料

是将超微颗粒嵌于薄膜中构成的复合薄膜

在电子、能源、检测、传感器等许多方面应用前景良好

通常用两种在高温互不相溶的材料组合制成复合靶,然后在基片上生成复合膜。改变靶膜中的组分的比例,可以改变膜中颗粒大小和形态

非晶

硅薄膜

非晶硅太阳电池的转换效率虽不及单晶硅器件,但它具有合适的禁带宽度(17~18eV),太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶硅大一个数量级,便于采用大面积薄膜工艺生产,因而工艺简便,成本低廉

这种薄膜还可制成摄像管的靶、位敏检测器件和复印鼓等

等离子体增强化学气相沉积等

微米硅

又称纳米晶。晶粒尺寸在10nm左右。它的带隙达2.4eV,电子与空穴迁移率都高于非晶硅两个数量级以上,光吸收系数介于晶体硅与非晶硅之间

可取代掺氢的SiC作非晶硅太阳电池的窗口材料,以提高其转换效率,也可制作异质结双极型晶体管、薄膜晶体管等

等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射等

多孔硅

多孔硅的孔隙度很大,一般为60%~90%。可用蓝光激发它在室温下发出可见光,也能电致发光

可制成频带宽、量子效率高的光检测器,它的禁带宽度明显超过晶硅

以硅为原料在以氢氟酸为基的电解液中阳极氧化而制得

碳60

由60个碳原子组成空心圆球状,它的四周是由12个正五边形碳环(碳-碳单键结构)和20个正六边形碳环(苯环式)构成,宛如一个“足球”

碳60分子的物理性质相对稳定,化学性质相对活泼,它和它的衍生物具有潜在的应用前景。已发现K3C60以及Rb、Cs等碱金属掺杂的超导性。目前这类材料的Tc已超过40K,高于其他有机超导体,进一步发展后,可望成为一种高性能、低成本的超导材料

碳60是Rohlfing等人在1984年将碳蒸气骤冷淬火时,通过质谱图发现的

纤维

补强

陶瓷

基复

合材料

是以各种金属纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维为增强体,以水泥、玻璃陶瓷等为基体,通过一定的复合工艺结合在一起所构成的复合材料

这类材料具有高强度、高韧性和优异的热学、化学稳定性,是一类新型结构材料

目前除了纤维增强水泥基复合材料碳-碳复合材料等已获得实际应用外,还有许多重要的纤维补强陶瓷仍处于实验室阶段,但在一系列高新技术领域中有着良好的应用前景

复合材料在力场中,只有通过界面才能使增强剂和基体二者起到协同作用。界面是影响复合材料性能的关键之一。在一些重要的复合材料中,如碳纤维补强陶瓷基复合材料等,纤维必须通过一定的表面处理,使纤维与基体“相容”

梯度

功能

材料

根据要求选择两种或多种不同性质的材料,连续地改变各材料的组成和结构,使其结合部位的界面消失,得到连续、平稳变化的非均质材料。其组织连续变化,层间内应力降低,材料的功能随之变化

这种材料用于航空、航天领域,可以有效地解决热应力缓和问题,获得耐热性与力学强度都优异的新功能。此外,还可望在核工业、生物、传感器、发动机等许多领域有广泛的应用

许多表面技术如等离子喷涂、离子镀、离子束合成薄膜技术、化学气相沉积、电镀、电刷镀等,都是制备梯度功能材料的重要方法

表面技术的特点与应用

镀覆方法

操 作

特  点

应 用

是利用机械、物理或化学等工艺手段,在工件表面制备一涂层或膜层。其化学成分、组织结构可以和工件材料完全不同,以满足工件表面性能,如耐磨、耐蚀、耐热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命、涂层与工件基材的结合强度适应工况要求、经济性好、环境性好为准则。涂层的厚度可以为几毫米或几微米。通常在工件表面预留加工余量,以实现表面具有工况需要的涂层厚度。与表面改性和表面处理相比,其约束条件少,技术类型和材料的选择空间大,因而属于这类的表面技术非常多,应用也最为广泛

是由电子直接参加化学反应的表面沉积工艺方法

槽镀

是指在含有欲镀金属的盐类溶液中,以被镀工件为阴极,通过电解作用,使镀液中欲镀金属的阳离子在工件表面沉积出来,形成镀层的方法

可沉积单金属,如锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种;合金,如锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等100多种及复合镀层;可形成较厚镀层,镀层性能不同于工件金属,功能多样,工艺成熟,质量稳定,适合批量生产。因在槽中施镀,需要厂房、镀槽及辅具、废水等配套设备,工件受镀槽尺寸限制,非电镀部分需加保护

制备防护性镀层、装饰性镀层和功能性镀层。功能性镀层有耐磨、减摩、抗高温氧化、导电、磁性、焊接修复性镀层以及工业生产中应用的其他功能性镀层

流镀

用强制手段使电解液高速流过阴、阳极的窄小空间(1~10mm)沉积出镀层的方法

适用于外形简单或规则的工件,电流密度大,生产效率高

但需根据具体工件制作专用设备、夹具或自动控制装置

轴类零件、型材、活塞杆、印刷电路、缸套等镀覆镍、铁、铜、锌、铬、金等

脉冲

电镀

用脉冲电流施镀

脉冲电流有方波、锯齿波等,导通时间短,峰值电流大,可改善深镀能力和分散能力,降低孔隙,提高镀层质量,提高电流效率,但需要大电流脉冲电源

制备金、银、镍等镀层

电铸

用电化学方法将金属沉积在芯膜上,后将两者分离,制出与芯模逆反形状的制品的方法

芯模可用低熔点金属、蜡、石膏等制作,电铸金属常用铜、镍、铁等

制作复制品、冲压模、塑料挤出模、吹塑模、玻璃模、橡胶模及金属箔、网

电刷镀

用吸水材料包裹阳极镀笔,浸满镀液,在阴极工件表面刷涂形成镀层的方法

不用镀槽,设备简单,工艺灵便,镀层种类多,电流密度大,镀积速度快,工件尺寸不受限制,能完成许多槽镀不能完成或不易完成的电镀工作。适于大型零件局部表面处理及对工件进行现场不解体修复

修复零件,制备各种耐蚀、耐磨及功能性镀层

化学镀

在固体表面催化作用下通过水溶液中还原剂与金属离子在界面的氧化-还原反应产生金属沉积的方法

不用外电源,设备简单,镀层致密,孔隙率低,可在复杂表面上沉积出均匀的镀层,容易制取非晶态镀层和特殊功能性镀层,可在非金属基材上沉积;沉积速度慢,常需维持较高操作温度,镀液稳定性低,寿命较短,生产维护较难。均镀能力比电镀好

制备各种耐蚀、耐磨、减摩及功能性镀层。可自催化沉积Ni、Co、Pd、Cu、Au、Ag等十几种单金属镀层和多种合金镀层

是利用气相之间的反应,在各种材料或工件表面沉积单层或多层薄膜,使其获得所需的优异性能。可分物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积是在真空条件下,利用各种物理方法将镀料气化成原子、分子或离子化为离子,直接沉积到基体表面的方法。化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基体,借助气相作用或基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜;它比物理气相沉积具有更好的覆盖性,可以在深孔、阶梯、洼面或其他复杂的三维形体上沉积

(PVD)

真空

蒸发

是将工件放入真空室,并用一定方法加热镀膜材料,使其蒸发或升华,飞至工件表面凝聚成膜

薄膜的沉积速率较高,纯度易于保证。工件材料有金属、半导体、绝缘体及塑料、纸张、织物等;镀膜材料有金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。加热方式有电阻、高频感应、电子束、激光、电弧加热等

最适合制备成分较简单、膜纯度要求较高的金属和化合物薄膜。能制备金属磁记录薄膜和热障陶瓷涂层等

溅射

是将工件放入真空室,并用正离子轰击作为阴极的靶(镀膜材料),使靶材中的原子、分子逸出,飞至工件表面凝聚成膜

溅射镀膜的致密性和结合强度较好,基片温度较低,但成本较高。溅射粒子的动能约10eV左右,为热蒸发粒子的100倍。按入射离子来源不同,分为直流溅射、射频溅射和离子溅射。入射离子的能量还可用电磁场调节,常用值为10eV。比真空蒸镀法制得的膜更为致密,其附着力也较高

制备各种金属和合金薄膜,各种化合物和各种不同物质有机组合而成的多层薄膜,以及宽度达数米、厚度均匀性很高的各种薄膜

离子镀

是将工件放入真空室,并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源(镀膜材料)逸出的气相粒子电离,在离子轰击的同时,把蒸发物或其反应物沉积在工件表面成膜

是一种等离子体增强的物理气相沉积,镀膜致密,结合牢固,可在工件温度低于550℃时得到良好的镀层,绕镀性也较好,即使形状复杂的工件也可得到均匀涂覆,沉积速率高,通常为1~50μm/min,而溅射(二极型)只有0.01~1μm/min。可镀材质广泛,可在金属或非金属,包括石英、陶瓷、玻璃、塑料、橡胶等表面上涂覆不同性能的单一镀层、化合物镀层、合金镀层及复合镀层

制备耐磨、耐蚀镀层、润滑镀层、各种颜色的装饰镀层,以及电子学、光学、能源科学所需的特殊功能性镀层

(CVD)

化学气

相沉积

(CVD)

是将工件放入密封室,加热到一定温度,同时通入反应气体,利用室内气相化学反应在工件表面沉积成膜

其物质源可以是气态、液态和固态,沉积过程包括:①反应气体到达基材表面;②反应气体分子被基体表面吸附;③在基体表面产生化学反应;④化学反应生成物从基体表面扩散。采用的化学反应有:热分解、氢还原、金属还原、化学输送反应、等离子体激发反应、氧化反应等。工件加热方式有电阻、高频感应、红外线加热等。设备和操作费用相对较低,适合于批量生产和连续生产,与其他加工过程有很好的相容性,与其他方法相比,更突出的是它可以在很宽的范围内控制薄膜的化学计量比

可以制备各种涂层,如各种冶金涂层、防护涂层和装饰涂层;粉末、纤维和成形元器件。广泛用于微电子-光电子集成技术、光电子技术、微电子技术、半导体材料以及工具、模具、磨具等

等离子

体增强

CVD

(PECVD)

是依靠等离子体能量激活CVD反应,利用等离子体产生的化学性质活泼的离子和原子团沉积成膜

在热CVD工艺中,CVD化学反应是靠热能激活的,因此沉积温度一般较高,对于许多应用来说是不适宜的。而本法是利用等离子体能量激活CVD反应,因此可以显著地降低衬底的温度,并使许多在热CVD条件下进行十分缓慢或不能进行的反应能够得以进行;其次可以减小由于薄膜和衬底热膨胀系数不匹配造成的内应力;还可提高沉积速率,改善膜厚均匀性,并有利于得到非晶态和微晶态薄膜,两者往往具有独特的优异性能

可制备钝化膜、光学纤维、金刚石膜、类金刚石膜,摩擦、磨损、腐蚀防护等涂层;广泛应用于半导体器件、半导体光电器件、集成电路、切削工具以及电子、热学、工具等方面

激光

CVD

(LCVD)

是利用激光的能量激活CVD化学反应进行沉积成膜

它的沉积机制有两种:①光热解机制,光子加热了衬底,使在衬底发生要求的CVD反应,但其光热分解反应相对于热CVD的优点是可利用激光束快速加热和脉冲特性在热敏感衬底上沉积;②光化学机制,其化学反应是靠光子激活的,因此不需要加热,沉积有可能在室温下进行,但其沉积速率太慢,限制了它的应用

热解LCVD用来制作不同材料的耐氧化、耐蚀和耐磨损涂层;而光解LCVD通常用来沉积电子材料和同位素分离。可有效控制薄膜沉积过程及薄膜尺寸

它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融,以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面,形成牢固的涂覆层

火焰喷涂

是利用乙炔等燃料与氧气燃烧时所释放出的化学能产生热源,喷制涂层

可以喷涂各种金属、非陶瓷、塑料及尼龙等材料,使用设备简单轻便,可移动,价格低于其他喷涂设备,成本低,手工操作,灵活方便。但火焰线材喷涂,由于喷出熔滴大小不均,因而涂层不均匀,孔隙大

除广泛应用于维修工作,加工工件不当的修复外,已大量直接用于新产品的设计,并开发出许多新材料、新涂层,为生物工程新材料、某些领域的压电陶瓷材料、非晶态材料以及宇航技术中应用的防远红外、微波、激光等功能性涂层。一般常用耐磨、耐蚀、耐热、耐氧化以及导电、绝缘等涂层

电弧喷涂

是通过相互呈15°~30°的两根金属丝之间产生的电弧热能将丝材熔化,利用高压气流将熔化的金属雾化喷制涂层

①涂层性能优异。可以在不提高工件温度、不使用贵重底材的情况下获得性能好、结合强度高的表面涂层,是火焰喷涂涂层的2.5倍。②喷涂效率高。单位时间内喷涂金属的重量大,生产效率正比于电弧电流。如:当电弧喷涂电流为300A时,喷Zn,30kg/h;Al,10kg/h;不锈钢,15kg/h,比火焰喷涂提高了2~6倍。③能源利用率达57%,而等离子喷涂和火焰喷涂分别只有12%和13%④经济性好,其费用通常约为火焰喷涂的1/10。设备投资一般为等离子喷涂设备的1/5以下。⑤安全性好。仅使用电和压缩空气。⑥设备相对超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂简单、轻、小,便于现场施工

等离子

喷涂

利用钨极与水冷铜电极之间产生非转移型压缩电弧,获得高温、高压等离子射流进行喷涂

①基体受热温度低(<200℃),零件无变形,不改变基体金属的热处理性质,因此,可以喷涂一些高强度钢或一些薄壁的、细长的零部件;②喷焰温度高,可喷涂材料非常广泛,包括金属或合金涂层、陶瓷和一些高熔点的难熔金属,这是燃烧火焰或电弧热喷涂难以达到的;③等离子射流速度高,因此形成的涂层更致密,结合强度更高,特别是在喷涂高熔点的陶瓷粉末或难熔金属等方面更显示出独特的优越性

悬浮液

热喷涂

是采用一定的溶液与喷涂微粉制成悬浮液,以液体为载体将粉末送入热源中实现均匀喷涂

作为载体的溶液可以是水、乙醇等简单的载体溶液,也可以是受热后发生化学反应生成某种物质的金属有机或无机盐类溶液。当完全用金属有机或无机盐类溶液作原料时,可通过化学反应生成目标沉积物质制备涂层,称为液体热喷涂

采用钛酸丁酯乙醇溶液,可以通过反应制备TiO2涂层。其特点是可以制备纳米结构涂层

激光

喷涂

在工件被一辅助激光加热器加热的同时,用激光束接近工件表面直射,这时需喷的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化黏结到工作表面,形成涂覆层

获得的涂层结构与原始粉末相同,与工件表面结合良好。可喷涂从低熔点到超高熔点的涂层材料

可制备如高超导薄膜、固体氧化物燃料电池的陶瓷涂层等

气体爆

燃喷涂

是一种利用可燃气体混合物有方向性的爆燃,将被喷涂的粉末材料加热,加速轰击到工件表面形成涂层的方法,其涂层结合强度高(可达250MPa)、致密度好(孔隙率0.5%~3.0%),喷涂材料广泛,工件受热小,不发生相变或形变,操作简便,易于掌握,制备耐磨、耐蚀涂层有独特优势

从航空、航天逐步向冶金、机械、纺织、石油、化工、钻探、造纸、生物、医学等方面发展

超音速

火焰喷涂

(HVOF)

第三代HVOF:火焰功率达100~200kW,可实现高效喷涂,喷涂速率可达6~8kg/h(WC-Co),为其他轴向送粉枪的2倍,粒子速度可达300~650m/s,高速粒子使涂层产生压应力;粒子与周围大气接触时间短,对喷涂碳化物金属陶瓷能有效避免其分解和脱碳;高速区范围大,可操作喷涂距离大(150~300mm),工艺性好;火焰温度比等离子喷涂要低很多。因此喷涂WC和硬质合金类效果最佳。其涂层的孔隙率可小于0.5%,结合强度可达150MPa,接近或达到爆燃喷涂层的质量,涂层的耐磨性能与爆燃喷涂层相当,显著优于等离子喷涂层和电镀硬铬层

是采用温度远低于材料熔点的超音速气流(一般低于600℃),将具有一定塑性变形能力的粉末加速到某一临界速度以上,通过与基体的塑性碰撞实现涂层沉积的方法

①可以避免喷涂粉末的氧化、分解、相变、晶粒长大等

②对基体几乎没有热影响

③可以用来喷涂对温度敏感材料,如易氧化材料、纳米结构材料等

④粉末可以进行回收利用

⑤涂层组织致密,可以保证良好的导电、导热等性能

⑥涂层内残余应力小,且为压应力,有利于沉积厚涂层

⑦送粉率高,可以实现较高的沉积效率和生产率

⑧噪声小,操作安全

喷涂具有一定塑性的材料如纯金属、金属合金、金属陶瓷、塑料以及金属基复合材料等,甚至可以在金属基体上制备较薄的陶瓷功能涂层。不但可制备高硬度、耐磨损、耐蚀、导电、导热、导磁等性能的涂层,也用于快速成形,直接生产零部件

氧-乙炔

火焰堆焊

是用焊接方法把填充金属熔敷在金属工件表面,以满足工艺要求的性能和尺寸的方法

①在各种表面技术中,堆焊的表面(镀)层最厚,特别适合严重磨损工况下工件表面的强化或修复;②堆焊层与工件基材为冶金结合,剥落倾向小,因而容易满足各种要求,适用范围广;③受工件大小、形状的限制小,有利于现场施工;④能堆焊的合金种类多,有铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等几种类型,且焊层致密

可制备包覆层、耐磨层、堆积层和隔离层(用于焊接异种或有特殊要求的材料时,防止基材的不良影响等情况)

手工电弧堆焊

气体保护堆焊

埋弧堆焊

等离子弧堆焊

电渣堆焊

电火花堆焊

熔敷

(熔结)

氧-乙炔

火焰熔结

与堆焊相似,也是在材料或工件表面熔敷金属涂层,但用的涂敷金属是以铁、镍、钴为基,含有强脱氧元素硼和硅而具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金

金属表面强化有多种,其中表面冶金强化是常用的一种,它包括四个方面:表面熔化-结晶处理;表面熔化-非晶态处理;表面合金化;涂层熔化,凝结于表面。涂层熔化,凝结于表面,可以是直接喷焊(一步法),也可以是先喷后熔(二步法),冷凝后形成与基体具有冶金结合的表面层,通常简称为熔结。与表面合金化相比,特点是基体不熔化或熔化极少,因而涂层成分不会被基体金属稀释或轻微稀释

所用工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等

真空熔结涂层主要用于耐磨、耐蚀涂层、多孔润滑涂层、高比表面积涂层和非晶态涂层,还可熔结成形、熔结钎接、熔结封孔、熔结修复等

真空电

热熔结

激光熔结

电子束熔结

热浸镀

是将工件浸在熔融的液态金属中,使工件表面发生一系列物理和化学反应,取出后表面形成金属镀层

镀层金属的熔点必须低于基体金属,而且通常要低得多。常用的镀层金属有锡、锌、铝、铅、Al-Sn、Al-Si、Pb-Sn等。基体材料为钢、铸铁、铜,以钢最为常用。热浸镀工艺包括表面预处理、热浸镀和后处理三部分。可分为熔剂法和保护气体还原法

提高工件的防护能力和延长使用寿命

粘涂

是将二硫化钼金属粉末和纤维等特殊填料的胶黏剂,直接涂覆于材料或工件表面形成涂层的方法

它具有粘接技术的大部分优点,如应力分布均匀,容易作到密封、绝缘、耐蚀和隔热等。且工艺简单,不需要专门设备,通常在室温下操作,不会使工件产生热影响和变形等。能粘涂各种不同的材料。粘涂厚度可以从几十微米到几十毫米。具有良好的结合强度。该工艺适应面广,除可用于一般零件外,突出优点是对无法焊接的工件、薄壁件、复杂件、有爆炸危险的零件,以及需要现场修复的零件也都可使用。粘涂层材料品种繁多,一般由黏料、固化剂、特殊填料及辅助材料等组成

可制备耐磨、耐蚀、耐高温(低温)涂层,密封堵漏涂层,保温、导电、导磁、绝缘、抗辐射等涂层。目前主要用于表面强化和修复

是以涂料为原料,通过涂装方法使涂料在被涂工件表面形成牢固的、连续的涂膜,而发挥装饰、防护和特殊功能等作用的方法

刷涂

最简便,所用工具简单,适用各种材质、各种形状的工件的涂装,除极少数流平性较差或干燥较快的涂料不适宜外,大部分油性、合成树脂、水性涂料等都适应;它不受涂装场所、环境条件的限制,应用范围广,但效率低,工作条件差,涂膜外观易出现刷痕

刮涂

主要用于刮涂腻子,修饰工件凹凸不平的表面,工件的造型缺陷,广泛用于铸造成形物等

滚刷

比刷涂效率高一倍,但对窄小的工件和棱角、圆角等形状复杂的部位比较困难,用于船舶、桥梁、大型机械、建筑涂漆

浸涂

适用于形状复杂工件,如热交换器、弹簧等,但对带有深槽、不通孔等部位,能积存余漆且不易除去的工件不宜采用

淋涂

和浸涂差不多,都是用过量的涂料润湿、黏附、覆盖工件表面,并借助涂料自身重力流平,滴去余漆成膜,用于会漂浮不易浸涂的大型板状、中空类的工件,不适于形状复杂和有易存留余漆部位的工件

转鼓涂

是将工件与涂料同置入密闭的鼓形容器中,借助转鼓转动,使工件相互摩擦,将涂料均匀地涂覆在工件表面,用于批量多的小件,如小五金等

压缩空

气喷涂

几乎适应各种涂料和各种工件,虽然目前有许多新的涂装方法,但它仍是应用最广泛的涂装方法之一。简称压气喷涂

高压无

气喷涂

不需要借助压缩空气喷出使涂料雾化,而是给涂料施加高压使涂料喷出时雾化的工艺,涂装效率比压气喷涂高3倍以上,漆膜质量好,避免了压气对漆膜造成的不良影响,减少环境污染,对涂料黏度适应范围广,可获得较厚的漆膜。简称无气喷涂

静电

涂装

是在喷枪口(或喷盘)与工件之间形成一高压静电场,工件接地为阳极,喷枪口为负高压,当电场强度足够高时,枪口附近的空气即产生电晕放电,使空气发生电离,当涂料粒子通过枪口带上电荷,成为带电粒子,在通过电晕放电区时,进一步与离子化的空气结合而再次带电,并在高压静电场的作用下,向极性相反的工件运动,沉积于工件表面形成涂层。可多支喷枪同时喷涂,与压气喷涂比,效率提高1~3倍(盘式更高),涂料利用提高1~2倍,可获得均匀、平整、光滑、丰满的高装饰性涂层,并显著改善了涂装作业环境,但存在高压火花放电,易引起火灾危险,尖端效应对坑凹部位会产生电场屏蔽,形成涂层较薄,需手工补喷,对涂料的电性能也有一定要求,并易受环境温度、湿度的影响

可制备高级装饰性涂层

广泛用于汽车、电器、家电、小五金等工业领域

电泳

涂装

是将工件浸渍在水溶性涂料中作为阳极(或阴极),另设一与其相对应的阴极(或阳极),在两极间通直流电,通过电流产生的物理化学作用,使涂料沉积在工件表面。分阳极电泳(工件是阳极,涂料是阴离子型)和阴极电泳两种

①两种电泳用的涂料均是与传统涂料完全不同的水溶性涂料体系;用电沉积工艺

②易于实现机械化、自动化,大大减轻了劳动强度,提高了生产率、涂料利用率

③涂层均匀,边缘覆盖性好,有优异的附着力及抗冲击强度

④从根本上改善了劳动条件和环境污染

⑤阴极电泳涂膜耐蚀性突出,其耐盐雾性一般为阳极电泳的3~4倍,达720~1000h,耗电量少30%,泳透力为阳极电泳的13~15倍,适用于形状复杂的工件,如汽车车身的涂装,不需要加辅助电极即可获得厚度均匀的涂层,从而简化了工艺。其缺点是电泳液对设备有腐蚀性,相关设备要用不锈钢制作,成本较高。以环氧树脂为基础的阴极电泳涂层耐候性较差,只能作耐蚀性底漆,若面漆透光性太高,仍易引起底漆粉化,导致面漆剥落,应加中间涂层

流化

床涂装

是先将净化的压缩空气通入气室,气流均压后,通过微孔板进入流化槽中,把槽中的粉末涂料搅动上浮,形成平稳悬浮流动的沸腾状态,再将预热到粉末涂料熔点以上温度的工件浸入槽中,粉末涂料接触到工件立即黏附、熔融在工件表面,然后取出工件加热烘烤,形成连续均匀的涂层

对热塑性和热固性粉末涂料均适应,但对热容量小的工件不一定适用

主要用于绝缘和耐蚀涂层,广泛用于家用电器和生活用品的工业领域

是不改变工件基质材料的化学成分,只改进表面组织结构,达到改善表面性能的目的

喷丸

是利用高速弹丸强烈冲击零件表面,使之产生形变硬化层,引进残余应力的一种再结晶温度以下的强化方法

①可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀(孔蚀)能力

②能减弱或消除许多表面缺陷的影响,使表面层浅的缺陷压合,产生超过缺陷深度的压应力层

③设备简单,操作简便,耗能少,生产效率高

④不受工件表面状态的限制。适于各种普通钢、高强度钢和有色金属的表面处理,适应性广

广泛应用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮、轴承、涡轮盘、模具、工具以及焊接件的防腐和延长寿命等方面

滚压

是利用辊轮对工件表面施加滚压力,实现滚压强化的方法。如图a

对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化,并能产生约5mm深的残余压应力,如图b所示,目前滚压强化用的辊轮、滚压力大小等尚无标准

孔挤

是使孔的内表面获得形变强化的方法,效果明显

感应加热

表面淬火

是将工件放入感应圈内,通以交流电后,圈内形成交流磁场,工件被加热,引起感应电动势,在工件内产生闭合电流,即涡流,在每一瞬间,涡流的方向与感应线圈中电流方向相反,由于工件的电阻很小,所以涡流很大,工件被迅速加热到淬火温度,喷水快冷,形成表面硬化的方法

它具有加热温度高,加热效率高,温度容易控制,可局部加热,适用形状复杂的工件,工件容易加热均匀,表面氧化脱碳小,变形小,便于机械化、自动化,作业环境好等特点

所得表面组织为细小隐晶马氏体,碳化物质点弥散分布,质量稳定,表面硬度比普通淬火高2~3HRC,耐磨性也高了

激光加热

表面淬火

是以高能密度的激光束照射工件表面,使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化为热能,使激光作用区的温度急剧上升,形成奥氏体,并在激光停止辐射后,快速自淬火,获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的方法

它不需外加淬火介质;加热、冷却快;工艺简便易行,一般不需后续加工即可直接装配;并可不回火即能应用;特别适合形状复杂、体积大,精加工后不宜采用其他方法强化的工件;处理的工件表面光滑,变形小,硬化层硬度很高;它可在工件表面有选择性地局部产生硬化带,以提高耐磨性;还可通过在表面产生压应力,提高表面疲劳抗力

电子束加热

表面淬火

是采用散焦方式的电子束轰击金属工件表面,控制加热速度为103~105℃/s,使工件表面加热到相变点以上、熔点以下时,自身淬火冷却(冷速可以超过105K/s)达到表面硬化

本法所得硬化层的硬度比感应加热、火焰加热等方法所得硬化层硬度高3~4HRC,组织也更加细化。硬化层深度一般为几微米到几毫米,摩擦性能得到大幅度提高,疲劳性能也得到改善

适用于低碳钢、合金结构钢、轴承钢、工具钢以及白口铁和灰铸铁

表面纳米

化加工

是目前已经开发出来的8种实用纳米表面工程技术中的一种

金属表面纳米晶化可以通过不同方法实现。例如,应用超声冲子冲击工艺,可以在Fe或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为10~20nm的表面层。超声冲子冲击450s后,纯Fe表面层的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相,晶粒平均尺寸为10nm,而Fe的原始晶粒尺寸为50nm

改善表面力学性能使后续渗扩处理节省能源,缩短时间

是通过改变工件表面的化学成分,达到改善表面组织结构和性能的目的

(表

扩)

非金属元素

(如C、N、B、S)表面渗扩

是将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热,使渗入元素的活性原子或离子通过吸附、扩散渗入工件表面中,以改变其表层的成分、组织和性能

①大多数化学热处理形成的表面层与基体没有明显的界面,表面化合物层与其基体为冶金结合,故其结合强度比镀/涂层高得多

②选择合适的渗入元素及改变工艺条件(如温度、时间等)可形成从几十微米到几毫米的渗层深度范围

③一些化学热处理可原位形成表面复合处理层,即表面化合物层及其底下的扩散层,以获得高的表面耐磨性或耐蚀性和很高的承载能力,同时,大多数化学热处理及渗碳、渗氮等,还可以在表面层中引入残余压应力,以提高材料的疲劳强度

④化学热处理与离子注入、气相沉积及高能束等近代表面技术相比,具有成本低、不受工件几何形状和尺寸的限制等优点

但多数传统的化学热处理工艺较复杂,处理周期长,耗能高,有一些化学热处理工艺,特别是液态处理还对环境造成污染,工作条件较差。近年来新工艺不断涌现,在很大程度上,克服了上述不足之处

①可以赋予普通廉价的金属材料以特殊的性能来代替高成本的优质材料或贵重的特种材料

②几种主要方法渗扩不同元素,可以获得下表所列主要功能

金属元素

(Al、Cr、Si、V等)表面渗扩

复合元素

表面渗扩

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

方法

(元素)

基体

状态

主要功能

渗碳(C)

提高硬度、耐磨性和疲劳强度

渗硼(B)

提高硬度、耐磨性和耐蚀性

渗钒(V)

提高硬度、耐磨性及耐蚀性

碳氮共渗

(C+N)

提高硬度、耐磨性和疲劳强度

渗氮(N)

提高硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性

渗硅(Si)

提高耐蚀性和抗氧化性

铬铝共渗

(Cr+Al)

提高抗高温氧化、硫介质腐蚀性及抗疲劳性

氮碳共渗

(N+C)

提高硬度、抗咬合性、疲劳强度和耐蚀性

渗铝(Al)

提高抗高温氧化及硫介质腐蚀性

硼铝共渗

(B+Al)

提高耐磨性、耐蚀性和抗氧化性

渗硫(碳氮)

[S(C,N)]

降低摩擦,提高抗咬合性及抗疲劳性

渗铬(Cr)

提高抗氧化性、耐蚀性及耐磨性

铬硅共渗

(Cr+Si)

提高耐磨性、耐蚀性和抗氧化性

原则上说表列绝大多数的化学热处理可在固态、液态、气态及等离子态四种渗入介质的任一种中进行,但对于渗非金属来说,目前使用最普遍的是气态及液态,而对于渗金属来说是固态及液态,基于环境及可持续发展的要求,液态处理将逐渐减少,无污染、低能耗的等离子渗扩处理逐渐得到越来越广泛的应用

离子

渗氮

等离子渗扩处理是利用稀薄气体中的工件(阴极)与炉体(阳极)之间的辉光放电现象进行的化学热处理

离子渗氮具有渗速快、渗层性能好、处理温度范围大、无污染的特点。它与可控气体渗氮相比:①二者都可实现对化合物层厚的控制,防止厚的脆性氮化物形成;②离子渗氮适用材料范围广,由于处理时的溅射,它可以处理表面有钝化膜的奥氏体不锈钢、耐热合金及钛合金等,而可控气体渗氮则难且贵;③离子渗氮对零件形状与装炉要求苛刻些;④对工件的局部保护,离子渗氮用机械屏蔽即可,而气体渗氮则需镀或涂层;⑤离子渗氮的能耗、气耗和废气排放都比可控气体渗氮的少;⑥可控气体渗氮最佳处理温度一般为480~570℃,而离子渗氮过程中,氮的活化是由外加电场控制的,与处理温度关系不大,所以它可以在很宽的温度范围内进行,例如,钛合金离子渗氮时温度可提高到700~900℃,对奥氏体不锈钢低温离子渗氮时温度则为300~450℃

氮、碳、硼、硫等元素都可通过这种处理方法渗入到金属工件表面,从而使工件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度得到大幅度提高

离子碳

氮共渗

离子

渗碳

非金属

离子注入

是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离,引出离子束后,用数千电子伏至数十万电子伏进行加速直接注入材料达一定深度,改变表面成分与结构,以改善性能的方法

①离子注入表面改性,注入元素不受材料固溶度限制,适用于各种材料

②注入元素的数量可精确测量和控制,控制方法是监测注入电荷的数量

③离子注入是原子的直接混合,注入层厚度为0.1μm,但在摩擦条件下工作时,由于摩擦热作用,注入原子不断向内迁移,其深度可达原始注入深度的100~1000倍,使用寿命延长。注入元素是分散停留在基体内部的,没有界面,故改性层与基体之间结合强度很高,附着性好。改变注入离子的能量大小,可以控制注入层的厚度

④离子注入是在高真空(10-4~10-5Pa)下进行的,并且靶温可以控制在低温、室温、高温,被处理工件不会受环境污染,在低温、室温处理时不会变形或退火软化

⑤离子注入具有直进性,横向扩展小,可以实现大面积均匀性掺杂

⑥对复杂形状的工件注入有困难

①适宜于零件和产品的最后表面处理;②制作大规模集成电路、大容量磁芯存储器,延长磁头寿命几倍;③可得到许多很难互溶的金属合金相和金属玻璃

金属离子注入

复合离子注入

是指采用化学处理液使金属表面与溶液界面上产生化学或电化学反应,生成稳定的化合物薄膜的处理方法

氧化处理

是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜

、铝

合金

有化学氧化和电化学阳极氧化。化学氧化处理液多以铬酸(盐)法为主,其设备简单,不受工件大小限制,氧化膜厚0.5~4μm,质地软,吸附能力好;阳极氧化处理有硫酸法、铬酸法、草酸法、磷酸法、硬质法和瓷质法等,膜厚5~20μm,膜硬,耐蚀、耐热、绝缘及吸附能力更好,硬质法硬度可达400~1500HV,熔点可达2050℃

硫酸法:涂装底层、装饰与防护层;草酸法:电器绝缘、日用品装饰;硬质法:耐磨、耐热、绝缘,如活塞、汽缸、轴承等

钢铁氧化以化学法为主,处理液分碱性和酸性,按膜颜色分发蓝和发黑,多在含氧化剂的浓碱中进行,形成厚度0.6~1.5μm以Fe3O4为主的膜,后经皂化、填充或封闭处理;镁合金、锌合金的氧化多在重铬酸盐中进行,铜合金氧化多在碱性溶液中进行

钢铁氧化可提高耐蚀与润滑性;镁合金氧化用于装饰及涂装底层;铜合金氧化用于装饰及电器仪表

磷化处理

是金属在磷酸盐溶液中形成的膜

分高、中、低温工艺,漆前磷化用锌或碱金属磷酸盐,防锈磷化用锌、锰或铁的磷酸盐,冷变形前磷化用锌或锰磷酸盐,耐磨磷化用锰磷酸盐,后处理有皂化、填充或封闭等,膜多孔,吸附力好

钢铁防护层,涂装,塑性加工和滑动摩擦副中的减摩,硅钢片绝缘

、铝

锌材磷化常用锌系磷化液

铝及铝合金磷化常用锌系溶液和铬-磷酸系溶液(Alodine法),其耐蚀性好,应用广泛

锌磷化用于热镀锌、热浸锌等;铝磷化用于塑性变形加工及耐蚀

钝化处理

是金属在铬酸或铬酸盐溶液中形成的膜

铜、锌及其合金

铜及铜合金常用铬酸法、重铬酸盐法、钛酸盐法等进行钝化处理

锌及锌合金的钝化常用于电镀锌及锌基合金的后处理,以铬酸盐法为最普遍,按色彩分为彩色、白色、黑色及草绿色钝化,一般需进行老化后处理

铜钝化用于防护及装饰;锌钝化用于耐蚀、涂装或装饰

不锈钢等

不锈钢钝化用硝酸或硝酸加重铬酸钠,保持原色;镉镀层钝化可参照锌钝化;银钝化可用铬酸盐或有机物钝化液,电化学钝化防变色效果好

不锈钢钝化可提高耐蚀性;银钝化用于防变色

金属着色处理

是通过表面转化形成有色膜或干扰膜的过程

一般着色膜层厚度为25~55nm,其色调与处理方法及膜厚有关。通常可获得黄、红、蓝、绿等色调及彩虹、花斑等多种色彩。杂色色彩的产生,源于膜厚不均匀对光反射过程的影响。处理方法有化学转化法与电化学转化法(通过热处理或化学置换反应也能形成着色膜,以及金属染色处理,即用颜料通过金属表面的吸附作用和化学反应而着色,或通过电解作用使金属离子与染料共沉积而产生色彩,均不属此范围)。钢铁包括不锈钢、铝材及铜等金属材料经不同的着色处理,可呈现不同的色调或色彩

是将两种或两种以上的表面处理工艺方法,用于同一工件的处理,不仅可以发挥各种表面处理技术的各自特点,而且更能显示组合使用的突出效果,使表面性能达到优化,即称复合表面技术,又叫第二代表面技术

复合表面技术已有:复合表面化学热处理、表面热处理与表面化学热处理的复合强化处理、热处理与表面形变强化的复合处理、镀覆层与热处理的复合处理、覆层与表面冶金化的复合处理、离子辅助涂覆、激光、电子束复合气相沉积和复合涂镀层,以及离子注入与气相沉积复合表面改性等

在生产实际中许多方法已获得广泛应用,例如,渗碳淬火与低温电解渗硫复合处理,将工件先渗碳淬火,使表面获得高硬度、高耐磨性和较高的抗疲劳性能,然后渗硫获得复合渗层。渗硫层为多孔鳞片状的硫化物,其中的间隙和孔洞能储存润滑油,具有很好的自润滑性能,降低摩擦因数,改善润滑性能和抗咬合性能,减少磨损。又例如,液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化,其表面硬度可达60~65HRC,硬化层深度达12~2mm,零件的疲劳强度也比单纯高频淬火的零件明显增加,其弯曲疲劳强度提高10%~15%,接触疲劳强度提高15%~20%

是充分利用纳米材料的优异性能,将传统表面技术与纳米材料、纳米技术交叉、综合、融合,制备出含纳米颗粒的复合覆层或纳米结构的表面技术

当前已开发出8种进入实用阶段的纳米表面技术:①纳米颗粒复合电刷镀技术;②纳米热喷涂技术;③纳米涂装技术;④纳米减摩自修复添加剂技术;⑤纳米固体润滑干膜技术;⑥纳米粘涂技术;⑦纳米薄膜制备技术;⑧金属表面纳米化

由于纳米材料的奇异特性,赋予纳米表面技术比传统表面技术更多优越的新特点:

①涂覆层本身性能如抗拉强度、屈服点和抗接触疲劳性能大幅度提高

②涂覆层功能的提升,解决了许多传统表面技术解决不了的问题,如高性能的纳米声、光、电、磁膜反超硬膜的制备;纳米原位动态自修复技术,由于纳米颗粒材料的作用,能够在金属摩擦副表面形成修复薄膜,能够在工作状态下完成金属摩擦副的原位动态修复,延长了工件的使用寿命

③纳米涂层与基材优化组合,使设计选材更有利于节约能源和节约贵重金属

④为表面技术的复合提供新途径,例如,金属表面纳米化,赋予了基材表面层以优异性能,与离子渗氮技术复合,使渗氮工艺由原来的在500℃条件下处理24h,转变为在300℃条件下处理9h

各种薄膜气相沉积技术的特点对比

项 目

真空蒸发

溅射

离子镀

化学气相沉积

电镀

热喷涂

沉积物质产生机制

热蒸发

离子动能转移

热蒸发

化学反应

液体中的电极反应

火焰或等离子体携带的物质颗粒

薄膜沉积机制

原子(及离子)

原子(及离子)

离子和原子

离子及原子团

离子

物质颗粒

薄膜沉积速率/μm·min-1

较高(可达75)

较低(如对于Cu,可达1)

很高(可达25)

中等(20~250nm/min)

依工艺条件而定,较低至较高

很高

沉积粒子能量

低(0.1~0.5eV/原子)

可较高(1~100eV/离子)

可较高(1~100eV/离子)

在等离子体辅助的情况下较高

可较高

可较高

膜层

特点

密度

依材料而变化

较高

较高

中等

气孔

低温时多

气孔少,但混入溅射气体较多

无气孔,但膜层缺陷较多

     

内应力

拉应力

压应力

依工艺条件而定

     

附着力

一般

较好

依具体情况而定

较好

绕射性

较好

较好

     

纯度

很好

较好

较好

一般

原材料种类

纯固态物质

大面积固体靶

纯固态物质或适当面积的金属靶

特定种类的气态物质

金属盐类

物质粉末、线材等

薄膜对于复杂形状基体的涂覆能力

好于蒸发

好于溅射

制备金属薄膜的能力

可以,纯度一般

较好

有限的几种金属

可以

制备合金薄膜的能力

可以,但需采取特殊措施

可以,但需采取特殊措施

可以

极为有限

可以

制备化合物薄膜的能力

可以,有时需采取措施

可以

不可以

可以

离子轰击基底的可能性

不普遍采用

可以采用

可以采用

没有

可以

薄膜与基底间界面元素的扩散

较少

没有

有限

薄膜低温沉积的可能性

可以

可以

较为有限

不可以,在等离子体辅助的情况下有限

可以

有限

大面积沉积的可能性

可以,但需措施保证均匀性

可以

可以,但需措施保证均匀性

可以,但在等离子体辅助的情况下困难

复杂形状较为困难

采取顺序涂覆的方法

对环境产生的污染

依原材料而变

较严重

噪声污染、喷物污染

设备复杂性

简单,但大面积时复杂

较为简单

较为复杂

简单,但在等离子体辅助的情况下很复杂

简单

较复杂

薄膜制造成本

较低

稍高

很低

较高

电镀层的分类

利用外加电流作用从电解液中析出金属,并在物件表面沉积而获得金属覆盖层的方法。

分   类

说   明

举   例

按镀层金属与基体金属之间的电位关系分

阳极性镀层

是指比被保护的基体金属电极电位负、电性强,而使基体金属在一定介质中不受电化学腐蚀的镀层

对钢铁来说,镀锌层在大气腐蚀条件下就是阳极性镀层

阴极性镀层

是指比被保护的基体金属电极电位正,电性弱,仅能机械地保护而不能使基体金属不受电化学腐蚀的镀层

对钢铁来说,镍、铜、铬、银、金等镀层都是阴极性镀层

使

防护性镀性

防止锈蚀或腐蚀

(1)一般大气条件下的黑色金属制品

(2)海洋性气候条件下

(3)要求镀层薄而耐蚀能力强

(4)用铜合金制作的海洋仪器

(5)接触有机酸的黑色金属制品,如食品容器

(6)耐硫酸和铬酸的腐蚀

用消费品镀锌

镀镉

用镉锡合金代替单一的锌或镉镀层

镀银镉合金

镀锡

镀铅

工作-保护性镀层

除了防止零件免受腐蚀外,主要在于提高零件的抗机械磨损和表面硬度

铬、镍

装饰性镀层

以装饰性为主,兼备一定防护性

防腐及使制品具有经久不变的光泽外观。多为多层镀覆,底层+(或中间层)+表层。底层常用铜锡镀层,或镀锌铜,或镀铜;表层常用光亮铬或镍、铬。例如,铜/镍/铬多层镀,也有采用多层镍和微孔铬的

铜锡镀层+光亮铬;锌铜镀层+光亮铬;铜镀层+镍+铬

汽车、自行车、钟表等就使用这类镀层

电镀贵金属,如金、银等和仿金镀层,近年来应用比较广泛,特别在一些贵重装饰品和小五金商品中,用量较多,产量也较大,并有部分出口

主要电镀贵金属及各种合金,例如,铜锡合金、铜锌合金、铜锡锌合金以及锡钴合金和锡镍合金等

耐磨和减摩镀层

耐磨是指提高表面硬度,镀硬铬能使镀件的表面硬度达到或超过1000HV;减摩是指在滑动接触面上镀上能起固体润滑剂作用的韧性金属(减摩合金)以减小滑动摩擦

对一些仪器和仪表的接插件,既要求有良好的导电能力,又要求耐磨损,通常镀硬银、硬金、铑及其他合金

耐磨镀层多采用镀硬铬,如大型轴、曲轴的轴颈、发动机的气缸和活塞环、冲击模具、压印辊的辊面、枪、炮管的内腔等

减摩镀层多用锡、铅锡合金、铟铅合金及铅锡铜合金等,多用于轴瓦或轴套上

热加工镀层

(1)防止局部渗碳

(2)防止局部渗氮

(3)防止局部碳氮共渗

(4)钎焊前

镀铜

镀锡

镀锡

镀锡、镀铜或镀银

高温抗氧化镀层

防止高温氧化

(1)转子发动机内腔,喷气发动机转子叶片等高温工作零件,有些情况下,还需使用复合镀层

(2)更特殊场合下工作的零件

镀镍铬或镀铬合金、复合镀层,如Ni-Al2O3、Ni-Zr2O3和Cr-TiO2等

镀铂铑合金

焊接性镀层

有些电子元器件组装时需要进行钎焊,为了改善其焊接性能,在表面需要镀一层铜、锡、银以及锡铅合金等

修复性镀层

修复报废或磨损零件

镀铬、铜、铁等,用于轴与齿轮等零件

导电性镀层

提高表面导电性能的镀层

(1)一般情况

(2)同时要求耐磨的

(3)在高频波导生产中

镀铜、镀银

镀银锑合金、银金合金、金钴合金等

采用镜面光泽的镀银层

磁性镀层

电镀工艺参数改变可以调整镀层的磁性能参数

常用的电沉积磁性合金有镍铁、镍钴、镍钴磷等。这种镀层多用于录音机、电子计算机等设备中的录音带、磁环线上

其他镀层

(1)保持零件表面的润滑剂

(2)改善零件表面的磨合性

(3)为了增加钢丝和橡胶热压时的粘合性

(4)为了增加反光能力

多孔性镀铬

镀铜、镀锡、镀铬

镀黄铜

镀铬、镀银、镀高锡青铜等

金属镀层的特点及应用

名称

特   点

应   用

锌在干燥空气中,比较稳定,不易变色,在水中及潮湿大气中则与氧或二氧化碳作用生成氧化物或碱性碳酸锌薄膜,可以防止锌继续氧化,起保护作用。锌在酸及碱、硫化物中极易遭受腐蚀。镀锌层一般都要经钝化处理,在铬酸或在铬酸盐液中钝化后,由于形成的钝化膜不易与潮湿空气作用,防腐能力大大加强。对弹簧零件、薄壁零件(壁厚<0.5mm)和要求机械强度较高的钢铁零件,必须进行除氢,铜及铜合金零件可不除氢。镀锌成本低、加工方便、效果良好

锌的标准电位较负,所以锌镀层对很多金属均为阳极性镀层

在大气条件和其他良好环境中使用的钢铁零件普遍使用镀锌。但不宜作摩擦零件的镀层

在海洋性的大气或海水接触的零件及在70℃ 以上的热水中,镉镀层比较稳定,耐蚀性强,润滑性好,在稀盐酸中溶解很慢,但在硝酸里却极易溶解,不溶于碱,它的氧化物也不溶于水。镉镀层比锌镀层质软, 镀层的氢脆性小,附着力强,而且在一定电解条件下,所得到的镉镀层比锌镀层美观。但镉在熔化时所产生的气体有毒,可溶性镉盐也有毒

在一般条件下,镉对钢铁为阴极性镀层,在海洋性和高温大气中为阳极性镀层

它主要用来保护零件免受海水或与海水相类似的盐溶液以及饱和海水蒸气的大气腐蚀作用。航空、航海及电子工业零件、弹簧、螺纹零件,很多都用镀镉

可以抛光、磷化和作油漆底层,但不能作食具

铬在潮湿的大气、碱、硝酸、硫化物、碳酸盐的溶液以及有机酸中非常稳定,易溶于盐酸及热浓的硫酸。在直流电的作用下,如铬层作为阳极则易溶于苛性钠溶液。铬层附着力强,硬度高,800~1000HV,耐磨性好,光反射性强,同时还有较高的耐热性,在480℃以下不变色,500℃以上开始氧化,700℃则硬度显著下降。其缺点是硬、脆,容易脱落,当受交变的冲击载荷时更为明显。并具有多孔性

金属铬在空气中容易钝化生成钙化膜,因而改变了铬的电位。因此铬对铁就成了阴极镀层

在钢铁零件表面直接镀铬作防腐层是不理想的,一般是经多层电镀(即镀铜→镍→铬)才能达到防锈、装饰的目的。目前广泛应用在为提高零件的耐磨性、修复尺寸、光反射以及装饰等方面

松孔镀铬是耐磨镀铬的一种特殊形式,它与一般镀铬的明显区别,即在镀铬层的表面上产生网状沟纹或点状孔隙。目的是为了保存足够的润滑油,以改善摩擦条件,减少两摩擦面的金属接触,提高耐磨性

广泛应用于内燃机的气缸、气缸套、活塞环、活塞销以及上述零件磨损后的修复等方面

铜在空气中不太稳定,易于氧化,在加热过程中尤甚。同时具有较高的正电位,不能很好地防护其他金属不受腐蚀,但铜具有较高的导电性,铜镀层紧密细致,与基体金属结合牢固,有良好的抛光性能等

铜比铁的电位较高,对铁来说是阴极性镀层

铜镀层很少用作防护性镀层。一般用来提高其他材料的导电性,作其他电镀的底层,防止渗碳的保护层,在轴瓦上用来减少摩擦或作装饰等

镍在大气和碱液中化学稳定性好,不易变色,在温度600℃以上时,才被氧化。在硫酸和盐酸中溶解很慢,但易溶于稀硝酸。在浓硝酸中易钝化,因而具有好的耐腐蚀性能。镍镀层硬度高、易于抛光、有较高的光的反射性并可增加美观。其缺点是具有多孔性,为克服这一缺点,可采用多层金属镀层,而镍为中间层

镍对铁为阴极性镀层,对铜为阳极性镀层

通常为了防止腐蚀和增加美观用,所以一般用于保护-装饰性镀层上。铜制品上镀镍防腐较为理想

但由于镍比较贵重,多用铜锡合金代替镀镍

锡具有较高的化学稳定性,在硫酸、硝酸、盐酸的稀溶液中几乎不溶解,在加热的条件下,锡缓慢地溶于浓酸中。在浓、热的碱液中溶解并生成锡酸盐。硫化物对锡不起作用。锡在有机酸中也很稳定,其化合物无毒。锡的焊接性很好

在一般条件下,锡镀层对铁属于阴极性镀层,对铜则属于阳极性镀层

广泛用于食品工业的容器上和航空、航海及无线电器材的零件上。还可以用来防止铜导线不受橡胶中硫的作用,以及作为非渗氮表面的保护层

铅在硫酸、二氧化硫及其他硫化物和硫酸盐中不受腐蚀,但在高温(高于200℃)的浓硫酸中及浓盐酸中则发生强烈腐蚀,在稀盐酸中反应缓慢,在有机酸——醋酸、乳酸、草酸中也比较稳定

在化学工业中应用较多,如加热器、结晶器、真空蒸发器等内壁镀铅

电镀铜锡合金是在零件上镀铜锡合金后,不必镀镍,而直接镀铬。对于钢制零件用低锡青铜(含锡5%~15%),对于铜及铜合金零件用高锡青铜(含锡约38%以上)。低锡青铜镀层防腐能力良好,其物理、力学性能和工艺性能比中锡(含锡15%~25%)及高锡青铜镀层好

镍是一种比较稀少而贵重的金属,目前在电镀工业上广泛采用电镀铜锡合金来代替镀镍

镀层选择注意事项

1.正确分析零件工作条件,确定对电镀层的工作要求;

2.被电镀零件的金属种类及该金属电镀层在介质中的稳定性;

3.被电镀零件的结构、形状和尺寸的公差以及在零件表面上进行电镀并达到所需均匀厚度的可能性;

4.镀层与被镀零件表面的结合力。

电镀层电镀顺序

被镀

金属

电  镀  层

铜或铜

合金

(氰化物)

(酸性)

铁或钢

必须以铜或黄铜为底层

直接镀

必须以铜或黄铜为底层

直接镀。最好以铜或黄铜为底层

直接镀

直接镀。对断面大的制品最好以镍为底层

薄层直接镀。其他铜或黄铜作底层

硬铬直接镀。其他铜或黄铜作底层

直接镀

必须以铜或黄铜为底层

薄层直接镀。其他铜或黄铜作底层(氰化物)

直接镀

直接镀

最好以铜或黄铜作底层(氰化物)

直接镀,在光泽的镉上镀成无光泽铬

铜或铜合金

直接镀

直接镀

直接镀

直接镀

直接镀

直接镀

浸汞处理

黄铜直接镀。最好以镍为底层

直接镀

直接镀

直接镀

必须以铜或黄铜为底层

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

以铜或黄铜为底层

直接镀

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

直接镀

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

同左

在热镀

锡之后

直接镀

直接镀

以铜或黄铜为底层

必须以铜或黄铜作底层(氰化物)

铅或铅合金

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

直接镀

直接镀

 

直接镀

直接镀

以铜或黄铜为底层

必须以铜或黄铜或镍为底层

直接镀

直接镀

直接镀

直接镀。如镀铬前的底层

直接镀

直接镀。最好以镍为底层

最好以铜或黄铜为底层

直接镀

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

直接镀。最好以铜或黄铜为底层(氰化物)

直接镀

直接镀。或以铜或黄铜为底层

必须以铜或黄铜为底层(氰化物)

主要金属镀层厚度

镀层名称

使  用  条  件

镀 层 厚 度 /mm

锌镀层

室内或良好条件

室外或潮湿空气

十分潮湿空气或工业性大气

汽油、煤油、润滑油等油类

0.007~0.010

0.010~0.020

0.020~0.040

0.020~0.050

镉镀层

海洋性大气

海水或氯化钠溶液

工业性大气

潮湿大气

0.010~0.040

0.040~0.050

0.005~0.015

0.007~0.015

铜镀层

镀镍、镀铬的底层

轻度腐蚀的大气

中等腐蚀的大气

严重腐蚀的大气

≥0.015

≥0.030

≥0.045

防止局部渗碳

渗碳厚度/mm

0.1~0.8

0.8~1.2

>1.2

0.010~0.020

0.030~0.040

0.050~0.070

铜镀层

防止氰化

修复磨损的尺寸

提高钢制品的导电性

0.030~0.060

<3

0.010~0.200

镍镀层

轻度腐蚀条件

中等腐蚀条件

严重腐蚀条件

铜(氰化物法)

铜(酸性法)

0.003

0.003

0.003

0.012

0.022

0.032

0.010

0.015

0.020

0.001

0.001

0.001

铬镀层

装饰性镀铬

耐磨性镀铬(轴、气缸套等)

恢复尺寸镀铬

0.001~0.003

0.05~1.0

根据磨损程度来确定厚度,铬镀到一定厚度后要加以研磨

锡镀层

防止渗氮

0.010~0.020

镀铬层厚度

被镀零件的材料

铜 及 铜 合 金

钢  铁

使  用  条  件  分  类

一类

二类

三类

四类

一类

二类

三类

四类

铜  层

厚度

/μm

       

30~35

20~25

10~15

 

镍  层

       

15~20

10~15

7~10

5~7

铜锡层

20~25

15~20

10~15

7~10

       

铬  层

0.8~1.2

0.5~0.8

0.25~0.5

0.25~0.5

0.8~1.2

0.5~0.8

0.25~0.5

0.25~0.5

总厚度

21~27

16~21

11~16

7.5~11

46~56

31~41

18~26

6~8

孔隙率

/气孔数·cm-2

       

3

4

   

铜  层

厚度

/μm

       

30~35

20~25

10~15

 

镍  层

       

15~20

10~15

7~10

5~7

铜锡层

20~25

15~20

10~15

7~10

       

铬  层

0.8~1.2

0.5~0.8

0.25~0.5

0.25~0.5

0.8~1.2

0.5~0.8

0.25~0.5

0.25~0.5

总厚度

20.8~26.2

15.5~20.8

10.25~15.5

7.25~10.5

45.8~56.2

30.5~40.8

17.25~25.5

5.25~7.5

注:一般零件的使用条件分为良好、中等、恶劣三级,相应的电镀层厚度一般也分为四类。

一类(恶劣工作条件)——含有大量工业气体、燃料废气、灰尘、海水蒸发物或其他活性腐蚀剂的大气,以及空气的相对湿度周期性地达到98%的场所,经常要用手握住操作的零件,在湿热带、干热带地区使用的零件。

二类(中等工作条件)——含有少量工业气体、燃料废气、海水蒸发物或其他活性腐蚀剂,而且比较干燥的室内外大气,产品运输、保管时间不长。

三类(良好工作条件)——不含工业气体、燃料废气、海水蒸发物及其他活性腐蚀剂,而且比较干燥的室内外大气,而产品的运输、保管时间不长。

四类——用于较三类更好的条件。

概述

复合电镀是采用电化学的方法使金属(或合金)与固体微粒(或纤维)共沉积,而获得复合材料的工艺过程,又称为分散电镀。这种复合材料层称为复合镀层或分散镀层。它由两部分构成:一部分是通过电化学反应而形成镀层的金属或合金,通常称为基质金属,是均匀的连续相;另一部分则为不溶性的固体颗粒或纤维,通常是不连续地分散于基质金属之中,形成一个不连续相,又称为分散相。所以复合镀层属于金属基复合材料。基质金属和不溶性颗粒之间的相界面基本是清晰的,几乎不发生扩散现象,从形式上看是机械混合物,但获得的复合镀层却具有基体金属和固体颗粒两类物质的综合性能。

复合电镀的优缺点

优点

优于热加工工艺

热加工方法制取复合材料需要很高温度,从而很难使用有机物来制取金属基复合材料。而复合电镀法制取复合材料时,大多是在水溶液中进行的,温度很少超过90℃。因此,除了目前使用的耐高温陶瓷外,各种遇热容易分解的物质和各种有机物,都可以作为不溶性固体微粒分散到镀层中,以制取各种不同类型的复合材料

在通常的情况下,基质金属和固体微粒之间基本上不发生相互作用,而保持它们各自的特性。如果需要复合镀层中的基质金属和固体微粒之间相互发生扩散,可以将复合镀层通过热处理手段,获得所需特性

工艺、设备简单

复合电镀工艺和设备与一般电镀技术差不多,仅在使用的设备、镀液和阳极等进行略加改造即可,主要是增加能使固体微粒充分悬浮的措施。与其他制备复合材料的方法相比,设备投资少,工艺比较简单,易于控制,生产费用低,能源消耗少,原材料利用率较高。所以通过电沉积的方法来制备复合材料是比较方便而且经济的

适用范围广

由于基质金属和合金种类繁多以及固体微粒的多样性,提供了广阔的选择性。同一种基体金属可以方便地镶嵌一种或数种性质各异的固体微粒,而同一种固体微粒也可以方便地镶嵌到不同的基体金属中,制成各种各样不同性能的复合镀层。为改变和调节材料的力学、物理和化学等性能创造了有利的途径,扩大了复合电镀的通用性和适应性

可获得任意厚度

复合电镀可根据需要得到任意厚度的镀层,以满足各种不同材料的特性要求。在很多情况下可用廉价的基体材料镀上复合镀层,来代替由贵重材料制造的部件。如在钢钉上镀上银基复合镀层,就可取代纯银电触头,其经济效益是非常明显的

缺点

①复合镀层太厚,镀层的均匀性受影响,甚至出现不同程度的变形,影响镀件的整体质量

②固体微粒在基质金属中的含量不能过高,一般不易超过质量分数50%,因此其整体特性的发挥在一定程度上受到限制

③在有些情况下,仅在部件表面镀覆一层复合材料还不能完全满足使用特性的要求,必须采用整体材料进行制造。因此,复合电镀不可能完全取代热加工方法来制备复合材料

复合电镀的类型和应用

分类

依据

根据复合电镀使用的微粒和镀层的关系,可将复合电镀分为下列4种类型

类型

特征

举例

微粒在单金属中沉积所形成的镀层

用肼作还原剂所获得的镍基复合镀层

微粒在镍基合金中形成的合金复合镀层

碳化硅微粒在镍磷合金中形成的复合镀层

在单金属镀层中存在着两种复合微粒的复合镀层

 

复合在镀层中的微粒经过热处理后形成了均相的合金镀层

铝粉与镍磷合金共沉积所得到的镀层,进行热处理后独立的金属铝相消失,形成了镍铝磷合金

类型

依据

原 理 或 特 性

组成材料及实例

应   用

耐磨复合镀层

是利用微粒自身的硬度及其共沉积所引起的基质金属的结晶细化来提高其耐磨性的

涂层具有高的硬度和耐磨性能,以提高零部件表面的抗摩擦磨损等特性

通常以镍、镍基合金、铬等为基质金属,而以硬质固体微粒,如三氧化二铝、氧化锆、碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化铬、氮化钛等为分散相得到的复合镀层

主要应用在汽缸壁、模具、压辊和轴承等上。例如在瓦特镀镍溶液中加入碳化硅微粒,以获得Ni-SiC复合镀层,其耐磨性能比普通镀镍层提高70%,可用在汽车摩托车等发动机的铝制零件上,已广泛用来取代电镀硬铬层

①Ni-SiC(23%~4.5%,质量分数)复合镀层是在氨基磺酸盐镀镍溶液中加入1~3μm的碳化硅微粒,获得硬度和耐磨性高于瓦特镀镍层,使磨损量大大降低。该复合镀层已用在汽车发动机汽缸内腔表面,作为耐高温耐磨镀覆层。其磨损量是通常铁套汽缸的60%,可比电镀铬层降低成本20%~30%

②Ni-Al2O3和Ni-TiO2等复合镀层也在汽车及航空工业中得到应用

③以钴为基质金属的复合镀层具有很好的高温耐磨性能,在600~1000℃高温条件下,仍保持较好的特性。可应用在飞机发动机的活塞环、制动器和启动装置的弹簧等上。Co-Cr3C2复合镀层在300℃以上时,在接触摩擦面上生成玻璃状氧化钴层,因此能保持高温耐磨性。在干燥的空气中,Co-Cr3C2复合镀层在800℃下仍能保持耐磨性

润滑复合镀层

润滑有干膜润滑和液体润滑(又称湿润滑)两种类型。干膜润滑比液体润滑方便,对于较轻负荷或间隙动作的部件,用干膜润滑更是简单而有效。通常干膜润滑是用粘接剂或涂料等将润滑材料粘接在一起,但其强度、附着力、耐磨性和持久性均不如复合镀层

用复合电镀的方法来制备润滑镀层,在操作上相对比耐磨镀层难一些。因为石墨和二硫化钼等分散相在镀液中不容易均匀悬浮,形成共沉积比较困难。需要选择适宜的表面活性剂和分散剂才能得到均匀稳定的悬浮

润滑用的复合镀层采用的润滑剂通常是固体微粒。最常用的有石墨、聚四氟乙烯(PT-FP)、MoS2、(CF)n、BN和CaF2等,但也能直接复合液体的润滑剂,如普通的润滑油。利用微胶囊化的方法很容易将液态物质包裹成珠粒,也能在复合镀液中悬浮,而夹带入复合镀层内

主要应用在汽缸、活塞环、活塞头、轴承等方面

另外,螺纹或紧固件容易在高温下黏结而咬死,可以用镍基石墨或镍基氟化石墨的复合镀层以及其他复合镀层来防止

电接触复合镀层

在电子工业上广泛应用的金、银等金属镀层虽然具有高的导电性和较低的接触电阻,但是耐磨性差、摩擦因数较大、抗电弧烧蚀性不好、镀层容易变色,且金镀层成本又高,改用复合镀层,效果显著

①采用Au-WC(质量分数为17%)或Au-BN等复合镀层,其硬度、耐磨性均高于纯金镀层,可使电接触点使用寿命显著提高

②采用Ag-石墨、Ag-La2O3等复合镀层可使电接点的使用寿命明显增加,抗电弧烧蚀性能提高

③采用Ag-Ce2O3复合镀层可提高电插拔件的使用寿命,还能节约贵金属

可广泛应用于电子工业

分散强化合金镀层

以金属粉作为分散微粒,悬浮在电镀液中并与基质金属共沉积,即可获得金属微粒弥散于另一金属之中的复合镀层。然后将复合镀层进行热处理,可得到一定组成的新合金镀层。通过这种方法可以得到在水溶液中难以共沉积的合金镀层

①在瓦特镀镍溶液中加入铬粉(颗粒约为5μm),即可得到Ni-Cr复合镀层,再经过1000℃以上的热处理,就得到了Ni-Cr合金镀层

②将钼、钨等耐热金属粉加入镀铬溶液中,获得的复合镀层在1100℃下进行热处理,就可获得Cr-Mo和Cr-W等分散强化合金镀层

复合镀层应用的另一重要领域是分散强化合金镀层

防护性复合镀层

①将非导电微粒如SiO2、SiC、BaSO4等加入镀镍溶液中,获得Ni-SiO2、Ni-SiC、Ni-BaSO4等复合镀层。当继续镀铬时就得到微孔铬或微裂纹铬,它使真实腐蚀电流密度大大下降,从而使其耐蚀性提高3~5倍

②在镀锌溶液中加入固体微粒如SiC、SiO2、TiO2、ZrO2等,可得到耐蚀性高的Zn-SiC、Zn-SiO2、Zn-TiO2、Zn-ZrO2等复合镀层,与锌镀层相比,其耐蚀性有很大的提高

早在20世纪60年代为了改善和提高铜/镍/铬体系的耐蚀性,就研究采用了镍封和缎面镍作中间层以代替金属镍层

装饰性复合镀层

①在瓦特镀镍溶液中加入粒径为3μm的α-Al2O3为分散相,再加入光性强的表面活性剂,既能促进微粒进行共沉积,同时由于α-Al2O3微粒上吸附了荧光表面活性剂,使复合镀层具有荧光彩色

②以三聚氰胺树脂为颜料,以柠檬黄、橙、粉红等有机荧光颜料作为分散相,用复合电镀可以获得相应颜色,并在夜间发出荧光彩色的镍镀层。荧光粒子在复合镀层表面的比例约占80%。为了防止荧光粒子从镀层表面脱落,可在复合镀层的表面再镀一层薄金(0.2~0.5μm)

荧光彩色复合镀层可以作为金属荧光板、汽车和摩托车的尾灯等,以节约能源

其他类型复合镀层

①用镍作为基质金属,以CdS、CdTe等为分散相进行的共沉积,得到的复合镀层可作为光敏元件

②用镍或镍钴合金为基质金属,复合以陶瓷粉、CeO2等微粒得到的复合镀层有很好的耐高温特性,可用于航空航天

③用镍复合ZrO2、WC等得到的复合镀层,可用来作电解电极,以提高催化活性等

由于利用复合电镀的方法制备某些特殊功能材料比较方便。目前复合镀层逐渐向功能应用方面发展。如通过复合电镀法进行材料组合,就能提供改善性能和开发新的应用领域

概述

刷镀是电镀的一种特殊方式,它不用镀槽,而是用浸有专用镀液的镀笔与镀件作相对运动,通过电解而获得镀层的过程。工作时,工件接电源的负极,镀笔接电源的正极,靠包裹着浸满溶液的阳极在工件表面擦拭,溶液中的金属离子在工件表面与阳极相接触的各点发生放电结晶,并不断长大,形成镀层。如果工件接正极,镀笔接负极,同一刷镀设备还可进行去毛刺、蚀刻和电抛光。刷镀的特点是镀笔可以制成各种形状,以适应工件的表面形状和工作要求,镀液中金属离子浓度高,且储存方便,操作安全,设备简单,用电量、用水量较少,同一套设备可以在各种基材上获得几十种单金属、合金及复合镀层,还可对基材表面进行电净与活化处理。它允许使用比槽镀大几倍到几十倍的电流密度(最大可达500A/dm2),因此镀覆速度快,是一般槽镀的5~50倍。镀层厚度的均匀性可以控制,镀后一般不需要机械加工。这种方法适用于野外及现场修复,尤其对于大型零件、不易拆卸的零件以及带有不宜浸入槽液的附件,使用特别经济、方便。缺点是不适于加工大面积或大批量零件。

不同工况下镀层的选择

工况要求

镀层及其要求与应用

工况要求

镀层及其要求与应用

①阳极性保护镀层:电极电位比基体金属负的金属镀层。对钢铁基体可选择锌、镉镀层,镀层需用重铬酸盐后处理

②阴极性保护镀层:电极电位比基体金属正的金属镀层。对钢铁基体可选择金、银、铑、钯、镍、锡、铜、铬等镀层

③银镀层上沉积一薄层铟,可使银保持银白色又可防锈蚀

④铜上镀金时应以镍作过渡层,防止铜原子扩散到金镀层中影响金镀层纯度

⑤三价铬镀液沉积的铬镀层同样具有良好的耐蚀性

⑥锌、锡镀层能耐硫酸、盐水腐蚀

⑦铟、铟锡合金在盐水和工业气氛中有良好的耐蚀性

⑧锌镀层耐有机气氛腐蚀

⑨一般而言,同一金属镀层,由酸性镀液沉积的镀层耐蚀性比碱性镀液沉积的镀层耐蚀性好

①单金属镀层:铁、镍、钴、铑等

②合金镀层:镍-钨、镍-铁、镍-钴、镍-磷、铁-钴、钴-钨等

③复合镀层:镍-碳化钨、镍-三氧化二铝等

④用脉冲电流镀出的单金属、合金镀层

⑤快速镍镀液(硬度可达40~45HRC)

适于各类轴颈、轴承、凸轮、滚针、滚筒、密封键槽等表面的刷镀

①铬、铟、铟-锡、铅-铟、铅-锡、银、锡、镉、锡-铅-锑或锡-锑-铜等巴氏合金镀层

②经渗硫、浸渗含氟树脂、阳极化处理的镀层

适于各类轴瓦的修复和制作

耗电系数大的镀液,沉积出来的镀层孔隙率低。每种镀液为获得低孔隙率的镀层,应注意工艺规范的选择

①使用允许电压(电流)的下限值

②阳极、工件、镀液勿过热(<40℃)

③采用涤棉或全涤包套,防止棉纤维夹杂在镀层中

①在静配合面上,用快速镍、高堆积铜等镀层

②在滑动摩擦面上,用快速镍等镀层

③在修复划痕、拉伤时,选择锡或铜镀层

④厚镀层(≥0.5mm),应采用复合镀层,如快速镍-低应力镍、快速镍-铜、快速镍-镉、金、铑等

金、银、铜、锡等镀层

适于电子、电气元件如电触点、触头及开关等的刷镀

镀液沉积速度快,镀层与基体结合强度高,安全厚度大

快速镍、致密快速镍、酸性镍、高堆积酸性镍、高速酸铜和高堆积碱铜等

同时可选用两种以上镀液,交替沉淀组成复合镀层

适于造纸烘缸、车床导轨修复;各类轴、柱塞环、推拉杆套管及汽缸等的修复

钎焊

锡、锡-铅、铟、铜、锡-镍、金、银及钯等镀层

电器

触点

铑、铂、锑、金、银镀层

铟、低氢脆镉镀液

适于超高强度钢制件上刷镀低氢脆镉镀液阳极保护层,可不进行时效处理。如飞机起落架、操作件、固定柱、支承滑板等的修复高沉积速度修复性防护

要求耐蚀好,而且表面美观

硬铬、光亮镍、快速镍

塑料模具、工艺品、造纸烘缸等

在不同金属材料上的电刷镀

被镀

材料

电刷镀工艺的主要特点

铸铁

铸铁组织疏松,表面有较多的微孔,油污存留在微孔中,很难除净,所以采取化学、有机溶剂、电化学等多种形式多次脱脂

活化时不仅要除去表面的氧化膜和疲劳层,而且要除去金属表面的石墨炭黑,使金属原子的晶格充分显露出来,所以要采用2号加3号活化液的工艺,并且活化时间要比钢零件长约30%~50%

电刷镀工艺参数选择上,铸铁件与钢件相比,电刷镀工作电压要高2~4V,电刷镀铸铁材料时,工件与镀笔的相对运动速度要适当降低,约4~6m/min

经过电化学处理的铸铁、铸铝等材料的待镀表面,由于组织缺陷,耐蚀能力差,故不宜采用酸性镀液起镀,而应用弱碱性或中性镀液起镀。目前,快速镍或中性镍是被广泛应用的铸铁起镀层镀液

纯铜、

青铜、黄铜

有色金属耐强酸腐蚀能力差,故电净处理后可直接用3号弱活化液进行活化,而省去强活化工序。在起镀时,也避免使用酸性特殊镍镀液镀底层,通常用中性镍或碱铜镀液镀底层

高碳钢、

高碳合金钢

这类材料的特点是对氢脆敏感,因此电净处理时,应使电源极性反接,采用阳极脱脂。电刷镀时,在镀笔运动、镀液供送方面有利于氢气逸出,必要时,镀后可低温回火,进行除氢处理

镀铬层

镀铬层上的氧化膜十分牢固,因此,活化好是保证镀层与基体结合强度的关键。对镀铬层的活化可采用铬活化液,也可用10%氢氧化钠水溶液。可采用阴、阳极交替活化的方法,电压适当降低,时间适当延长

低碳钢和低合金钢如10、20、Q235、20Cr、18CrMnTi、15CrMo、20CrMo等

底镀层

工作镀层为铜镀层

特殊镍镀液或碱铜镀液,镀层厚度约2μm

工作镀层为镍镀层并承受较大载荷

特殊镍镀液,镀层厚度约1~2μm

工作镀层

恢复尺寸,并要求提高耐磨性

快速镍镀液,镀层厚度约10μm

仅恢复尺寸

碱铜镀液和快速镍镀液刷镀复合镀层,以增大尺寸、厚度,降低镀层内应力

中碳钢和中碳低合金钢如25、40、45、

50Cr、38CrSi、

40CrMo等

底镀层

特殊镍镀液,镀层厚度约1~2μm

工作镀层

根据工件表面技术要求选定

不锈钢、高合金钢、特殊钢、镍、铬及合金

底镀层

特殊镍镀液,镀层厚度约1000~2000μm

工作镀层

根据工作表面技术要求选定

铝及铝合金

底镀层

一般采用特殊镍镀液,镀层厚度约2μm

铝是一种很活泼的两性金属,在空气中能氧化而很快生成一层致密而又坚固的氧化膜。其次,铝和铝合金在酸和碱中都能溶解,铝和其他金属的盐溶液能发生置换反应,铝与其他金属相比,线胀系数差别较大,所以铝与铝合金件刷镀较困难

但在2A70、2A80、LF8(旧牌号)等铝及铝合金表面镀镍、铜、钴很方便,镀层与铝基体能良好结合

工作镀层

根据工件技术要求选定

单一镀层安全厚度和夹心镀层

机械零件磨损表面需要恢复的尺寸,往往高于单一镀层所允许的安全厚度值。安全厚度是指在镀层质量多项性能指标都得到保证的前提下,一次所允许镀覆的单一镀层厚度。当厚度超过安全厚度时,镀层内应力就会增大,裂纹率增高,结合强度下降。单一镀层过厚时,会由于应力增大引起镀层脱落,所以,必须限制单一镀层厚度。不同的镀液,都有一个比较安全的厚度,见下表。

常用单一镀层安全厚度

渡液

名称

快速

高堆

积碱铜

高堆

积镍

中性

致密

快镍

镍-钨

合金

镍-钴

合金

高速

半光

亮镍

特殊

镍-钨

50

低应

力镍

半光

亮铜

低氢

脆镉

镀层安全

厚度/μm

130

130

200

100

130

100

130

70

50

200

100

5

70

130

100

100

100

100

200

50

为了满足磨损表面恢复尺寸需要厚镀层的要求,又要改变镀层的应力状态,往往在尺寸镀层中间夹镀一层或几层其他种类的镀层,称为夹心镀层。

夹心镀层的主要作用是改变镀层的应力分布,防止应力向一个方向增加至大于镀层与基体的结合力而造成镀层脱落。常用作夹心镀层的镀液有低力镍、快速镍、碱镍等,夹心镀层厚度一般不超过0.05mm。

单一镀层的安全厚度与被镀面积的大小有关,在较小面积电刷镀时,安全厚度可稍大一些。例如,一条较深且窄的沟槽(长×宽×深:200mm×3mm×1mm),可用一种镀液一次填平而不用镀夹心镀层。

纳米复合电刷镀技术原理、特点和应用

与普通电刷镀技术相似。采用专用的直流电源设备,电源的正极接镀笔,作为刷镀时的阳极,电源的负极接工件,作为刷镀时的阴极。镀笔:通常采用高纯细石墨块作阳极材料,石墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸满复合镀液的镀笔以一定的相对运动速度并保持适当压力,在工件表面上移动,在镀笔与工件接触的部位,复合镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到工件表面,并在工件表面获得电子被还原成金属原子,这些金属原子在工件表面沉积结晶,形成复合镀层的金属基质相;复合镀液中的纳米颗粒在电场力或在络合离子挟持等作用下,沉积到工件表面,成为复合镀层的颗粒增强相。纳米颗粒与金属发生共沉积,形成复合电刷镀层。由于该镀层具有超细晶强化、高密度位错强化、弥散强化和纳米颗粒效应强化,因此,有比普通电刷镀层和电镀层更高的硬度和耐磨性

既具有普通电刷镀技术的一般特点,又具有其独特性能,主要有以下几方面:

①纳米复合电刷镀镀液中含有纳米尺度的不溶性固体颗粒,但并不显著影响镀液的性质(酸碱性、导电性、耗电性等)和沉积性能(镀层沉积速度、镀覆面积等)

②纳米复合电刷镀层组织更致密、晶粒更细小,镀层显微组织特点为纳米颗粒弥散分布在金属基质相中,基质相组织主要由微纳米晶构成

③镀层的耐磨性能、高温性能等综合性能优于同种金属镀层,工作温度更高

④根据加入的纳米颗粒材料体系的不同,可以采用普通镀液体系获得具有耐蚀、润滑减摩、耐磨等多种性能的复合镀层以及功能镀层

⑤在同一基质金属的纳米复合电刷镀层中,纳米不溶性固体颗粒的成分、尺寸、含量、纯度等,对镀层性能有不同程度的影响,优化这些影响因素可以获得性能/价格比最佳的纳米复合电刷镀层。这也是获得含纳米结构的金属陶瓷材料的有效途径

⑥纳米复合电刷镀技术的关键是制备纳米复合镀溶液。不同材料的纳米复合电刷镀溶液,其工艺也不尽相同,可获得不同性能的纳米复合电刷镀层

提高表面耐磨性

由于纳米陶瓷颗粒弥散分布在镀层基质金属中,形成了金属陶瓷镀层,这些纳米陶瓷硬质点使镀层的耐磨性显著提高。使用纳米复合电刷镀层可以代替零件镀硬铬、渗碳、渗氮、相变硬化等工艺

降低表面摩擦因数

使用具有润滑减摩作用的纳米不溶性固体颗粒制成的纳米复合减摩电刷镀层,弥散分布了无数个固体润滑点,能有效降低摩擦副的摩擦因数,起到固体减摩作用,也减少了零件表面的磨损,延长了零件使用寿命

提高零件表面的高温耐磨性

纳米复合电刷镀层的纳米不溶性固体颗粒多为陶瓷材料,具有优异的耐高温性能。当镀层在较高温度下工作时,陶瓷相能保持优良的高温稳定性,对镀层整体起到支撑作用,有效提高了镀层的高温耐磨性

提高零件表面的抗疲劳性能

许多表面技术获得的涂层能迅速恢复损伤零件的尺寸精度和几何精度,提高零件表面的硬度、耐磨性、防腐性,但都难以承受交变负荷,抗疲劳性能不高。纳米复合电刷镀层有较高的抗疲劳性能,因为纳米复合电刷镀层中无数个纳米不溶性固体颗粒沉积在镀层晶体的缺陷部位,相当于在众多的位错线上打下无数个“限制桩”,这些“限制桩”可有效地阻止晶格滑移。另外,位错是晶体中的内应力源,“限制桩”的存在也改善了晶体的应力状况。因此,纳米复合电刷镀层的抗疲劳性能明显高于普通镀层。当然,如果纳米复合电刷镀层中的纳米不溶性固体颗粒没有打破团聚,颗粒尺寸太大,或配制镀液时,颗粒表面没有被充分浸润,那么沉积在复合镀层中的这些“限制桩”很可能就是裂纹源,它不仅不能提高镀层的抗疲劳性能,反而会产生相反的作用

改善有色金属的使用性能

零件使用有色金属,主要是为了发挥其导电、导热、减摩、防腐等性能,但有色金属往往因硬度较低,强度较差,造成使用寿命短,易损坏。在其表面制备纳米复合电刷镀层,不仅能保持它固有的各种优良性能,还能改善它的耐磨性、减摩性、防腐性、耐热性。如用纳米复合电刷镀处理电器设备的铜触点、银触点,处理各种铅青铜、锡青铜轴瓦等,都可有效改善其使用性能

零件的再制造和性能提升

再制造以废旧零件为毛坯,首先要恢复零件损伤的尺寸精度和几何形状精度。这可先用传统的电镀、电刷镀的方法快速恢复磨损的尺寸,然后使用纳米复合电刷镀技术在尺寸镀层上镀纳米复合电刷镀层作为工作镀层,以提升零件的表面性能,使其优于新品。不仅充分利用了废旧零件的剩余价值,而且节省了资源,有利于环保。在某些备件紧缺的情况下,这种方法可能是备件的唯一来源

纳米复合电刷镀层的性能

镀层性能

镀  层  体  系

快镍

n-Al2O3/Ni

n-TiO2/Ni

n-SiO2/Ni

n-ZrO2/Ni

n-SiC/Ni

n-Dia/Ni

硬度

硬质纳米颗粒的加入可以显著提高电刷镀层的硬度,且随镀液中加入纳米颗粒量的增加而增高,镀层的硬度存在极大值。图a为n-Al2O3/Ni复合电刷镀层显微硬度随镀液中的纳米颗粒含量变化的曲线。在镀液中n-Al2O3颗粒含量为30g/L时,镀层的显微硬度达到极大值,约为快镍(快速镍)电刷镀层的1.5倍。下表给出了纳米颗粒含量优化条件下几种镍基纳米复合电刷镀层的硬度

b1d7d15a

(a) 镀层显微硬度与镀液中纳米颗粒含量关系

硬度HV

660~700

580~640

650~690

630~680

600~640

610~650

结合强度

为了提高电刷镀和纳米复合电刷镀层的结合强度,二者都必须制备打底层

试验测得,纳米复合电刷镀层的结合强度大于普通金属电刷镀层。图b是采用冲击法测得的几种电刷镀层的临界载荷。临界载荷越大,说明电刷镀层的结合强度越高。由图看出:未打底层的电刷镀层结合强度低;经打底后,电刷镀层的结合强度大幅度提高;复合电刷镀层的结合强度明显大于普通电刷镀层;复合电刷镀层的结合强度还与加入的纳米颗粒种类有关,n-SiC/Ni纳米复合电刷镀层的结合强度大于n-Al2O3/Ni纳米复合电刷镀层

b1d7d15b

(b) 冲击法测试的不同电刷镀层的临界载荷

Ni0和Ni1—未经和经过特殊镍打底的快镍镀层;

NA0,NA1—未经和经过特殊镍打底的n-Al2O3/Ni纳米复合电刷镀层;

NS1—经特殊镍打底的n-SiC/Ni纳米复合电刷镀层

耐磨性

纳米复合电刷镀层的耐磨性能是影响镀层实用性的重要因素。复合电刷镀层的耐磨性除与电刷镀工艺参数(电压、电流、温度、相对运动速度等)和基质镀液种类有关外,还与所加入纳米颗粒种类及其含量等因素有关

图c为n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的磨损失重与镀液中纳米颗粒含量的关系。磨损失重越小,电刷镀层的耐磨性越好。由图看出,由于纳米颗粒的加入,复合电刷镀层的耐磨性明显优于快镍电刷镀层。在镀液中n-Al2O3颗粒含量为20g/L,n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的耐磨性最好,比快镍电刷镀层提高约1.5倍。以快镍电刷镀层的相对耐磨性为1,下表给出了几种镍基纳米复合电刷镀层的相对耐磨性

b1d7d15c

(c) 磨损失重与镀液中纳米颗粒含量的关系

相对耐磨性

1

2.2~2.5

1.9~2.2

2.0~2.4

1.5~2.0

1.6~2.0

1.4~1.8

抗接触

疲劳性

是指其在循环载荷作用下抵抗破坏的能力。它与电刷镀层的硬度、结合强度、内聚强度、应力状态均有密切关系。纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳强度直接受电刷镀工艺参数(电压、电流、温度、相对运动速度等)、基质镀液种类和纳米颗粒种类及含量等因素的影响。图d为n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命(载荷3000MPa)与镀液中纳米颗粒含量的关系。纳米颗粒含量为0的电刷镀层是普通快镍电刷镀层。抗接触疲劳特征寿命越长,说明镀层的抗接触疲劳性能越好。可以看出,普通快镍电刷镀层的抗接触疲劳性能较差,其抗接触疲劳特征寿命仅为105周,n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命可达106周;在n-Al2O3纳米颗粒含量为20g/L时,n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳性能最好,其抗接触疲劳特征寿命可达到2×106周。但是此后,随着纳米颗粒含量的增加,其抗接触疲劳性能急剧下降。下表为多次试验测试得到的几种镍基纳米复合电刷镀层在不同试验载荷条件下的抗接触疲劳特征寿命。结果表明:纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳性能与加入的纳米颗粒材料种类有关;随试验载荷增大,纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳寿命缩短

一定种类、一定含量的纳米颗粒能有效提高纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳性能。纳米颗粒对复合电刷镀层抗接触疲劳性能的影响可能存在如下机制:①纳米颗粒的存在使得复合电刷镀层金属组织更加细小致密,其中存在大量晶界,对镀层起到晶界强化作用;②复合电刷镀层中弥散分布着大量纳米颗粒硬质点,对复合电刷镀层起到弥散强化作用,在接触疲劳循环载荷作用下,纳米复合电刷镀层中产生疲劳裂纹,镀层金属中的大量细小晶界和弥散分布的纳米颗粒能有效阻碍疲劳裂纹的扩展,从而提高其抗接触疲劳性能。但是,当镀液中纳米颗粒含量很高时,由于电刷镀液分散能力的限制,镀液中可能存在纳米颗粒团聚体,这些团聚的纳米颗粒沉积在复合电刷镀层中,很可能引发初始微裂纹,从而导致复合电刷镀层性能下降。有关这些机理的推断,尚无足够的实验证据,需进一步深入研究分析

b1d7d15d

(d) n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳性能

几种纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命

106周

镀层体系

3000MPa试验载荷

4000MPa试验载荷

快镍

1.20

0.92

n-Al2O3/Ni

1.98

1.20

n-SiO2/Ni

1.48

1.34

n-TiO2/Ni

1.47

0.94

n-ZrO2/Ni①

1.55

① 镀液中纳米颗粒含量为20g/L。

抗高温性

复合电镀层中的纳米颗粒可以有效阻碍涂层中的位错运动和微裂纹扩展,因此可在一定程度上对涂层所受载荷起到支撑作用,这直接表现为其高温硬度和高温耐磨性等的提高

图e给出了几种电刷镀层的硬度与温度的关系。图中曲线表明,n-Al2O3/Ni、n-SiC/Ni和n-Dia/Ni(金刚石)3种复合电刷镀层的硬度在各个温度下均高于快镍电刷镀层;快镍电刷镀层的硬度在高于200℃后即快速降低,当温度达250℃时,其硬度仅为300HV左右;几种复合电刷镀层的硬度直到温度达400℃时才表现出下降趋势,在500℃时,n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的硬度仍高达450HV左右

图f分别给出了快镍电刷镀层和几种纳米复合电刷镀层在相同的微动磨损试验条件下磨痕深度随温度的变化曲线。图中表明在相同温度下,纳米复合电刷镀层的磨痕深度小于快镍电刷镀层的磨痕深度。这说明,由于纳米颗粒的加入,提高了纳米复合电刷镀层的高温耐磨性能。400℃时的复合电刷镀层的磨痕深度小于室温和200℃时的磨痕深度,这是由于复合电刷镀层在400℃条件下发生了再强化现象。同时,复合电刷镀层的高温耐磨性能与所用纳米颗粒种类有关。添加不同纳米颗粒的几种复合电刷镀层的耐磨性能由高到低的顺序排列为:n-Al2O3/Ni、n-SiC/Ni和n-Dia/Ni(金刚石)

一般地,金属电刷镀层只适宜在常温下应用。而纳米复合电刷镀层尤其是纳米n-Al2O3/Ni复合电刷镀层在400℃时仍具有较高硬度和良好的耐磨性,可以在400℃条件下工作

b1d7d15e       b1d7d15f

(e) 电刷镀层硬度与温度关系                 (f) 电刷镀层磨痕深度与温度的变化曲线

热喷涂

热喷涂是利用由燃料气或电弧等提供的热量,经喷枪将丝(棒)状或粉末状喷涂材料加热到熔化或软化状态,并通过高速气流使其进一步雾化、加速,然后喷射到经过制备的工件表面而形成涂层的方法。

这种技术的特点是:①涂层和被喷涂的工件材料非常广泛,可作涂层材料的有金属及其合金、自熔合金粉末(包括镍基、钴基、铁基的自熔合金)、陶瓷材料(包括金属氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物)、塑料及复合粉末,可被喷涂的工件材料有金属及其合金、陶瓷、塑料、石膏、木材、纸张等;②工艺灵活,施工对象可以小到10mm,大到像桥梁等大型构件,既可在真空或保护气氛下喷涂活性材料,也可在野外工作;③涂层厚度可以在几十微米到几毫米的较大范围内变化;④生产效率高,大多数工艺可达每小时数千克,有的甚至高达50kg;⑤受喷涂的工件受热程度低(喷熔和等离子弧粉末堆焊除外),并且可以控制,因此可以避免工件因受热可能产生的各种损伤,如应力变形等;⑥与其他堆焊相比,火焰喷熔层和等离子弧粉末堆焊层的母材稀释率较低,有利于合金材料的利用;⑦可喷涂成形,即制造机械零件实体,方法是先在成形模表面形成涂层,然后用适当方法脱去成形模后,成为涂层成形制品;⑧涂层面积小时经济性差,对小零件进行喷涂或者所需涂层面积较小时,作为有用涂层结合在基体上的量占喷涂时消耗的喷涂材料的量较小,经济性差,在这种情况下改用电镀较适宜。

热喷涂的质量和涂层的性能受喷涂材料、喷涂方法及相关参数、被喷涂工件表面制备情况以及应用范围选择是否适当等因素的影响而有很大的差别。

由于涂层材料性能优异,工艺灵活,热喷涂技术除广泛应用于维修工作、加工工件不当的修复外,已直接在新产品设计中应用,并利用它开发出一些新材料、新涂层,如生物工程新材料,某些领域的压电陶瓷材料,非晶态材料,以及宇航技术中应用的防远红外、微波、激光等的功能性涂层,它作为一门高科技和综合应用技术已显示很大作用。可以预见,随着热喷涂技术的不断发展,它必将改变许多新产品的结构和设计,带来更大的经济和社会效益。

热喷涂方法的选用原则:

1) 热喷涂层适于作各种耐磨损表面(各种轴颈、轴承、轴瓦、导轨、滑座等摩擦面)、耐蚀表面(各种钢铁构件、塔架、盖板、油罐、船体等表面)和耐热表面(电站锅炉受热面、燃烧室内衬、火箭头部和喷管等)。不同喷涂方法所适用的喷涂材料及所获得的涂层性能有较大的差别,应根据工件的使用条件、技术要求进行具体分析去选择。

2) 对涂层的结合力要求不能很高。热喷涂层与基体的结合强度一般为5~100MPa。其中粉末火焰喷涂、普通电弧喷涂涂层的结合强度偏低,而气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂涂层的结合强度较高。

3) 对涂层的致密性要求不能很高。热喷涂层的孔隙率一般为1%~15%。其中,气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂、超音速等离子喷涂涂层的孔隙率较低,而粉末火焰喷涂、普通电弧喷涂的孔隙率较高。对喷涂层进行封孔处理可减少孔隙的影响。

4) 热喷涂层的厚度一般为0.2~3mm,最大可达25mm;热喷涂对工件的材料一般不作要求;预热和喷涂过程中工件温度一般不超过250℃(温度可控),工件的热处理状态不受影响,也不会产生变形。

5) 对大面积的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂,对于批量大的工件最好采用自动喷涂。自动喷涂装置可自行制作或订购。

6) 不同热喷涂方法中,电弧喷涂、粉末火焰喷涂所用设备简单,成本低;而气体爆炸喷涂、低压等离子喷涂、超音速等离子喷涂等所用设备复杂,成本较高。应根据经济条件、场地面积、人员素质等情况综合考虑选择。

不同热喷涂方法的技术特性比较

热喷涂

方法

火 焰 喷 涂

电弧喷涂

等离子喷涂

特种喷涂

喷熔(熔结)

线材火

焰喷涂

陶瓷棒火

焰喷涂

粉末火

焰喷涂

气体爆炸

喷涂

超音

速火

焰喷涂

电弧

喷涂

高速电

弧喷涂

等离子

喷涂

低压等

离子

喷涂

超音速

等离子

喷涂

激光

喷涂

线材爆

炸喷涂

火焰

喷熔

低真空

熔结

热源

燃烧

火焰

燃烧

火焰

燃烧

火焰

爆燃

火焰

燃烧

火焰

电弧

电弧

等离子

弧焰流

等离子

弧焰流

等离子

弧焰流

激光

电容放

电能源

燃烧

火焰

电热源

喷涂

力源

压缩空气等

燃烧

火焰

热压

力波

焰流

压缩空气

等离子焰流

放电

爆炸波

火焰温度

/℃

3000

2800

3000

3000

略低于

等离子

4000

4000~

5000

6000~

12000

18000

3000

喷涂粒子

飞行速度

/m·s-1

80~120

150~240

30~90

700~

1200

500~

1000

100~

200

200~

400

200~

350

200~

350

3660(电

弧速度)

400~

600

形状

线材

棒材

粉末

粉末

粉末

丝材

丝材

粉末

粉末

粉末丝材

粉末

丝材

粉末

粉末

种类

金属复

合材料

陶瓷

金属

陶瓷

复合

材料

金属

陶瓷

复合

材料

金属

陶瓷

复合

材料

金属

丝、

芯丝

金属

丝、

芯丝

金属

陶瓷

复合

材料

MCrAlY

等合金

碳化物

金属

合金

陶瓷

低熔点

到高熔

点的各

种材料

金属

金属

陶瓷

复合

材料

金属

陶瓷

复合

材料

喷涂量

/kg·h-1

2.5~3.0

(金属)

0.5~

1.0

1.5~2.5

(陶瓷)

3.5~10

(金属)

20~30

10~35

10~38

3.5~10

(金属)

60~75

(陶瓷)

5~5.5

55(ZrO2)

25(Al)

喷涂层结

合强度

/MPa

10~20

(金属)

5~10

10~20

(金属)

70(陶瓷)

>100

(金属)

>70

(WC-Co)

10~30

20~60

30~60

(金属)

>80

40~80

良好

30~60

200~

300

200~

300

涂层孔隙

率/%

5~20

(金属)

2~8

5~20

(金属)

<1

<1

(金属)

5~15

<2

3~6

(金属)

<1

<1

较低

2.0~

2.5

0

0

基体受热

温度/℃

均小于250

<250

均小于250

<250

约1050

设备投资

较高

喷焊与喷涂的特性比较

项  目

喷  焊

喷  涂

喷涂粉末颗粒尺寸

74~246μm

46.2~121.2μm

结合强度/MPa

约200

≤70

气孔率/%

约0

(多数方法)1~10

基体受热形式

表面熔化

<200℃

涂层与基体的结合

冶金

机械(或半冶金)

涂层硬度

均匀

不均匀

涂层组织结构

固溶合金

层状

基体组织改变

基体变形程度

易变形

不变形

涂层厚度

可在较大范围内控制(最厚可超过10mm)

一般控制在1mm以内

氧化物夹杂

无或少量

功率特点(与等离子喷涂比)

低电压,大电流

高电压,大电流

施工的基体材质及喷涂(焊)料

金属

金属、非金属、陶瓷

工艺

先喷涂,后加重熔

喷涂

喷涂基体表面基本设计要求

喷涂内表面

喷涂外表面

说    明

b1d7d18a

b1d7d18b

用热喷涂沉积涂层,粒子束喷射不到的部位无法沉积涂层。在工件上的尖角处,即使黏附上涂层,也不能和基材牢固结合,因此,工件的喷涂表面应合理设计,避免喷涂不到的部位,所有棱角要设计成圆角。对轴类工件,如果轴面要下切,留肩部位应加工成倒角,棱角要倒成圆角

热喷涂材料的选择原则

选择原则

1)应满足涂层性能要求,并兼顾工艺性和经济性。例如:钴基合金性能优越,但国内资源比较缺乏,宜少用。我国镍资源比较丰富,可考虑多用些镍基合金。但镍基合金价格比较昂贵,因而在满足使用要求的情况下尽量采用铁基合金。铁基合金的工艺性较差,施工时应确保质量

2)应与工艺方法的选择相适应。不同的喷涂方法所适用的喷涂材料范围并不一样。例如,某些高熔点合金或陶瓷的喷涂需要用较高温度的火焰或较高能量密度的能源;某些需要防止合金元素氧化、烧蚀的重要涂层需要在低真空或有保护气氛的环境下才能获得;大面积构件的防护性Zn、Al及其合金的喷涂采用电弧喷涂方法具有较高的喷涂效率和经济性;一些塑料的喷涂应选用特殊设计的喷枪并在较低温度的火焰下进行。总的来讲,要求高性能的重要涂层必须使用满足要求的喷涂材料及与之适应的喷涂方法和喷涂设备,而使用一般材料即可符合要求的涂层则应以获得最大经济效益为准则

3)复合材料的选择。当单一材料涂层不能满足工件的使用要求时,可考虑使用复合涂层,以达到与基体材料的牢固结合,并发挥不同涂层之间的协同效应。如使用具有高耐磨和抗高温氧化性能的陶瓷涂层(如Al2O3、ZrO2、ZrO2-Y2O3等)时,为了解决陶瓷与基体金属物理或化学的不相容性,克服两者不能结合或结合力不高的弊病,可在陶瓷表层与基体间引入一层或多层中间层,如第一层(底层)可以是Ni-Cr、Ni/Al、Mo、W、NiCrAlY等,第一层至陶瓷表层间还可加入二层至数层成分含量不同的梯度过渡层,其成分由以底层为主表层为辅过渡到以表层为主底层为辅

不同涂层的喷涂材料选择可参考表涂层类别、特性及其喷涂材料的选择、表机械零件间隙控制涂层、表几种典型耐高温热障涂层、表几种典型的电绝缘或导电涂层、表热喷涂应用实例

热喷涂材料分类

等离子喷涂技术的发展,使可用于喷涂形成涂层的材料极为广泛。一般只要具有物理熔点的材料均可用于喷涂,包括:金属及其合金,无机陶瓷、金属陶瓷,有机高分子,以及这些材料的复合材料。对于在高温下分解的材料,如碳化物,可以与某些金属材料复合在一起制成复合材料,如金属陶瓷,而实现喷涂

从材料形态来分,可以分为线材、棒材和粉末三大类。对于粉末材料,基于送粉特性及经济性考虑,其颗粒大小一般具有一定的粒度分布范围。一般金属粉末的粒度范围为-105~+53μm,而陶瓷粉末常为-44~-10μm

根据材料种类分为金属与合金、氧化物陶瓷、金属陶瓷复合材料、有机高分子材料。按照使用性能与目的又可分为防腐材料、耐磨材料、耐高温热障材料、减摩材料以及其他功能材料。下表给出了按照用途列出的各类典型材料

不同目的的典型材料

目的

喷 涂 材 料

目的

喷 涂 材 料

防腐蚀

金属材料

锌、铝、锌铝合金、不锈钢、镍与镍基合金(镍铬合金、蒙乃尔合金等)、自熔剂合金、铜与铜合金、其他(钛、锆、锡、铅与铅合金、镉等)

耐热

(含热障)

非金属材料

陶瓷、金属陶瓷及其他

耐磨损

金属材料

碳素钢、低合金钢、不锈钢(主要为马氏体不锈钢)、镍铬合金、自熔剂合金、硬质金属(钼等)、碳化物硬质合金及其他(如镍铝金属间化合物等)

非金属材料

陶瓷、塑料

耐热

(含热障)

金属材料

耐热钢(含不锈钢等)、耐热合金(含镍铬合金)、自熔剂合金、MCrAlY系合金及其他

非金属材料

陶瓷

涂层类别、特性及其喷涂材料的选择

涂层类别

涂层特性

实  例

推荐用喷涂材料

1.软支承面涂层

软支承材料涂层,允许磨粒嵌入,也允许变形以调整轴承表面,需要充分地润滑

巴氏合金轴承、水压机轴承、止推轴承瓦、活塞导承、压缩机十字头滑块等

铝青铜复合喷涂丝,磷青铜喷涂丝,铝铅复合喷涂丝,镍包二硫化钼复合粉

2.硬支承面涂层

硬的和具有高磨损性能的支承材料的涂层。耐粘着磨损。用于不嵌入性和自动调整的不重要的、润滑有界限的部位。通常应用于具有高载荷和低速度

冲床的减振器曲轴、糖粉碎辊辊颈、防擦伤轴套、方向舵轴承、涡轮轴、主动齿轮轴颈、燃料泵转子等

铁、镍、钴基自熔剂合金,87%Al2O3+13%TiO2复合粉,12%Co包碳化钨粉

3.抗磨粒磨损涂层(低温,<540℃)

能经受外来磨料颗粒作用的涂层。因此,涂层硬度应超过磨料颗粒硬度

泥浆泵活塞杆、抛光杆衬套(石油工业)、吸油管联接杆、混凝土搅拌机的螺旋输送器、磨碎锤、(烟草制品)、干电池电解槽等

铁、镍、钴基自熔合金,含碳化钨型自熔合金,Al2O3粉末,Cr2O3粉末,87%Al2O3+13%TiO2复合粉

4.抗磨粒磨损(高温,540~815℃)

同上,同时必须在工作温度时有抗氧化性能

 

Co基自熔合金(使用温度高达816℃)、Ni+20%Al复合喷涂丝(使用温度<600℃)、Ni基自熔合金(<760℃)、Cr2C2+25%Ni-Cr混合粉末

5.抗摩擦磨损涂层(低温、540℃)

这种磨损发生于硬的表面或含硬质点的软表面在更软的表面上滑动的场合。涂层应比配对表面硬

拉丝绞盘、制动器卷筒、绳斗电铲、拨叉、插塞规、轧管定径穿孔器、挤压模、导向杆、刀片破碎机,纤维导向装置、泵密封、精密捣碎机和成型工具

铁、镍基自熔合金,含碳化钨型镍基自熔合金,12%Co包碳化钨粉末

6.抗摩擦磨损涂层(高温540~815℃)

同上。但涂层在538℃以上至843℃以下温度范围内使用

锻造工具、热的破碎辊、热成型模具

钴基、镍基自熔合金,Cr3C2+自熔合金+铝化镍混合粉末,Cr3C2+25%Ni-Cr混合粉末

7.耐纤维和丝线磨损涂层(<538℃以下)

可抵制纤维和丝线以高速从金属表面掠过时所发生的磨损

张力闸阀、牵引辊、刻痕板输送枢轴、卷绕器杆、导丝轮按钮导向装置、丝导向槽、加热板、预张辊

Al2O3粉末,60%Al2O340%TiO2混合粉末,87%Al2O3+13%TiO2混合粉

8.耐微振磨损涂层(可预计的运动)(表面疲劳磨损)

能抵制在一轨道上反复滑动、滚动或冲击所引起的磨损。反复地加载和卸载产生周期应力,从而诱发表面裂纹或表面下裂纹,最后导致表面破裂和大断片的损失(只发生在没有粘着磨损或磨粒磨损的情况下)

伺服马达电动机轴、车床和磨床的顶针、凸轮随动件、摇臂、活塞环(内燃机)、气缸衬套

自熔合金+细钼混合粉,自熔合金+Ni-Al复合粉,Ni+20%Al复合丝,Ni+5%Al复合粉,含碳化钨型镍基自熔合金(35%WC),12%Co包碳化钨,87%Al2O3+13%TiO2混合粉

9.耐微振磨损涂层(低温,<540℃,不可预计的运动)(表面疲劳磨损)

能抵制接触表面经受小振幅的振动位移时所引起的磨损。由于无可预计的运动进入系统,因此此种磨损难于预防

飞机襟翼导向装置、伸胀接缝、压缩机防气圈、压缩机导叶、螺旋桨空气发动机部分和加强杆、中间翼展支承(螺旋桨叶片)

自熔合金和细钼粉混合物,自熔合金和Ni-Al复合粉,铝青铜喷涂丝,12%Co包碳化钨

10.耐微振磨损涂层(高温,538~843℃,不可预计的运动)(表面疲劳磨损)

同上。但涂层在538~843℃的温度范围内使用

涡轮机气密圈、涡轮机气密环、涡轮机气密垫圈、涡轮机导流片调节板、涡轮机排气支承、涡轮叶片

钴基自熔合金,Ni-5%Al复合粉,Cr3C2+25%Ni-Cr混合粉

11.耐气蚀诱发的机械振动磨损涂层

耐液体流中气蚀诱发的机械振动所引起的磨损。最有效的涂层性能是韧性、高耐磨性和耐腐蚀性

水轮机耐磨环、水轮机叶片、水轮机喷头、柴油机汽缸衬、泵

自熔合金+Ni-Al复合粉,Ni+20%Al复合喷涂丝,316型不锈钢粉,铝-青铜喷涂丝,超细纯Al2O3粉

12.耐颗粒冲蚀涂层(低温,<540℃)

能经受通过气体或液体载带,并具有一定速度的尖利而硬的颗粒的冲击所引起的磨损。冲击角小于45°时,涂层硬度是首要的;冲击角大于45°时,韧性是最为重要的

抽风机、水电阀、旋风除尘器、切断阀阀杆和阀座

铁、镍基自熔合金+细铜粉,铁、镍基自熔合金+Ni-Al复合粉,Ni+20%Al复合丝,含碳化钨型自熔合金,超细纯Al2O3粉末,纯Cr2O3粉末,12%Co包碳化钨粉末

13.耐颗粒冲蚀涂层(高温,540~815℃)

同上。但涂层能在538℃以上温度使用

排气阀座

钴、镍基自熔合金,自熔合金+Ni-Al复合粉,Ni+5%Al复合粉,Cr3C2+25%Ni-Cr混合粉末

自润滑减磨涂层

自润滑性好,并有较好的结合性、间隙控制能力

常用于具有低摩擦因数的动密封零部件

用于550℃飞机发动机动密封件、耐磨密封圈及低于550℃时的端面密封(镍包石墨涂层),用于550℃以上动密封处(镍包二硫化钼),用作电触头材料及低摩擦因数材料(铜包石墨)

镍包石墨:润滑性合,结合力较高

铜包石墨:润滑性好,力学性能及焊接性能良好,导电性较高

镍包二硫化钼,自润滑自粘结镍基合金,自润滑、自粘结铜基合金;及其他包覆材料(聚脂、聚酰胺等)均为减摩材料,润滑性好

镍包硅藻土:可作为500℃以上高温减摩材料,耐磨、封严、动密封

、耐

1.耐氧化气氛涂层

涂层必须能阻止大气中氧的扩散,具有比操作温度高的熔点,并能阻止本身向基体的迅速扩散

排气消声器、退火盘、热处理夹具、回转窖的外表面

80%Ni+20%Cr合金粉,Ni-Cr合金+6%Al复合粉,铝喷涂丝

2.耐热腐蚀气体涂层

能保护暴露在高温腐蚀气体中的基体材料,并可防止粘附氧化物或者脆性化合物的生成,耐机械的作用,并不是一个必要条件,然而这些涂层中某些涂层的耐冲蚀性比其他涂层更好

柱塞端部、回转窖的内表面、钎焊夹具、排气阀杆、氰化处理坩埚

80%Ni+20%Cr合金粉,Ni-Cr合金+6%Al复合粉,铝喷涂丝

3.耐工业大气涂层

能保护暴露于有烟尘和化学烟雾的环境的基体材料

所有类型的结构和构件钢、电的导线管、桥梁、输电线路的金属构件等

锌及锌合金喷涂丝,铝及铝合金喷涂丝(涂层表面若经有机封闭剂处理,可大大延长涂层寿命)

4.耐盐类气氛涂层

能保护靠近海岸或其他含盐水物体环境的基体材料

高于水线以上的桥梁和船坞结构部分、贮藏容器外壁、船的上层结构、栈桥,变压器表面

锌及锌合金喷涂丝,铝及铝合金喷涂丝(应选用适当的封闭剂处理表面)

5.耐饮用淡水涂层

能保护暴露于淡水中的基体材料,并不影响水质

淡水贮器,高架渠、过滤机水槽、水输送管

锌喷涂丝(采用的表面封闭剂中不含铬酸盐等有害物)

6.耐非饮用淡水涂层

能保护非饮用的淡水(水温不超过52℃,pH值在5~10之间)中的基体材料

发电厂引入线、浸渍在淡水中的结构装置、航行在淡水中的般身

锌及锌合金喷涂丝、铝及铝合金喷涂丝(可选用酚醛树脂、石蜡为封闭剂)

7.耐热淡水涂层

耐超过52℃的水温直到高达204℃的蒸汽,pH值在5~10之间

热交换器、热水贮藏容器、蒸汽净化设备、暴露于蒸汽的零件

铝喷涂丝(涂层表面涂覆封闭剂)

8.耐盐水涂层

对盐水介质(如静止或运动着的海水或咸水)具有抗腐蚀性。但涂层必须正确使用密封剂

船用发动机的集油盘、钢体河桩和桥墩、船体

铝及铝合金喷涂丝(涂层表面再涂覆底漆及防污漆)

9.耐化学药品和食品腐蚀的涂层

耐化学、药品(如石油、燃料或溶剂等)和食品的侵蚀,但不改变其化学组成及食品的味道

汽油类、甲苯等药剂的贮罐、啤酒厂的麦芽浆槽、软饮料设备、乳品及制酪业设备、食品油贮槽及糖密罐甘油槽内衬、木屑洗涤机

铝喷涂丝(表面涂覆封闭剂)

导电涂层

电阻小,电流易于通过

电容器的接触器、接地连结器、避雷器、大型闸刀开关的接触面、印刷线路板等

纯铜喷涂丝,纯铝喷涂丝,Ag等

绝缘(电阻)涂层

对电流有阻止作用,相当于绝缘体

加热器管道的绝缘、焊烙铁的焊接头

超细纯Al2O3粉末,87%Al2O3+13%TiO2复合粉

耐熔融金属涂层

能经受熔渣和溶剂的腐蚀作用,以及金属蒸气和氧的浸蚀

耐熔融锌

耐熔融铝

耐熔融铜

耐熔融铁和钢

镀锌浸渍槽、浇铸槽模具、风口、输出槽锭槽

风口、连铸用的模子

(1)Al2O3+21/2%TiO2喷涂粉

(2)底层:Ni-Cr合金+6%Al工作层:锆酸镁(MgO、ZrO2)+24%MgO

粘结底层

(涂层薄,一般只需0.08~0.18mm)

喷底层目的是增加面层的粘结力。用镍包铝或铝包镍增效材料,还因为喷涂时能产生化学反应,生成金属间化合物的自粘结成分,形成底层无孔隙且为冶金结合,可防止气体渗透对基体的腐蚀

面层是陶瓷材料,基体是金属材料,喷底层后,可防止因热膨胀不同,热应力作用下被破坏

Mo、Nb、T8(用等离子喷涂粉①)Ni-Al(80%、20%)、Ni-Al(83%、17%)(用火焰粉末喷涂②、线材电弧③、线材火焰喷涂④),Ni-Al(95%、5%)(用①、②、③、④),Ni-Cr-Al(用①、③、④)Ni-Cr(80%、20%)(用③、④),铝青铜(用①、②、③);Ni-Al-Mo(90%、5%、5%)(用①、②)

功能性涂层

防微波、远红外、辐射等功能

Tc超导体层,具有Tc为81K的超导性能

微波吸收层:用在高能物理电子直线加速器、雷达、微波系统,材料有Fe-Cr-Al、Fe-Cr-Ni-Al、Fe-Cr-Mn、Fe-Ni等

Tc超导体层:可在氧化铝、氧化锆、蓝宝石等基体上获取超导陶瓷薄膜层,用于生物医学;喷涂羟基磷灰石、氟磷灰石及其他陶瓷层防护人工牙和关节假体

防远红外、激光等功能涂层:用于宇航等技术

机械零件间隙控制涂层(可磨耗密封涂层)

由气体在压力之下驱动的机器其机械效率取决于转子的密封能力,密封能力高可以减小或防止气体的泄漏,因此,要求转子与定子之间具有非常紧密的配合间隙。由于转动零件在工作条件下可能延伸或膨胀,而与静止零件发生碰撞,所以,要制造具有紧密间隙的机器是很困难的,但使用可磨耗密封涂层即可解决这一问题。方法是在静止零件上喷涂一层可磨耗封严层,通过转动部分的零件,使涂层形成紧密尺寸配合的密封通道

典型的可磨耗密封涂层用于喷气发动机压气机匣和涡轮机匣上。涂层应有足够厚度,以使发动机装配时,转子叶片和机匣之间互相搭接。当发动机启动时,叶片顶端与涂层摩擦,磨去一些涂层,形成通道,而叶片本身不受损伤,由于涂层适应叶片径向和轴向移动,每个叶片的顶端都能在涂层中获得最佳密封。在设计可磨耗密封涂层时,必须解决两个根本对立的要求,即涂层不仅是可磨耗的,而且必须耐气流的冲刷和粒子的冲蚀。因此有必要比较涂层的可磨耗性能与抗冲蚀性能,下表给出了几种常用的可磨耗密封涂层材料及性能以及耐热性能和耐化学腐蚀性能

涂层名称

喷涂

方法

涂层

硬度

喷涂态涂层表面

粗糙度/nm

最高使用

温度/℃

说  明

聚苯酯-硅铝

等离子

喷涂

55~65

HR15Y

600~900

340

涂层中含约55%(体积分数)的硅铝和45%的聚苯酯,涂层的孔隙率约2%

镍-石墨

10~40

HR15Y

1000~1300

480

以镍-铝为底层,涂层中含石墨约15%(体积分数),其余为镍或镍的氧化物,孔隙率约为25%

镍-石墨

75~80

HR15Y

1000~1200

480

以镍-铝为底层,涂层中含石墨约12%(体积分数),其余为镍或镍的氧化物,孔隙率约为25%

氮化硼-镍、铬、铝

40~50

HR15Y

900~1300

815

以镍-铝为底层,涂层中含氮化硼约25%,其余为镍-铬-铝合金,孔隙率约25%

镍-铝

(32±5)

HR15W

1000~1500

815

以镍-铝为底层,采用特殊的喷涂方法制备孔隙率较高的铝-镍涂层

镍、铬-铝

85HRB

300~400

1040

涂层为含铝6%的镍铬合金

几种典型耐高温热障涂层

涂层类型及特点

选用的涂层材料和工艺方法

丝材火焰喷涂

粉末火焰喷涂

等离子喷涂

耐高温涂层

这类涂层能改善基体零件的高温工作条件,并能承受高温条件下的化学或物理分解作用或由于腐蚀造成的化学损坏

耐大气氧化

这种涂层能防止基体由于高温氧化造成的损坏。涂层的熔点高于工作温度,在工作温度下具有低蒸气压。不要求涂层承受机械磨损

镍-铬合金、镍-铝、铝

镍-铬-铝

镍-铬合金、镍-铬-铝

耐气体腐蚀

这类涂层能保护基体免于暴露在高温腐蚀气体中。必须考虑到气体与涂层发生反应时,要防止形成吸附氧化物,或形成易碎的成分,或穿透涂层侵蚀基体。不要求这种涂层具有承受机械冲击或磨损的作用

镍-铬合金铝

镍-铬-铝

镍-铬合金、镍-铬-铝

耐高温(850℃以上)冲蚀

这类涂层能耐高温,同时也要能耐粒子冲蚀。在高温下的高速粒子和高压气体形成各种恶劣环境,因此,涂层必须能承受由运动着的尖锐和坚硬的粒子所造成的冲蚀。当粒子的冲蚀角度小于45°时,粒子沿表面产生磨料磨损,故要求涂层具有高硬度;当粒子的冲蚀角度大于45°时,要求涂层具有高的韧性

白色氧化铝、氧化锆、锆酸镁、锆酸钙

热障

这类涂层具有较低的热传导性能,此种热障作用可以防止基体材料达到其熔点,也具有转移辐射热的作用

灰白色氧化铝、氧化锆、锆酸镁、氧化锆-镍-铝、锆酸镁-镍-铝、锆酸镁-镍铬-铝

耐熔融金属涂层

这类涂层能承受熔融金属的腐蚀,并对熔融金属不发生润湿作用。如耐熔融的锌、铝、钢和铁,以及铜等的涂层

耐熔融锌

钨、灰色氧化铝、锆酸镁

耐熔融铝

灰色氧化铝、锆酸镁

耐熔融钢铁

钼、锆酸镁

耐熔融铜

钨、钼、灰色氧化铝、锆酸镁

几种典型的电绝缘或导电涂层

涂  层  类  型

选用的涂层材料和工艺方法

丝材

粉末

冷喷涂

等离子喷涂

火焰喷涂

导电涂层

这类涂层必须具有良好的导电性能和低电阻

铝、铜

铝、铜

铝、铜

介电涂层

这类涂层必须具有阻止电流通过的绝缘体作用。击穿涂层的强度(通常以单位长度上的电压表示)和容许的电导是介电强度的表征参量

 

白色氧化铝、

氧化铝-氧化钛

 

白色氧化铝、氧化铝-氧化钛、氧化铬-氧化硅

屏蔽涂层

无线电频

率屏蔽

这种涂层必须能接收干扰无线电频率并将其传导到大地,能对无线电频率起屏蔽作用而使超高频通过

铝、锡、锌

铜、铝、锡、锌

铜、铝

原子能屏蔽

这类涂层通过阻止热中子或γ射线的通过,对射线起屏蔽作用。高原子密度的材料,如铅和钢能有效地屏蔽γ射线。吸收中子较好的一些元素有硼、氢、锂和镉,其中以硼和硼化物最好,这种材料可以用热喷涂的方法喷涂,并具有吸收热中子的能力,而不产生大量的次级强烈的γ射线

铅、钢

钢、硼化物

热喷涂层也可以作为导电体使用,如印刷线路板和炉子加热元件的触点。氧化物和有机塑料的热喷涂层可作为电绝缘体。本表中所列为典型的电绝缘或导电涂层选用的材料和喷涂方法。基体材料的电性能受到喷涂材料影响。喷涂材料一般应根据材料的已知性能和其使用状态来选择

热喷涂应用实例

喷  涂  工  件

喷涂金属

喷  涂  工  艺

效   果

名  称

工  况

1.水闸门

长期处于干湿交替,浸没水下,并受海水、淡水、工业污水、气体、日光、水生物的浸蚀,以及泥砂、冰凌和其他漂流物的冲磨,易发生腐蚀

用SQP-1型火焰喷涂枪喷涂锌丝,火焰为中性焰或稍偏碳化焰,多次喷涂,涂层厚度0.3mm左右,喷涂合格后,用沥青漆封闭。(喷涂前用0.5~2mm石英砂喷砂处理)

过去用涂料保护一般用3~4年,比较好的用7~8年,较差的1~2年。改用喷涂锌后,可延长到20~30年

2.刹车摩擦片

进口(日)10m落地车床的刹车片

喷砂除锈,粗化后,用SQP-1型喷枪,进行钼线材气喷涂0.2mm厚的涂层

原使用不到半年磨损报废,喷涂后,使用1年多,无磨损现象

3.提引水龙头内管(总管)

工程钻机用提引水龙头内管,由于嵌入密封圈内的泥砂对内管外壁产生磨料磨损

50%碳化钨、50%镍基自熔合金

用火焰喷熔涂层强化,喷熔层的宏观硬度可以达到52~60HRC。比焊条堆焊平整光滑,后加工余量较小

不需通过热处理来提高硬度,抗磨能力分别为45淬火钢和65Mn淬火钢的22倍和23倍

4.贪苯菲尔溶液泵耐磨环

贪苯菲尔溶液有较强的腐蚀性,泵中零件要求既要耐磨又要耐蚀

Cr2O3

等离子喷涂氧化铬,间歇喷涂,涂层厚度一般在0.8mm左右,太厚容易开裂

使用寿命达2~3年

5.活塞环

机车柴油机240活塞环随着机车向高速高载荷发展,要求承受更高的热载荷和机械载荷

钼和镍基自溶合金

等离子喷涂钼和镍基自溶合金的混合材料,涂层的抗拉强度从0.539MPa提高到1.176MPa,涂层出现龟裂温度从180~200℃提高到400℃

使用寿命从(9~12)×104km(纯钼涂层)提高到2.4×105km

6.内燃发动机排气门

承受腐蚀性气体的高温腐蚀和高温燃烧产物的高速冲刷(流速高达800m/s),以及排气门高速启闭使之承受冲击性交变载荷,从而对排气门锥面产生高温腐蚀、磨损和疲劳破坏

钴基合金(Co-02)

在4Cr14Ni14W2Mo做的排气门锥面上采用等离子弧粉末堆焊钴基合金(Co-02),堆焊层硬度40~48HRC

b1d7d24a

(1)针对排气门各部分工况不同,避免采用一种高合金材料,节省了贵重金属

(2)提高了寿命和生产效率,降低了成本

7.端面浮动油封密封装置

在工程、矿山、建筑、化工、农业等机械中使用,作用是防止润滑油的外泄,同时阻止外部泥水、土砂等介质向内部浸入,使用过程中,两个成对用的环承受一定的压力(工作面压强为0.392~0.588MPa)并以变化的转速相互转动对摩,开始是滑动摩擦磨损,随着泥砂浸入密封面后,又产生磨粒磨损和腐蚀作用

铁基或镍基合金

在普通碳钢环体上工作面上,采用等离子弧粉末喷焊一层铁基或镍基合金涂层,所用合金粉末仅为整体型合金密封环的15%~20%,喷焊层硬度为61~65HRC

使用寿命已达到国外同类产品先进水平,零件尺寸精度高,易保证装配质量

节省了贵重合金材料,产品的成品率也提高了30%~40%

434

434-1

8.高速轴颈(氨压缩机低压缸转子无键联轴器轴颈)、裂解气压缩机转子,耐磨损

等离子喷涂修复与强化

四川化工机械厂:效果好

压榨辘轴轴颈,耐磨损

火焰喷涂耐磨层,修复尺寸

海南上坡糖厂:每根节省2000多元

9.f 300轧机减速箱巴氏合金轴瓦

采用火焰喷涂耐磨层

广西南宁市钢铁厂:效果较好

10.内燃机曲轴,耐磨

进口车的汽车曲轴,耐磨损

等离子喷涂

火焰喷涂+离子氮化处理

黑龙江省机械研究所、西安公路学院:效果好

11.1700mm轧钢机(德国进口件)平整线扩张机轴的修复耐滑动摩擦

8t东风大吊车6m长的液压长轴修复(长4m)

纺丝生产恒温用空调风机主轴维修(纤维三厂)

用火焰喷涂涂层

用火焰喷涂耐磨涂层

武汉钢铁厂、中国人民解放军4805工厂:修复后使用正常

鞍钢南部热喷涂厂:节约了时间,提高了效益

12.井下钻车滑架进行喷涂

耐泥浆、碎石磨粒磨损

用等离子喷涂

沈阳有色冶金机械总厂:寿命提高3倍

13.氨泵柱塞维修

用等离子喷涂

洛阳氮肥厂:寿命可提高3倍

14.精锻机芯棒的喷涂,耐高温磨损

采用真空等离子喷涂WC-Co涂层

广州有色金属研究院:效果好

15.造纸施胶烘缸

火焰喷涂,耐磨损及腐蚀磨损

上海造纸厂:效果好

16.压缩机部分:风扇叶片,压气机叶片及燕尾槽,尾翼座,叶片制动环,轴承箱,低、中、高的压气机机匣,迷宫,燃料嘴阀等耐磨涂层,抗微振磨损、抗浸蚀涂层,可磨削封严涂层等

火焰喷涂,等离子喷涂,爆炸喷涂,超高速火焰喷涂

均为航空发动机上涂层使用的主要部位

17.燃烧室隔热涂层

等离子喷涂,超音速火焰喷涂

(ZrO2-Y2O3-Al2O3、ZrO2-CaO等)

均为航空发动机上涂层使用的主要部位

18.主轴抗氧化耐腐蚀涂层,抗侵蚀涂层,隔热涂层,可磨涂层

火焰喷涂,等离子喷涂,爆炸喷涂

19.燃气涡轮定向凝固叶片的耐高温腐蚀涂层

真空等离子喷涂(MCrAlY涂层)

20.斜拉桥上的斜拉索,耐大气、海水腐蚀

火焰喷涂Zn-Al

节约用费1/3

21.硫酸生产用的沸腾炉的复水管

火焰喷涂及等离子喷涂,耐SO2气体腐蚀

 

22.化纤纺丝机上的喂入轮以及各种导丝转子、导丝轮和导丝棒;卷绕头上的辅助槽锟和各种导丝器等,耐磨,耐蚀

涂层材料:氧化铝陶瓷   结合强度:15.5MPa   宏观硬度:58.5HRC

喷涂粉末:Al2O3·TiO2   整体密度:3.50g/cm3

涂层厚度:0.2~0.4mm   喷涂工艺:氧乙炔火焰喷涂或等离子喷涂

23.纺织机械中机械密封装置的动环与静环的结合面;弹力丝加捻机上摩擦片,耐磨、耐蚀

涂层材料:氧化铬陶瓷   结合强度:44.8MPa   喷涂工艺:等离子喷涂

喷涂粉末:Cr2O3      整体密度:4.80g/cm3

涂层厚度:0.2~0.4mm   宏观硬度:58.5HRC

24.多用于氧化铝陶瓷涂层与工件金属基体的过渡涂层,耐蚀

涂层材料:镍铬合金     整体密度:7.48g/cm3  接合强度:31.0MPa

喷涂粉末:80Ni20Cr     宏观硬度:188HB

涂层厚度:0.05~0.15mm   喷涂工艺:氧乙炔火焰喷涂或等离子喷涂

25.等离子喷涂生产中空球状的陶瓷材料

它具有密度小、成分均匀、流动性好、热导率低、快速熔化等优点。可作为不定型的高温隔热填充材料或高温轻质块体绝热材料,应用于宇航飞行器,也可作为橡胶、合成树脂等有机材料的一种特殊性的填充剂,是一种新型的耐磨绝缘材料

26.热喷涂生产高折射率玻璃微珠材料

可制做汽车号牌的反光膜,广泛用作交通标志

27.真空等离子喷涂(或大气等离子喷涂)制造新的高Tc超导材料

它是当温度降至某一临界值Tc(K)时,材料的电阻突然消失,产生了所谓“超导”现象。可应用于量子电子器件、微波元件、电磁屏蔽

28.用真空等离子喷涂制造电解活性固体氧化燃料电池薄膜及生产添加钼的催化剂镍电极

29.连续退火炉(CAL)辊

①汽车用外壳薄板和硅钢片板材表面质量要求极高,不允许有任何划痕和缺陷。故生产中对与钢板接触传动的炉辊表面状态要求十分严格

②武钢CAL辊长2700mm、工作部位长1500mm,辊径20mm、工作温度800~920℃,工作介质为氮氢还原性气氛并具有不同露点

①在宝钢薄板生产线上采用HVOF技术在连续退火炉辊表面喷涂NiCr-Cr3C2作抗积瘤涂层具有耐磨、耐高温、自清洁作用

②在武钢硅钢片生产线上采用等离子喷涂NiCr-8%Y2O3/ZrO2涂层抗积瘤

①生产的产品达到日本同类产品水平

②寿命超过6个月,最长达2年,表明陶瓷涂层抗积瘤效果明显,硅钢片表面质量达到武钢设计要求

30.热浸镀生产线沉没辊

采用森吉米尔(Sendzimir)法进行薄板钢带连续热浸镀锌(CGU)和热浸镀铝、锡等金属熔液生产线中(见示意图)

熔液坩埚中工作的沉没辊和稳定辊等均遭受694~800℃铝熔液和452~570℃锌熔液侵蚀,同时钢带由辊面带动的运动速度高达35~40m/s。合金辊一般在铝熔液中寿命仅为2~3天,锌熔液中则仅10天左右就会产生很深的磨痕和蚀坑,划伤带钢表面,使废次品率增加

采用等离子喷涂Al2O3+TiO2、MgO-ZrO2、MoAl2O4和NiCrAlY形成的梯度涂层(总厚达1mm),以及用HVOF喷涂Co-WC涂层作为沉没辊和稳定辊工作层

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连续热浸镀锌、铝生产线示意图

由于涂层材料与铝、锌熔液不润湿和不产生化学反应,上述两种工艺涂层分别在连续热浸镀铝、锌生产线坩埚中运动的寿命提高3~4倍。该类涂层还可用在熔融Cu、钢液方面作锭模、运输槽、坩埚内壁涂层和热电偶套管、搅拌器、支架等保护层

31.热轧工具

大口径无缝钢管(219~4377mm)自动轧管机所用的轧管机顶头,传统采用Cr17Ni2Mo整体铸造的耐热马氏体不锈钢制造,顶头与970~1050℃的钢管内壁以3~3.5m/s速度相对位移,实际顶头表面温度高达1050~1150℃,使顶头高温硬度和强度急剧下降,表面氧化烧伤,产生结瘤、撕裂、拉伤、凹陷。其消耗量为每轧制千吨钢管耗顶头16t

采用等离子喷焊技术,在锻制的45钢顶头基体上(如图示)喷焊Ni基高温合金+35%碳化钨焊层,厚度为12~1.5mm

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经包钢无缝钢管厂3年的实际生产验证,喷焊顶头平均使用寿命提高3~5倍。每轧制千吨钢管耗顶头降至3t,年增效益达1000万元以上

其他工模具的应用,例如结晶器、高炉风机、热剪刃、压铸和挤压模具等

塑料粉末热喷涂的特点、涂料类别、涂层性能和应用

粉末固态涂料与传统液态涂料涂装的比较

传统的油性漆,对金属表面有优异的润湿性和较好的耐候性,但涂膜本身的耐蚀性,特别是耐水性、耐化学介质性差,不能满足恶劣环境下的防腐蚀要求。常规的液态树脂涂料成分中含有有机溶剂(有机溶剂是涂料配方中的一个重要组分,没有它,则会给涂料的制造、储存、施工都带来困难,涂层的质量会受影响),涂料成膜后,溶剂全部挥发到空气中,造成空气污染和材料浪费。有机溶剂中大多数是有毒有害物质,是造成大气污染的主要原因之一,损害人的健康,易引起火灾和爆炸。粉末涂料是一种不含溶剂的固态涂料,诞生于20世纪40年代末,与传统液态涂料相比,性能、制造方法和涂装作业等各个方面都有很大差异(见下表)

塑料粉末涂料类型和性

从塑料粉末涂料的成膜性质可以把塑料粉末涂料分为热固性和热塑性两大类。热固性粉末涂料的主要组成是各种热固性的合成树脂,如环氧、聚酯、丙烯酸、聚氨酯树脂等,热固性树脂能与固化剂交联后成为大分子网状结构,从而得到不溶、不熔的坚韧而牢固的保护涂层

热塑性粉末涂料以热塑性合成树脂为主要成膜物质,例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯树脂等,热塑性粉末涂料经熔化、流平,在油、水或空气中冷却固化而成膜,配方中不加固化剂

塑料粉末一般由基料树脂、颜料、防老化剂及其他添加剂组成,热固性粉末中还含有固化剂。单独的树脂涂层,其强度、耐热性、耐磨性有限,可以采用添加改性树脂或填料的办法来提高其性能。如改善聚乙烯粉末涂料涂层的力学性能和提高其与金属的附着力的措施成为发展这个品种的重要手段,下表举例介绍了聚乙烯改性品种的情况

粉末涂料中添加金属粉末、陶瓷粉末等材料可以显著地改善涂层性能。如为了提高聚苯硫醚涂层的耐磨性,可以采用聚苯硫醚-氧化铝复合喷涂粉末

比较项目

粉末涂料

液态涂料

可以使用的树脂

能够熔融的固态树脂

液态或可以分散在溶剂中的树脂

喷涂损失

<10%

约20%~50%

回收可能性

溶剂挥发

一次涂厚性

良好

聚乙烯

粉末树

脂改性

品种

序号

改性树脂

主要改性特点

需要涂装次数

1次

多次

1

醋酸纤维素

提高硬度和流平性

边角覆盖性

良好

利用率

粉末散失损耗5%

喷涂材料散失50%

2

聚丙烯

提高硬度和其他力学性能

 

可回收利用的粉末35%

喷涂中溶剂散失23%

3

EVA

提高附着力,降低加热温度

   

干燥时溶剂损失14%

4

树脂聚丁烯

提高光泽度和力学性能

 

材料利用60%

利用的材料13%

   

塑料粉末热喷涂的特点

①塑料粉末涂料不含溶剂,其制造和施工过程中释放的有机溶剂几乎为零,避免了有机溶剂挥发所引起的大气污染和火灾事故,节省了大量溶剂,且物料无毒,大大降低了对操作人员的危害

②粉末涂装利用率高。由于涂料是100%的固体,可以采用闭路循环体系,喷溢的粉末涂料可以回收,涂料利用率高达95%

③树脂的相对分子质量比溶剂型涂料大,涂覆层的性能和耐久性比溶剂型涂料有很大提高

④粉末涂料涂装时,厚度可以控制,一次涂装可达30~500μm,相当于溶剂型涂料几道至几十道涂装的厚度,减少了施工时间,节能、高效

⑤可以选择相应的涂层材料来满足所需性能要求,所提供的粉末均为标准化生产

⑥操作简单,对操作人员需要较少的培训;使用方便,涂装前无需进行物料混合,不需要随季节调节黏度,厚膜也不易产生流挂且易于实现自动化流水线生产

⑦所有涂装工作均在同一系统中完成,没有溶剂的干燥时间,因而涂装时间大大缩短;不需要通风来干燥溶剂,因而输入的热量保持在炉内,减少了能源损耗

⑧易于保持施工环境的卫生等

粉末涂料是一种高性能、低污染、省能源、省资源的新型涂料。其制造工艺比普通涂料复杂,制造成本较高,需要专门设备,涂料成膜烘烤温度高,制备厚涂层较容易,但很难制备薄到15~30μm的厚度,更换涂料颜色、品种比普通涂料麻烦

塑料涂层的性能及其应用

金属材料的耐蚀能力有限,特别是耐酸碱盐等强腐蚀介质性能差,而多数塑料对酸碱盐介质具有良好的耐蚀防腐性能。塑料粉末涂覆于金属基体上,利用金属的强度,发挥塑料本身的各种特性,形成满足各种要求的塑料涂覆层

选择合适的塑料品种、涂层厚度和成膜过程,塑料涂层可以获得如下性能:①对无机酸碱盐、大多数溶剂和有机酸具有良好的耐化学腐蚀性;②对许多材料具有减摩性、防黏性;③耐磨性、防滑性;④抗机械振动性;⑤电绝缘性;⑥装饰性等。

目前,塑料粉末涂料在许多领域得到了应用。

①家电行业。主要应用于家用电器外壳涂装市场

②建筑行业。耐候性粉末涂料用于户外建筑物型铝和包铝的保护,解决钢门窗路牌、公路标志、门牌等防腐问题

③石化行业。化工机械、化工设备容器等的防腐管道行业。石油输送管、化工防腐管、住房用水管、电站水管、煤气管、船舶水管等

④汽车及其车辆零部件。采用粉末涂料涂装的比例越来越高,粉末涂膜代替电镀和涂装零部件,不仅提高了装饰性、防腐性,而且经济效益也非常可观

⑤金属丝网等金属物件。涂塑后的性能大大优于镀锌工艺

⑥电子元器件绝缘涂层及其绝缘包装等。塑料涂层作为电子元器件、电阻、电容器绝缘包装、变压器、电动机转子的绝缘涂层逐步兴起,如通过对电容器采用绝缘型涂料全封闭涂装,其电性能优良,外观光滑,效果极佳

⑦金属家具。金属制品涂塑取代纯木制品

塑料粉末喷涂方法的原理、特点和应用

方法

(1)静喷涂法

方法

(4)火焰喷涂法

是利用高压静电电晕电场,在喷枪头部金属上接高压负极,被涂金属工件接地形成正极,工件和喷枪电极之间施加高压直流电形成静电场,塑料粉末从储粉筒经输粉管送到喷枪的导流杯时,导流杯上的高压负极产生电晕放电,产生密集电荷使粉末带负电,在静电和压缩空气作用下,粉末均匀地飞向正极工件,随着粉末沉积层的不断增加,达到一定厚度时,金属工件最表层因粉末所带电与再飞来的粉末电荷同性,使新粉末受到排斥而不再附着,即完成一道喷涂。这时,将吸附于工件表面的粉末加热到一定温度,使疏松堆积的固体塑料粉末熔融、流平并固化后形成均匀、连续、平滑的涂层

粉末火焰喷涂是在特殊设计的喷枪中利用燃气(乙炔、氢气、煤气等)与助燃气(氧气、空气)燃烧产生的热量将塑料粉末加热至熔融状态及半熔融状态,在运载气体(常为压缩空气)的作用下喷向经过预处理的工件表面,液滴经流动、流平形成涂层

喷涂用的粉末应能满足如下要求:粉末的形状应有良好的气体输送性,材料的熔融温度和热分解温度的温差要大,否则容易造成材料过热分解,粉末不能是易分解、易燃烧的微细颗粒,为了便于形成涂层,熔融温度应低,材料的收缩变形要小。能够喷涂的塑料粉末范围较广,如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、环氧树脂等

主要是热固性粉末。除了防腐、装饰作用外,还有绝缘、导电、阻燃、耐热等特殊功能的涂料。静电喷涂对粉末有以下要求:粉末疏松,流动性好,稳定的储藏性,合适的细度(80~100μm),分布范围越窄越好,球状粒子效果好,粉末是极性的或容易极化的粉种,粉末的体积电阻要适当,粉末涂料表面的电阻要高

能 涂覆的涂层厚度大;设备简单,投资少,操作方便;可现场进行施工修补各种涂层缺陷;适应性强,基材可以是金属,也可以是混凝土、木材等非金属材料;更换粉 末颜色及品种方便。对于形状复杂的工件涂覆困难,现场喷涂对较大工件预热比较困难,粉末的烧损较大,靠手工控制,不易获得十分均匀的涂层

主要优点是工件不需预热,粉末利用率高(≥90%),涂层较薄(40~100μm),涂膜厚薄均匀且易于控制,无流挂现象,适于大批量生产。在防腐、装饰及各种功能性涂层方面应用广泛

主要缺点是涂膜较薄,不适于强腐蚀介质环境,需要专门的烘干室烘干,烘干温度较高,需要封闭的涂装室和回收装置,不适宜形状复杂工件和大工件

可以获得防腐、耐磨、减摩等多种性能涂层。喷涂粉末可以是单一的塑料粉末或树脂改性粉末,也可以是复合粉末,可以将金属、陶瓷等粉末与塑料粉末混合后实施喷涂,以改善涂层性能。实验表明,在高密度聚乙烯粉末(HDPE)中添加5%~30%(体积分数)的Fe-Ni-B合金粉末获得的喷涂层,其耐磨性、导热性和承载能力均得到显著提高。在无润滑剂的滑动摩擦情况下,涂层摩擦因数可降低12~1.5倍,相对耐磨性可提高7.3~18倍;添加5%~10%(体积分数)的粉末固体润滑剂,涂层摩擦因数从0.38降至019;而在润滑剂存在的条件下,摩擦因数降低得更多

目前,塑料粉末火焰喷涂技术已经应用于化工、纺织、食品机械等行业,在防腐、减摩等方面发挥作用。如:某葡萄酒厂低温发酵车间的16个发酵罐是采用不锈钢焊接的,罐体直径2400mm,高5400mm,厚3mm。使用后发现罐内壁出现点状腐蚀,使酒中铁离子超标,影响了产品质量。该厂使用涂刷涂料,使用一段时间后脱落。采用塑料粉末火焰喷涂技术在罐内壁喷涂聚乙烯和环氧树脂,效果良好

家用电器工业、机电工业、轻工业、石油化工以及建筑五金、仪器仪表等

电冰箱箱体静电喷涂的主要工艺:上工件前处理干燥静电喷涂固化冷却卸件

方法

(2)流动浸塑法

也称流化床法,其基本原理是利用工件的热容量进行塑料粉末的熔覆,是粉末涂料施工中用得比较多的方法。先将塑料粉末放入底部透气的容器即流化槽中,槽下通入的压缩空气使塑料粉末沸腾并悬浮于一定高度,而后把预先加热到塑料粉末熔点以上温度的工件浸入流化槽中,塑料粉末就均匀地黏附到被涂工件的表面上,浸渍一定时间后取出并进行机械振荡,除掉多余粉末,然后送入塑化炉经流平、塑化,最后出炉冷却,从而得到均匀的涂层

方法

(5)分散液喷涂法

分散液喷涂法包括悬浮液喷涂和乳浊液喷涂两种。它是将树脂粉末、溶剂混合成分散液,用喷、淋、浸、涂等方法涂覆于工件表面上,然后在室温或干燥温度下使溶剂挥发,从而在金属表面形成一层松散的粉状堆积层,再在一定的高温下烧结,使其形成一整体膜,并与金属表面牢固结合,烧结后经冷却可再继续涂下一层

常用的粉末涂料:①聚乙烯,流动浸塑的主要原料,成本低、加工性好、耐化学性好,耐热性不足;②聚氯乙烯,加热过程有发烟现象,耐化学性好,耐热性不足;③聚酰胺,流浸用的主要是尼龙1010、尼龙11、尼龙12,耐磨性好,自润滑性好,耐油性好,耐强酸性差

大多数热塑性和热固性塑料粉末都可以使用流动浸塑法

优点:工艺上省能源、无污染、效率高、质量好、涂层厚,涂膜的耐久性、耐蚀性和外观均较好,粉末涂料损耗少,设备简单,投资少。其缺点是不易涂覆约75μm以下膜厚的涂层,工件必须进行预热,主要适用于热塑性涂料

聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、氯化聚醚、聚苯硫醚等粉种其熔融黏度比普通热塑性树脂高很多,难以采用一般热塑性塑料的加工方法。可将粉末加热到熔点以上,使其由结晶相转变为无定形相,形成密实、连续、透明的弹性体,再通过降温转变为结晶相

在交通道路、建筑、电器通信、管道材料、养殖、家庭、办公等方面用途广泛。钢管流动浸塑工艺流程如下:钢管表面清理脱脂酸洗水洗中和水洗热水洗磷化处理或上底漆预热流动浸塑塑化冷却检查包装

用分散液喷涂法,可涂装比较复杂的工件,得到性能优良的涂膜。缺点是施工费用较高,对粉末要求高,须分散得很细

方法

(3)静电流浸法

石油化工、日用品等防腐、减摩、防黏、装饰涂层,如硫酸铝加热器的PPS涂覆,具体工艺如下:制备分散液→工件表面预处理→分散液喷涂→烧结塑化→淬火→针孔检验

静电流浸法是综合了静电喷涂和流动浸塑的原理而设计的一种方法,该法在流动浸塑槽的多孔板上安装了许多电极;电极上有高压直流电通过,于是使流动浸塑槽中的空气电离而带电,带电的空气离子与塑料粉末撞击使塑料粉末带电,粉末粒子带负电,工件接地带正电,静电吸引作用使塑料粉末被吸附到工件表面,再经加热熔融固化即可形成涂层

方法

(6)不预热塑料粉末火焰喷涂法

不预热塑料粉末火焰喷涂,即在金属表面预涂一层胶黏剂,再直接在胶黏剂表面喷涂塑料粉末以获得涂层的方法

静电喷涂的粉末原则上都可以用于静电流浸,但粒度范围较窄,其粒子大小以20~100μm为宜。目前常用于静电流浸的粉末有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、环氧树脂、环氧聚酯、聚酯等

选用改性环氧类胶黏剂作为底胶,采用调整的喷涂枪头进行喷涂,可以得到流平良好的聚乙烯喷涂涂层,涂层与基体结合良好,剥离试验中涂层多为内聚破坏

静电流浸法具有效率高、涂层厚度可以控制、设备小巧、投资较少、操作方便等优点。缺点是不适于大型工件

不预热塑料火焰喷涂技术应用于大型钢结构,喷涂效率低,预热困难可采用本法

典型不预热塑料粉末火焰喷涂工艺流程如下:工件预处理(喷砂、磷化等)→用刷涂、辊涂的方式在金属基体上均匀涂布一层底胶→火焰喷涂→工件冷却(空冷、水冷)→涂层检验→成品

主要用于线材、带材、电器、电子元器件等形状比较简单、厚度较小的金属材料的防腐、绝缘及装饰涂塑,被涂物的尺寸应在流动浸塑槽的尺寸内,但带状物的长度无限制

塑料涂层的应用实例

涂层

类型

使用场合

工作条件

涂层特性

喷涂

方法

效果

厚度

/mm

材料

其他

耐磨

渔轮主机:推力轴承

推力块承受压强1.55MPa,最大线速度425m/min,油温比使用巴氏合金时低20%

0.3

~0.5

尼龙1010+

5%MoS2

 

火焰

喷涂

代替巴氏合金使用一年半运转6000h以上,磨损仅0.02mm

渔轮主机连杆大端轴承内孔

轴瓦承受压强为17.5MPa,有较大冲击力,轴壳温度比用巴氏合金时低2℃

0.5

同上

 

火焰

喷涂

代替巴氏合金使用3000h情况良好

耐腐蚀

柴油机主机的汽缸和水套

长期泡在海水中,腐蚀十分严重

 

低压聚乙烯和三元共聚尼龙

 

火焰

喷涂

延长了使用寿命,降低了成本

耐腐蚀

铬酸泵不锈钢制转轴

腐蚀严重

 

低压聚乙烯

 

火焰

喷涂

解决了防腐问题

作液

压件

的密封

油泵配油盘阀面

15MPa压力下工作

 

尼龙1010

喷后只需一般车削加工

火焰

喷涂

密封性超过规定指标

三通阀闸门密封面

   

尼龙

喷后只需车削,不用拂刮

火焰

喷涂

性能较好

气密

玻璃钢气瓶内衬

工作压力15MPa

爆破压力60MPa

 

用尼龙代铝制衬胆

 

火焰

喷涂

从原来充放1000次提高到3000次以上,尚能工作

铸铝真空阀阀体

   

塑料

 

火焰

喷涂

解决了铸铝疏松漏气问题

吸声

震动式自动送料斗

由于工件与送料斗都是金属制的,工作时噪声很大

 

尼龙

 

火焰

喷涂

噪声减少,吸声效果良好

绝缘

电火花加工头子

端面要求导电,四周侧面要求绝缘

 

尼龙

 

火焰

喷涂

达到技术要求

隔热

风动工具手柄

冬天操作戴薄手套仍很冷,厚手套又不方便

 

塑料

 

火焰

喷涂

效果很好

装饰

渔轮上各种门柄

为了防腐和装饰,过去均用铜制

 

改为铸铝涂有色塑料

 

火焰

喷涂

即达到装饰要求又节约了铜材

其他

玻璃纤维纺织机

导纱钩要求耐磨

捻线机滚轮上要解决静电问题

 

塑料

 

火焰

喷涂

 

注:1.涂层厚度一般不希望超过1mm,且只能一次成型。

2.耐腐蚀或电绝缘涂层须作电火花探伤或半导体高频探伤。机械零件用涂层须作拉伸、冲击、弯曲、压缩、剪切等强度试验,以及弯曲疲劳、耐磨等性能试验。

塑料喷涂对被涂件结构的一般要求

序 号

一   般   要   求

(1)

设备各部棱角必须加工成圆弧形,曲率半径应尽量大,一般不小于5mm。

(2)

被涂设备应采用焊接结构,不宜采用铆接结构,应尽可能采用对焊,焊缝要磨光,不允许有气孔、夹渣和焊瘤等缺陷。焊缝凸出高度应小于3mm。

(3)

为了防止受冲击和局部过冷过热而损坏涂层,应采取适当的措施改进被涂设备的结构。

(4)

在涂覆后进行装配的零部件,必须考虑留出互相配合的余量,其余量大小,应根据所选用的涂层厚度而定(有资料介绍,作轴承使用的涂层与对磨件的安装间隙,在涂层厚度为0.5mm时,要求比原来的安装间隙大0.015mm左右)。

(5)

被涂设备的接管应采用法兰连接,避免采用螺纹连接。所用的接管尽可能采用无缝钢管。

(6)

被涂设备的强度试验、静平衡、动平衡试验、气密性试验以及所有金属加工、热加工都应在涂覆前进行完毕,并须检查合格后,才能进行涂覆。

(7)

被涂工件的材料一般为钢、铸铁、青铜、铝等。

粉末渗镀锌的特点及要求(JB/T 5067—1999)

粉末渗镀锌是利用原子扩散渗透原理,将渗锌工件置于含有锌粉和填充剂的转动密闭容器中同时加热,在金属锌与工件不断碰撞过程中,使锌原子扩散到工件中去,形成镀层的方法。填充剂的作用是:①防止锌粉黏结,有助于锌粉的均匀分布;②有利于工件均匀加热;③容器旋转时,可防止工件遭受机械损伤。目前,粉末渗镀锌被广泛用于弹簧、紧固件以及需要严格控制尺寸误差的零件部分的防腐蚀。

粉末渗镀锌适用于碳钢、低合金钢、45钢、16Mn、弹簧钢、铸铁、白口铁等材质的中小件。

(1) 特点

镀层厚度均匀,可保证原有材质的力学性能,并具有热浸镀无法达到的零件加工精度和表面粗糙度,镀层厚度可达到热镀锌国家标准规定的厚度。镀层与基体结合牢固,用于反复拆卸的螺栓等也不会脱落;有一定的耐高温能力,可在400~500℃温度范围内使用;镀层硬度高于热浸镀层,一般均高于350HV,因此,耐磨性比热浸镀件好。镀层耐蚀能力在同等条件下优于热浸镀层,且耗锌量仅为热浸镀锌的1/3,生产成本比热浸镀锌约低35%。镀层表面可直接涂漆或包覆高分子材料,不需特殊处理就可结合牢固。

(2) 镀层技术要求

1) 外观。待镀件表面应平整、光滑,边缘无锐角。镀前应除去表面的油污、锈迹、氧化层等。镀层表面应均匀平整,镀件不经后处理,其表面为暗灰色,无光泽;镀件经钝化处理,表面光滑,呈浅灰色,见光泽;经化学抛光和钝化处理,表面有金属光泽,呈银白色;镀锌铸件经化学和机械抛光,表面光滑、致密,有金属光泽。

2) 镀层厚度按使用环境和使用寿命不同,选择不同厚度等级。镀层厚度应均匀,误差在±10%以内,其等级及范围见表镀层厚度等级及厚度值。

3) 镀层应牢固地附着在基体表面,用锤击试验,镀层应无起皮、无脱落。

4) 不同厚度等级的镀层做中性盐雾试验时,红锈出现时间及硫酸铜试验次数见表镀层厚度等级及厚度值。

镀层厚度等级及厚度值

渗锌镀层厚度等级(摘自JB/T 5067—1999

等级

1

2

3

4

5

厚度/μm

>15

>30

>50

>65

>85

注:在给定条件下,渗锌镀层的耐蚀寿命与其厚度成正比。但增加渗锌镀层厚度的同时,也增加了零件的几何尺寸,所以在考虑寿命的同时也应考虑制件的配合要求。有关紧固件及其他制作渗锌镀层厚度选择(推荐)见附录A

推荐的渗锌镀层厚度等级(摘自JB/T5067—1999)

附录A

渗锌镀层厚度等级

使用环境及制件

1级

室内及农村大气环境下使用的紧固件及其他钢铁制件

2级

室外使用的紧固件及其他钢铁制件

3级

要求比2级更长的耐蚀寿命,且渗锌后能满足配合要求的紧固件及其他制件

4级、5级

特殊要求的制件

注:1.公称尺寸为1mm、2mm的紧固件即使采用1级渗锌也可能会产生旋拧困难的现象,建议采用可获得较薄的镀锌层的其他工艺

2.特殊要求的制件是指某些要求有尽可能长的耐蚀寿命,且无配合要求或渗锌前已预留渗锌镀层间隙的制件

JB-K

5067—1991

厚度等级

1

2

3

4

5

厚度范围/μm

>10~25

>25~40

>40~60

>60~85

>85~110

出现红锈时间/h

>120

>168

>216

>244

>312

耐硫酸铜侵蚀试验次

3

4

5

6

7

注:1.中性盐雾试验符合GB6458金属覆盖层中性盐雾试验(NSS试验)条件。

2.硫酸铜试验符合GB2694输电线路铁塔制造技术条件。

化学镀、热浸镀、真空镀膜的特点及应用

名 称

特   点

应     用

化学镀不用外加电源,利用还原剂将镀液中的金属离子还原并沉积在有催化活性的工件表面形成镀层

化学镀层厚度均匀且不受工件形状复杂程度的影响,无明显边缘效应。镀层晶粒细、致密、孔隙少、外观光亮、耐蚀性好

化学镀有镍、铜、银、钯、金、铂、钴等金属或合金及复合镀层。其中,常用的是化学镀镍和化学镀铜

不仅可使金属,而且可使经特殊镀前处理的非金属(如塑料、玻璃、陶瓷等)直接获得镀层

化学镀镍

化学镀镍层是含磷3%~15%的镍磷合金层。硬度和耐磨性较好。当磷含量>8%时,具有优异的抗蚀性和抗氧化性。化学镀镍层与其他镀层结合较好,具有较高的热稳定性。能进行锡焊或铜焊

用作其他镀层的底层;钢铁零件的中温保护层;磨损件的尺寸修复镀层;铜与钢铁制件防护装饰等。在石油(如管道)、电子(如印刷电路、磁屏蔽罩)和汽车等工业上有广泛应用

化学镀铜

化学镀铜层一般很薄(0.5~1μm),外观呈红铜色,具有优良的导电性和焊接性

主要用于非金属材料的表面金属化,特别是印刷电路的孔金属化。在电子工业中应用广泛,例如通孔的双面或多层印刷电路板制作。使塑料玻导,腔件或其他塑料件金属化后进行电镀等

热浸镀是将工件浸入熔融金属中,靠两种金属互相溶解和扩散获得冶金结合的金属涂层的方法

镀层金属是低熔点的锌、锡、铅和铝。但钢铁不能直接热浸镀铅(因铁与铅不能生成合金),而要先热浸镀锡后再热浸镀铅

热浸镀可以单槽进行,也可以连续自动化生产

一般只适于形状简单的板材、带材、管材、丝材等

热浸镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝

热浸镀锡可用于薄钢板,因锡无毒,在食品加工和储存容器上应用较多

热浸镀铅用于化工防腐和包覆电缆

热浸镀铝主要用于钢铁高温抗氧化

真空镀膜是指在真空室或充有惰性气体的真空室内进行气相镀覆的一类技术。主要包括真空蒸镀、阴极溅射镀和离子镀。其膜层还可进一步在高温下扩散渗镀,以提高与基体的结合力

 

真空蒸镀

基体可以是金属或非金属。涂层有铝、银、锌、镍和铬等金属及ZrO2、SiO2等高熔点化合物。膜层平滑光亮,反射性好。耐蚀性优于电镀层,但覆盖能力不如电镀层

主要用于制作各种薄膜电子元件;沉积各种光学薄膜如车灯反光罩等;以及用在某些非金属工艺品上作装饰膜层

阴极溅射镀

与真空蒸镀比较,具有结合力强、涂层材料不受熔点和蒸气压限制等优点,但沉积速度不如真空蒸镀

可溅镀金、铂等高熔点膜层;TiN、TiC、WC等超硬膜层;MoS2等耐磨膜层;Al2O3等隔热膜层和Co-Cr-Al-Y等高温膜层;以及电子、光学器件和塑料的装饰膜层

离子镀

具有真空蒸镀和阴极溅射镀的综合优点。基体是金属或非金属均可,膜层材料可以是金属、合金、化合物及陶瓷等。膜层与基体结合力很好

可镀铝、锌镉等抗蚀膜层;铝、钨、钛、钽耐热膜层;铬、碳化钛耐磨膜层;金、银氮化钛装饰膜层;塑料上镀镍、铜铬用于汽车及电器零件及制作印刷线路板、磁带等

离子镀TiN、TiC化合物镀膜

被  镀  工  件

镀  层  性  能

应用举例

表面要求

材料

最大尺寸

/mm

厚度

/μm

结合强度

耐蚀性

表面

粗糙度

表面无油污,无氧化皮及氰化处理层,工作部位粗糙度数值低于Ra0.8μm,硬度≥60HRC

高速钢、硬质合金、模具钢

f 200×900

2~10

良好

取决于被镀件表面粗糙度显微硬度

HV=1800~2500

氮化钛镀层钻头按JB/GQ,将转速和走刀量各提高33%进行试验,其使用寿命比无镀层的钻头提高4倍以上

表面无油污,无氧化皮及其他处理层,粗糙度数值低于Ra0.4μm

不锈钢、碳钢(表面电镀铜镍铬层)。锌铝合金(表面电镀铬层)。玻璃

600×1000

0.5~1

良好,在压力5MPa下用布轮抛光3000m以上不露底

(1)人工汗30~35℃>10h

(2)盐雾35℃±2℃,3.5%NaCl,相对湿度>90%,24h后保持光泽,无锈斑

被镀件表面粗糙度在Ra10μm以下的镀后保持不变

装饰品如戒指、项链等,表壳、表链、各类灯具、餐具等。如北京西单民航购票大楼门前的灯具

抛光表面无油污、氧化皮、划伤,粗糙度Ra0.4μm

2500×1500×180,

f800×2000

1~5

良好

各类卫生洁具,各种标牌、门框,立柱,旗杆顶等。如国际俱乐部的主柱

注:生产单位为北京钛金公司等。

“转化膜”法是指由金属的外层原子和选配的介质的阴离子反应而在金属表面上产生不溶性化合物覆盖物的方法,这是一种化学成膜处理法,通常把这种经过化学处理而生成的覆盖膜,称为“转化膜”或“化学转化膜”。

金属的氧化磷化和钝化处理的特点与应用

操   作

特   点

应   用

黑色金属的氧化是将工件置于含硝酸钠或亚硝酸钠的氢氧化钠浓溶液中处理,使工件表面生成一层很薄的氧化膜的过程。也称发蓝或发黑

钢铁的氧化膜主要由磁性氧化铁(Fe3O4)组成。厚度约为0.5~1.5μm,一般呈蓝黑色(铸铁和硅钢呈金黄色至浅棕色),有一定的防护能力。膜层很薄,不影响工件的尺寸精度。氧化没有氢脆现象,但有时会产生碱脆

为提高膜的抗蚀性,耐磨性和润滑性,可利用其良好的吸附性,进行浸热肥皂水及浸油(锭子油、机油或变压器油)处理

膜层黑亮,有防护和装饰效果。广泛用于各种精密仪器、光学仪器、机械零件及各式武器上作防护装饰

氧化也用于铝、铜、镁等有色金属及合金,以提高抗蚀性或作油漆底层。但处理溶液及膜的组成、颜色、性质,则随合金不同而异

磷化是将工件置于含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中处理,使工件表面生成一层难溶于水的磷酸盐薄膜的过程,又称磷酸盐处理

磷化按操作温度可分为高温、中温、低温(冷)磷化三种类型

磷化膜厚度约为3~20μm,呈灰或暗灰色。与金属基体结合较好,在大气条件下很稳定,在有机油类、苯、甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性,抗蚀能力为氧化膜的2~10倍以上。但不耐酸、碱、氨、海水及水蒸气等。膜经重铬酸盐封闭后,耐蚀性可大为提高

磷化膜与油漆涂层有良好的结合力;膜层的电绝缘性很高,涂绝缘漆后可耐1000~1200V;膜层具有多孔性,可吸附大量润滑油而减小摩擦;膜层具有不粘附熔融金属的特性

磷化膜的使用温度一般在150℃以下,但可经受400~500℃的短时烘烤,温度过高则抗蚀性下降

磷化后基体的力学性能、强度、磁性等基本不变。但膜本身硬度、强度较低,有一定脆性

用作一般机械零件、制品的保护层和油漆底层;用于冷冲压、冷墩时的减摩和防裂;用于电机、变压器等电磁装置的硅钢片和要求绝缘的钢件,在不影响透磁的情况下提高绝缘性;还可作热浸锌、浸铅-锡及浇注电机铝转子的钢模的防粘保护层

在国防工业上,可作各种武器的防护层和润滑层;航空发动机上的燃油及滑油系统的导管、飞机操纵系统上的高压气瓶内腔,起落架轮轴以及其他类似零件也常用磷化膜作保护层

磷化不仅用于黑色金属,也用于锌、镉、铝等有色金属及其合金

钝化是将金属置于亚硝酸盐、硝酸盐、铬酸盐或重铬酸盐溶液中处理,使金属表面生成一层铬酸盐钝化膜的过程。又称铬酸盐处理

铬酸盐钝化膜主要由三价铬与六价铬的化合物以及基体金属的铬酸盐组成。外观随合金成分、膜厚而变化,可由无色到彩虹色或棕黄色。膜层具有良好的耐蚀性和装饰性;膜层紧密与基体结合较好,对基体金属可起隔离保护作用。膜中的三价铬不溶于水,构成膜的骨架,使膜有较高的强度与化学稳定性。而六价铬是可溶性的,在膜中起填充作用,在潮湿大气中,即使膜被划伤,六价铬也能溶于水生成铬酸盐,使划伤处重新钝化而具有自愈合能力

常作为锌、镉镀层的后处理,以提高镀层的耐蚀性;用作铝合金、镁合金、铜及铜合金等的防护;在航空工业和其他部门,还用来代替铝的阳极氧化膜用;对于黑色金属,较少单独使用,多是用来封闭磷化层,增强防腐能力,也用于保护金属在防腐施工前不再生锈,并提高漆膜的附着力

金属着色处理

含义

金属着色处理是通过表面转化形成有色膜或干扰膜的过程,一般着色膜层厚度为25~55nm,其色调与处理方法及膜厚有关,通常可获得黄、红、蓝、绿等色及彩虹、花斑等色彩。杂色色彩的产生源于膜厚不均对光反射过程的影响

金属着色处理方法有化学转化法与电化学转化法(通过热处理或化学置换反应也能形成着色膜)。金属着色处理是使用颜料通过金属表面的吸附作用和化学反应使其发色,或通过电解作用使金属离子与染料共沉积而产生色彩

材料

着色技术

颜  色

应  用

铝和铝合金

自然发色法

交流电解着色法

吸附染色法(化学染色法)

青铜色、茶色、红棕色、琥珀色、金黄色、褐色、黑色

青铜色、古铜色、浅黄、黑色、深古铜色、金绿色、红褐色、粉红色、淡紫色、赤紫色、褐色

用有机染料染色:黑色、红色、蓝色、金黄色、绿色

用无机染料染色:黄色、褐色、黑色、金黄色、橙黄色、白色、暗棕色

着色氧化膜在轻工、建筑等方面应用激增

铜及铜合金

 

绿、黑、蓝、红等基调色,并派生出古铜色、金黄色、古褐色、褐色、蓝黑色、淡绿色、紫罗兰色、橄榄绿色、巧克力色、灰绿色、灰黄色、红黑色等

用于装饰光学仪器及美术

不锈钢

表面化学氧化着色法

电解着色法

氧化着色法

仿金色、巧克力色、黑色等氧化着色

褐色、金黄、红、绿等不同色

此法所显示出的色彩并非形成的有色表面覆盖层,而是表面形成的无色透明氧化膜对光的干涉而呈现出各种色彩

 

喷丸原理与应用

分类

原   理

应   用

喷丸

除锈

以压缩空气带动铁丸通过专门工具,高速喷射于金属表面,利用铁丸的冲击和摩擦作用,清除金属表面的铁锈及其他污染,并得到有一定表面粗糙度的、显露金属本色的表面

对于铝质表面的漆层可用喷塑料丸清除

为了提高防护层的结合力

利用压缩空气(或离心式喷丸机)将淬硬钢丸(一般为锰钢丸,直径为08~1.2mm,硬度为47~50HRC)喷射到金属表面,利用喷丸的冲击,使金属表层产生极为强烈的塑性变形,形成0.1~08mm深的强化层,强化层内组织结构细密,又有较高残余压应力,从而提高了零件表面对塑性变形和断裂的抗力,特别是对在交变载荷下工作的零件的疲劳强度和寿命的提高更为明显。同时使零件表面缺陷和机加工带来的损伤减少,降低应力集中

喷丸强化的特点主要有:①显著提高弯曲、接触、应力腐蚀等疲劳强度;②材料的强度越高,表面强化效果越好,因此钢的喷丸强化效果优于其他金属或合金;③喷丸强化能减弱或消除许多表面缺陷,使表层浅的缺陷压合,产生超过缺陷深度的压应力层,不受工件表面状态的限制;④喷丸强化不改变工件表面材料的化学成分,适合于对特殊材料的处理

喷丸强化一般对拉伸面起作用,而对压缩面不起作用,因此板簧的喷丸只在凹面进行

用在承受交变应力下工作的零件可以大大提高其疲劳强度,如汽车板簧、螺旋弹簧、轴类、连杆等喷丸处理后,均可使寿命提高几倍

处理质量一般应以最佳喷丸应力表示(但目前有些工厂在衡量板簧喷丸质量时是用板簧片弧高的变化ΔH来表示)

喷丸的直径、材料、硬度以及喷速等对喷丸强化处理质量都有直接影响,必须注意

滚压原理与参数

分类

原   理

参   数

应   用

利用滚压工具在常温状态下对零件表面施加压力,使金属表面层产生塑性变形,修正零件表面的微观几何形状,降低表面粗糙度;同时使零件表面层的金相组织改变,形成有利的压应力分布,提高零件疲劳强度以及耐磨性和硬度

滚压前零件表面粗糙度应具有Ra6.3μm或更低,滚压速度υ=30~200m/min,走刀量s=0.10~0.15mm/r,实际滚压深度t=0.01~0.02mm,滚压时滚轮切线点应比零件中心约高1mm

可滚压圆柱形或锥形内外表面,曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角及其他形状的外表面;例如轴类,汽、液缸体内壁,活塞杆、锻锤杆等,特别是对受反复载荷零件的疲劳强度的提高,效果显著。对有色金属、碳钢、合金钢和铸铁都适用。采用滚压工艺,可以在各种大、中、小车床上进行。滚压粗糙度可以从Ra6.3~3.2μm降低到Ra0.8~0.32μm

υ=40m/min,s=0.08~0.15mm/r

t=0.015~0.025mm

滚轮直径一般取比待加工孔径大0.12mm左右

滚压时滚柱与零件有0°30'或1°的斜角,υ=60~80m/min,s=0.15~0.25mm/r,一般钢材滚压过盈量为0.12mm,滚压后孔径增大0.02~0.03mm

注:滚压参数应根据工件材料、硬度、壁厚等条件,通过实验得出。

滚珠滚压加工对碳钢零件表面性质的改善程度

钢 号

滚压前性质

滚  压  用  量

滚  压  结  果

表面粗

糙度

Ra/μm

硬度

/HB

压力

/N

走刀量

/mm·r-1

滚珠

直径

/mm

速度

/m·min-1

硬度

增长

/%

表面粗

糙度

Ra/μm

强化层

深度

/mm

20

12.5

140

1500

0.15

30

120

80

0.2

2

45

3.2

190

1800

0.06

10

60

65

0.4

2.5

T7

3.2

180

2500

0.12

10

60

50

0.4

2

表面强化使疲劳强度增加的百分数                    %

表面强化的种类

轴/mm

曲  轴

截面不变的

有显著应力集中的

d=10~20

d=40

d=10~20

d=40

渗氮

20~40

10~15

100~200①

100

30(60)

高频淬火

20~60

70~100

50~100②

喷丸④

20

10~20

>50

30~50

15~25

滚压⑤

30

20~30

40~100③

40~80③

60(100④)

注:① 较小的数值用于横向孔应力集中的情况。

② 在整个应力集中区域全进行淬火并且保持塑性中心。

③ 轴上装配压合零件之凸起部分经辗压者;辗磨阶梯式轴的过渡圆角;用冲头锤打压在具有横向孔的轴中的孔边。辗磨曲轴的圆角。

④ 辗磨曲轴的圆角。

⑤ 当受热及在长期工作条件下,因冷作而强化的影响变弱,括号中的数字需要补充检验。

喷丸处理对汽车变速箱齿轮弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的影响

喷丸工艺

弯曲疲劳试验

接触疲劳试验

寿命范围

/106

平均寿命

/106

相对寿命

寿命范围

/106

平均寿命

/106

相对寿命

未喷丸

0.167~1.83

0.998

1.00

3.15~4.41

3.78

1.00

一般喷丸

2.30~2.77

2.54

2.54

1.89~2.23

2.06

0.545

加强喷丸

2.20~4.48

3.34

3.35

4.92~5.31

5.115

1.35

注:东风汽车公司早在20世纪70年代,用喷丸强化解决了汽阀弹簧和变速箱1-倒挡齿轮的早期断裂问题,显示喷丸处理可显著提高汽车变速箱齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。该工艺目前已成为汽车悬挂弹簧的常规处理方法。

各种表面强化方法的特点

类 别

强化方法

表面层组织结构

硬化层厚度

/mm

可获得的表面

硬度或变化

表层残余

应力/MPa

适用材料

最小

最大

表面抛光、磨光、

表面形变强化

喷 丸

亚晶粒碎化

高密度位错

0.4

1.0

增加20%~40%

压应力4~8

钢、铸铁、

有色金属

滚轮磨光

1.0

2.0

增加20%~50%

压应力6~8

流体抛光

0.1

0.3

增加20%~40%

压应力2~4

金刚砂磨光

0.01

0.20

增加30%~60%

压应力8~10

化学热处理

渗 碳

马氏体+粒状碳化物

0.5

2.0

60~65HRC

压应力4~10

低碳钢

氮 化

合金氮化物

0.05

0.60

650~1200HV

压应力4~10

钢、铸铁

渗 硼

硼化物

0.07

0.15

1300~1800HV

渗 钒

碳化钒

0.005

0.02

2800~3500HV

渗 硫

低硬度硫化物(减摩)

0.05

1.0

表面冶金强化

表面冶金涂层

固溶体+化合物

0.5

2.0

200~650HB

拉应力1~5

钢、铸铁、

有色金属

表面激光处理

细化组织

   

1000~1200HV

表面激光上釉

非晶态

   

Fe-P-Si

1290~1530HV

表面薄膜强化

镀 铬

纯金属

0.01

1.0

500~1200HV

拉应力2~6

钢、铸铁、

有色金属

化学气相沉积

TiC、TiN

0.001

0.01

1200~3500HV

离子镀

Al膜、Cr膜等

0.001

0.01

200~2000HV

化学镀

Ni-P,Ni-B

0.005

0.1

400~1200HV

电刷镀

高密度位错

0.005

0.3~

0.5

200~700HV

表面纳米化

特点

①纳米属材料由于晶粒细小,界面密度高,表现出独特的力学性能和物理化学性能。因此,利用纳米金属的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改良,即制备出一层具有纳米晶体结构的表面层,提高工程材料的综合力学性能和环境服役行为

②由于表面纳米层晶界密度高,晶界作为易快速扩散传质的通道,可以降低渗碳、渗氮的温度,缩短渗透时间,改善渗层质量

③另外,表面纳米化还可有效抑制裂纹萌生,内部粗晶组织可减缓其扩展,提高材料的抗疲劳强度

制备

方法

传统的纳米金属制备方法,如金属蒸发凝聚-原位冷压成形法、机械研磨法、非晶晶化法和电解沉积法等,由于制备技术复杂、成本太高,限制了纳米材料在工业上的实际应用。近年来,随着高速、高精确度喷丸投射机的开发成功,利用喷丸技术可成功实现金属表面的纳米化。目前利用超音速喷丸技术,已可以在平板类、轴类、发动机的叶片等复杂工件上实现表面纳米化

举例

①对316L不锈钢表面进行30s的轰击后,表层显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相,晶粒平均尺寸为10nm,硬化层深度达5~30μm

②将SS400钢对接接头进行高能喷丸处理,其硬度和疲劳寿命得到显著提高:母材HAZ和焊缝三个区域表层的硬度在喷丸处理前分别为148HV、212HV和277HV,处理后增加为494HV、501HV和483HV。疲劳试验结果显示,当疲劳寿命为2×106周时,高能喷丸处理使焊接接头的疲劳强度提高了79%

③采用高能喷丸技术对工业纯钛进行表面纳米化处理,发现喷丸时间对材料的塑性变形和显微硬度有明显的影响(见图a和图b)

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高能束表面强化技术的含义、特点及比较

高能束表面强化技术是采用103W/cm2以上功率密度的高能束流集中作用在金属表面,通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加热,使金属表面由于加热、熔化、气化而产生冶金的、物理的、化学的或相结构的转变,达到金属表面改性目的的加工技术。有电子束表面强化技术、离子束表面强化技术、激光束表面强化技术等。高能束是能供给材料表面不低于103W/cm2功率密度的能源。包括:激光束、电子束、离子束、电火花、超高频感应冲击、太阳能和同步辐射等,如下表:

各种高能束能源的功率密度和相关参数

类 型

功率密度

/W·cm-2

峰值密度

/W·cm-2

材料表面

吸收的能量

密度/J·cm-2

处理能力

/cm3·cm-2

能源类型

激光束表面强化方法采用的激光束功率密度和作用时间

工艺方法

功率密度

/W·cm-2

作用时间

/s

激光束

104~108

108~109

105

10-5~10-4

相变硬化

103~104

0.01~1

电子束

104~107

107~108

106

10-6~10-5

电子

重熔

104~106

离子束

104~105

106~107

105~106

1~10

强磁场下

微波放电

合金化

超声波

104~105

105~106

105~106

10-5~10-4

超声波振动

熔覆

电火花

105~106

106~107

104~105

10-5~10-4

电气

非晶化

106~108

10-7~10-6

太阳能

1.9×103

104~105

105

10-5~10-4

冲击硬化

108~1010

超高频

感应冲击

3×103

104

104

10-5~10-3

电感应

     

激光束、电子束表面强化和离子束注入技术的分类、特点及应用

含义、分类

激光束表面处理技术

离子束注入技术

电子束表面处理技术

是通过激光(激光束)与材料的相互作用,使材料表面发生要求的物理化学变化,利用激光的高亮度、高方向性和高单色性,对材料表面进行各种处理,显著改善其组织结构和性能。设备一般由激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统、软件编程系统等构成。典型工艺有相变硬化、重熔、合金化、熔覆、非晶化、冲击硬化、脉冲激光沉积、表面烧蚀沉积

是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离,引出离子束后,用数千至数十万电子伏加速轰击工件表面直接注入工件,达到一定深度,从而改变材料表面的成分、结构,改善表面性能的真空处理工艺

离子束处理技术主要有离子束刻蚀、离子束镀膜、离子镀、离子注入四种,其中前3种都是利用离子的溅射效应,最后一种则是基于离子注入效应

通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能电子流,通过一个环状的阳极,经加速射向工件表面,电子能深入金属表面一定深度,与工件金属的原子核及电子发生相互作用,能量以热能形式传给工件,达到改善表面性能的目的

电子束加热的深度和尺寸比激光大。但电子束是在真空中工作的,因而,推广受到限制,如工件尺寸大、大批量流水线生产时则不适宜。典型工艺有表面淬火、熔凝、熔覆、合金化

①加热冷却速度快,处理效率高

②激光能量、光斑大小和形状以及激光作用时间可以精确控制,处理效果好

③只在需要的部位进行处理,热输入低,工件热变形小甚至基本无变形

④激光束易于传输和导向,因此,可以对复杂零件表面进行处理,如深孔、沟槽表面,管状零件内壁等

⑤易于实现自动化控制,劳动生产率高

⑥节省能源,不产生环境污染

⑦激光处理可与热处理和热-化学处理、喷丸处理(激光处理前后均可)、热喷涂、放电加工(EDM)沉积或爆炸、离子注入、制作薄膜层化学气相沉积和物理气相沉积过程结合。将激光加热与机加工结合能加工其他方法难以加工的材料

激光处理的优点与电子束处理类似,但免除了电子束处理中有害X射线、真空以及表面需去磁的限制。其不足是需要严守安全规程,提高表面的能量吸收,镜面的寿命短,激光器设计复杂,价格昂贵,但由于激光处理的工件寿命可提高数十个百分点乃至几倍,总体看优点大

①可根据需要获得不同的引出离子,注入到各种各样的固态物质中,并不受固体溶解度和扩散系数的限制,即在常规下互不共溶的元素,也能实现掺杂。因此,用这种方法可获得不同于平衡结构的特殊物质,方便开发新材料

②离子注入和注入后的温度可任意控制,且在真空中进行,不氧化、不变形、不发生退火软化,表面粗糙度一般无变化,可作为最终工艺

③可控性和重复性好。改变离子源和加速器能量,可以调整离子注入深度和分布;通过可控扫描机构,不仅可实现在较大面积上的均匀化,而且可以在很小范围内进行局部改性

④可获得2层或2层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄,工件尺寸基本不变

现存缺点:注入层薄(<1μm);离子只能直线行进,不能绕行,对于复杂的、有内孔的零件不能进行离子注入;设备贵

①加热和冷却速度快。将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒,其冷却速度可达106~108℃/s

②与激光比使用成本低。电子束设备一次性投资仅为激光的1/3,每瓦约8美元,而大功率激光器每瓦约30美元,电子束实际使用成本也只有激光处理的1/2

③结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描,而不需要工件转动、移动和光传输机构

④电子束与金属表面偶合性好。电子束所射表面的角度除3°~4°特小角度外,电子束与表面的偶合不受反射的影响,能量利用率达90%以上,远高于激光。因此电子束处理工件前,工件表面不需加吸收涂层

⑤电子束能量的控制比较方便,通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制(比激光束方便)。根据工艺要求,很容易实现计算机控制

⑥电子束加热时,材料表面的熔化层至少有几个微米厚,这会影响冷却阶段固-液相界面的推进速度。其加热时能量沉积范围较宽,而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。其加热的液相温度相对激光加热偏低,因而温度梯度较小

⑦当使用电压超过150kW时,电子束易激发X射线,使用过程中应注意防护

⑧电子束处理前,工件需进行消磁处理

激光表面强化技术的应用

改进材料表面性能

激光相变硬化

是在激光作用下使材料表面快速加热至奥氏体化温度,随后通过热量往基体内部的传导,被加热表面以很快的速度冷却,从而获得细小的马氏体组织,以提高零件表面的耐磨性,并通过在表面产生压应力来提高疲劳强度。仅适用于固态具有多形性转变的钢铁类材料

激光熔覆

是以激光束为热源在零件表面熔接一层成分和性能完全不同于基体而又与基体具有冶金结合的合金表层,以提高表面的耐磨、耐蚀性能。与表面合金化不同,激光熔覆要求基体材料仅表面一极薄层熔化,以保证熔覆材料最大限度地不被熔化的基体材料所稀释(稀释将降低熔覆层的性能)。这种合金熔覆层基本保持其原有成分和性质不变。比之合金化,激光熔覆能更好地控制表层的成分、厚度和性能

激光重熔

是在激光作用下使材料表面局部区域快速加热至熔化,随后借助于冷态的金属基体的热传导作用,使熔化区域快速凝固,形成组织结构极其细小的非平衡铸态组织,硬度高,耐磨、耐蚀性好。当扫描速度很快或激光作用时间很短时,对于有些合金,熔化层快速凝固后将得到非晶表面,有极好的耐磨损和耐蚀性能,这就是激光非晶化,有时也称为激光玻璃化

激光合金化

是在激光重熔的基础上通过向熔化区内添加一些合金元素,熔化的基体材料和添加的合金元素由于激光熔池的运动而得到混合,凝固后形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新的合金层,以达到所要求的使用性能。在熔化区内不仅可以添加合金元素,而且还可以添加一些碳化物类等硬质粒子,这些硬质粒子将镶嵌在合金化的基体中,从而使表面的硬度和耐磨性获得提高

激光合金化具有很高的冷却速度。这种快速冷却的非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到极高的过饱和度,形成普通合金化方法很难获得的化合物、介稳相和新相,且晶粒极其细小。激光合金化既可以在合金元素用量很小的情况下获得高性能的合金化表层,也可以获得合金含量高、常规方法无法获得或不可能获得的具有特殊性能的合金层。激光合金化为创造新的合金表层提供了广泛的可能性

激光冲击硬化

是将极高功率密度的激光束作用于材料表面,使其在极短的时间内发生爆炸性气化。原子从表面逸出时形成巨大的冲击波,其产生的压力可以高达104MPa以上,这一压力远远高于材料的动态屈服点而使材料表面产生强烈的塑性变形,从而造成组织中位错密度增加形成亚结构。这种组织能大大提高材料的表面硬度、屈服强度和疲劳寿命,从而使材料性能大为改善。实践表明,用激光对7075铝合金进行冲击强化后疲劳强度可以提高3倍左右,抗裂纹扩张性能也大为提高。铝合金构件的焊缝强度采用激光冲击硬化处理后可恢复到接近母材数值

沉积薄膜

脉冲激光沉积

(PLD)

是将高功率脉冲激光束聚焦在放置于真空室中的靶材表面,使靶材表面产生高温(T≥104K),蒸发、电离、膨胀而形成羽辉,羽辉到达基片,在其上淀积成膜。目前所用脉冲激光器中以准分子激光器能量效果最好,已能够制备从高温超导薄膜到类金刚石薄膜的几乎所有薄膜。采用PLD成膜方法易于在较低温度(如室温)下制备和靶材成分一致的多元化合物薄膜,尤其适于高熔点及含易挥发成分膜材的制备。该法具有易于引进新技术的特点,在高质量纳米薄膜、外延单晶膜、多层膜及超晶格薄膜的生长方面具备广阔的应用前景

激光化学气相

沉积(LCVD)

是在传统化学气相沉积(CVD)的基础上发展起来的、利用激光形成薄膜的一项新技术。CVD是在高温下利用气态物质在固态工件表面上进行化学反应生成固态沉积薄膜的过程。LCVD是指利用激光诱导的化学反应产生游离原子或分子沉积在基材表面形成薄膜的技术,其产生的化学反应包括反应气体相、基片表面吸附相和基片表面的热化学反应、光化学反应和等离子体反应等

表面清洗

激光表面清洗

是基于激光与物质相互作用效应的一项新技术。它采用高能激光束照射到待清洗的工件表面,使表面的污物、锈斑或涂层产生瞬态超热,发生气化挥发;或在基体表面瞬间产生热膨胀,该膨胀导致的平均加速度相当巨大,所引起的热应力使得吸附在工件表面的微粒或油脂克服吸附力的束缚而向前喷射,从而达到洁净工件表面的目的。该过程大致包括激光气化分解、激光剥离、污物粒子热膨胀、基体表面振动和粒子振动等几个方面。以激光辐射清洗法和激光蒸发液膜法为实际常用方法。激光清洗技术去污范围广,运行成本低,易实现自动化操作,且不使用化学试剂,是一种高经济效益的“绿色清洗”技术

制备纳米粉

激光表面烧蚀

沉积法(PLA)

作为简单有效的气化样品手段,除了被扩展到脉冲激光沉积薄膜(PLD)技术上,也是当前激光制备金属、陶瓷、金属间化合物等纳米粉的主要工艺方法。当脉冲激光束作用到置于反应室中的靶材表面,靶材被瞬间(<10-3s)加热到气化温度以上,发生高温光热化学反应,瞬时完成粒子成核长大,快凝成为纳米粉体。这是一个从固态到气态的直接相变过程,有利于制备平衡态下得不到的新相。所制备纳米粉体粒径均匀,可小于10nm,纯度高,无烧结性团聚。该过程中,激光主要作用于固-气界面,随着对材料性能的新要求,采用激光烧蚀液-固界面的尝试也已开始

离子注入技术的应用

提高

耐磨性

基材

铍合金

铜合金

钛合金

工具钢

锆合金

高合金钢

低合金钢

不锈钢

轴承钢

超合金

离子

B

B、N、P

N、C、B

N

C、N、Cr+C

Ta、Ti+C

N

N

Ti+C

Y、C、N

改善摩

擦性能

基材

钛合金

高合金钢

低合金钢

不锈钢

 

改善疲

劳性能

基材

钛合金

高合金钢

低合金钢

离子

Sn、Ag

Sn、Ag、

Au、Mo+S

Sn

C+Ti

 

离子

N、C、Ba

N、Mn、C、

B、Ni

Ni、Ti

提高

硬度

基材

铝合金

铍合金

钛合金

锆合金

高合金钢

低合金钢

高速钢

烧结陶瓷

铜合金

 

离子

N

B

N、C、B

C、B

Ti+C

N

N、B

Y、N、Zr、Cr

B、C、N、P

 

改善耐

蚀性能

基材

铝合金

铜合金

锆合金

高合

金钢

低合金钢

超合金

纯铜

医用合金

   

离子

Mo

Cr、Al

Cr、Sn

Cr、Ta

、Y

Cr、Ta

N、C、Y、Ce

N

N

   

改善催

化性能

基材

金属材

料陶瓷

消除氢脆

基材

更易形成

氮化物

基材

铜、铅

改变

光学性能

基材

玻璃、

人造材料

离子

Pt、Mo、

Pd

离子

Pt、Pd

离子

Ti、Mo

离子

Nb、Ti、Mo、

Zr、Y

 

应用在表面工程中的注入技术主要是简单离子束注入及其后续加工所采用的反冲注入该技术中,氮离子注入在工业范围内占主要优势,主要应用于切削及成形工具中,较少应用在机械零部件中。它可使工具的寿命提高2~10倍(见表激光表面处理和离子注入技术应用实例)

目前,在工业范围内,较为成熟的技术是锌、硅、碳等注入金属,在不久的将来,可用于实际的有硼、钛、锶、钇及其他金属元素的注入技术,以及不同元素的混合注入技术,如Ti+C、N+O、Mo+S、Cr+C

电子束表面强化技术的应用

电子束无论是脉冲式还是连续式,均可用于加工不同表面粗糙度(但不超过Ra40μm)及形状的零件,以及加工零件的不同部分,但应使被加工面与电子束垂直,最好是长且平整的表面或旋转对称面(见图b),若偏差不超过一定程度,不与之垂直的表面也是可行的(见图c)。电子束加工的优点:能加工通常方法不能加工的表面,利用计算机控制可精确调整加热参数,消除变形,无污染,可加工精加工后的磨制表面,易实现自动化及在公差允许范围内的高度精加工,高效率、低能耗(效率达80%~90%),不需冷却剂,加工过程有高度可重复性。其加工质量可与激光技术相媲美

电子束除了可以获得比传统强化工艺更高的硬度,还可以对一个选择的点精确地进行加热,这个点可以是非常小的尺寸,而且仅在被处理材料上很小的区域或微观区域里,可以保持非常小的硬化层厚度差,并且具有较小的淬火应力。电子束强化方法可使硬化后的材料尺寸不变,这一优点,使该工艺得到广泛应用

在电子束加工前,零件需进行消磁处理。一般非重熔加工不需要后续加工,但在有重熔发生的情况下,通常需要后续处理来使已加工表面达到合适的表面粗糙度。电子束完成硬化过程需要使用几千瓦到几十千瓦的加热器

电子束硬化的典型零件是汽车和农用机械的零部件、机械工具部件、滚珠轴承,例如大尺寸活塞环、联轴器、齿轮、曲轴、凸轮连杆、凸轮、轮缘、摇臂、环、涡轮叶片、模具切割边、铣削工具、车削刀具、钻具等

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1—硬化层;2—工件;3—电子束;4—电子枪

电子束表面

相变强化处理

用散焦方式的电子束轰击金属工件表面,控制加热速度为103~105℃/s,使金属表面加热到相变点以上,随后高速冷却(冷却速度达737×105~737×107℃/s)产生马氏体等相变强化。此方法适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理

电子束

表面重熔处理

利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固,从而细化组织,达到硬度和韧性的最佳配合。对某些合金,电子束表面重熔可使各组成相间的化学元素重新分布,降低某些元素的显微偏析程度,改善工件表面的性能。目前,电子束表面重熔主要用于工模具的表面处理上,以便在保持或改善工模具韧性的同时,提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性

应用表面重熔技术,可使工具钢的硬度及耐磨性提高3倍,使冷作模具的使用寿命提高25~3倍;使车削刀具的使用寿命提高80%~90%,使共晶或过共晶铝合金的显微硬度提高30%~50%

由于电子束表面重熔是在真空条件下进行的,表面重熔时有利于去除工件表层的气体,因此可有效地提高铝合金和钛合金表面处理质量

电子束表面

合金化处理

先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在金属表面上,再用电子束轰击加热熔化,或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上,在工件表面上形成一层新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金表层。电子束表面合金化所需电子束功率密度约为电子束表面相变强化的3倍以上,或增加电子束辐照时间,使基体表层的一定深度内发生熔化

此外,电子束表面非晶化处理目前还处在研究阶段。电子束覆层、电子束蒸镀及电子束溅射也在不断发展和应用

激光表面处理和离子注入技术应用实例

零件及材料名称

工艺及设备

(应用单位)

效  果

汽车与拖拉机缸套

国产1~2kWCO2激光器

(西安内燃机配件厂)

提高寿命约40%,降低成本20%,汽车缸套大修期从10万~15万公里提高到30万公里。拖拉机缸套寿命达8000h以上

手锯条(T10钢)

国产2kWCO2激光器

(重庆机械厂)

使用寿命比国家标准提高61%,使用中无脆断

发动机汽缸体

4条自动生产线

2kWCO2激光器

(中国第一汽车制造厂)

寿命提高1倍以上,行车超过20万公里

东风4型内燃机汽缸套

2kWCO2激光器

(大连机车车辆厂)

使用寿命提高到50万公里

2-351组合机导轨

2kWCO2激光器

(中国第一汽车制造厂)

硬度和耐磨性远高于高频淬火的组织

硅钢片模具

美国820型横流1.5kWCO2激光器

(天津渤海无线电厂)

变形小,模具耐磨性和使用寿命提高约10倍

采油机汽缸套

HJ-3型千瓦级横流CO2激光器

(青岛激光加工中心)

可取代硼缸套,耐磨性和配副性优良

转向器壳体

2kW横流CO2激光器

(江西转向器厂)

耐磨性比未处理的提高4倍

机床

导轨

铸铁

5kWCO2激光器,波导镜,带宽20mm,υ=0.6m/min

硬度:650HV

定位环

C60

5kWCO2激光器,波导镜,带宽15mm,υ=0.65m/min

淬火深度:1mm

硬度:700HV

凸轮轴

铸铁

4.5kWCO2激光器,波导镜,带宽15mm,υ=0.9m/min

淬火深度:1.2mm

硬度:800HV

法兰

凸轮

42CrMo4V

①CO2激光器,4.7kW,带宽10mm,υ=1.5m/min

②CO2激光器,5kW,带宽6mm,υ=1.8m/min

淬火深度:0.3mm,硬度:500HV

淬火深度:0.2mm,硬度:550HV

活塞环

耐热钢

f 420mm×8mm

激光重熔,5kWCO2激光器

重熔宽度:4mm

重熔深度:1.2mm

钛合金

工件

Ti6Al4V

f 200mm×20mm

激光气体表面合金化,5kWCO2激光器,氮气30L/min,扫描速度:5mm/min

合金化宽度:16mm(圆柱面、搭接)

合金化深度:0.15mm,硬度:1800HV

阀杆

密封面

耐热钢

f 60mm

5kWCO2激光器,Co基合金粉末,熔覆速度:0.3m/min

硬度:650HV

活塞

摩擦面

耐热钢

CO2激光2kW,NiCrBSi/WS粉末,熔覆层厚度:1mm,熔覆速度:1.2m/min

硬度:620HV

活塞

摩擦面

耐热钢

5kWCO2激光器,υ=1.2m/min,填充材料:药芯焊丝

辊环

低合金钢

CO2激光器,6kW,Co基合金粉末,熔覆层厚度:1.5mm×3层,熔覆速度:0.3m/min

硬度:700HV

汽车

阀座

AlSi10Mg

CO2激光器,6.8kW,AlSi12+Delom15粉末,熔覆速度:0.6m/min

硬度:340HV

凹模

CrMo耐热钢

5kWCO2激光器,υ=0.4m/min

熔覆层深度:1.5mm,硬度:600HV

螺旋

不锈钢

激光熔覆直接成形,CO2激光器,4kW,Delom50粉末,熔覆层厚度:12mm×5层,熔覆速度:0.4m/min,硬度:610HV

零件及材料名称

离 子

效  果

零件及材料名称

离 子

效  果

轴承、齿轮、阀、模具

Fe基合金

Ti+  +C+

耐蚀性

铜拉丝模

WC-CO

C+

5(寿命提高倍数,

以下同)

外科手术器械

Fe基合金

Cr+

耐蚀性

刀具

工具钢

N+

5

齿轮

Fe基合金

Ta+  +C+

抗咬合性

刀具

WC-CO

N+

2~4

海洋器件、化工装置

不锈钢

P+

耐蚀性

切割塑料的刀具

90%Mn、8%V、金刚石

N+

5

人工骨骼、宇航器件

Ti合金

C+  N+

耐磨性、耐蚀性

模具

钢、WC、

WC-CO

N+

2~4

橡胶、塑料模具

Al合金

N+

耐磨性、起模能力

贵重金属铆接砧板

D3

N+

2~5

宇航、海洋用器件

Al合金

Mo+

耐蚀性

轧辊(用于铝、铜)

合金钢

3~6

铝罐、管挤压工具

D3

N+

3~5

印刷线路板钻头

高速钢

N+

4

铸模工具

3~5

金属钻头

工具钢

N+

0.2~6

丝锥

工具钢

8~10

石墨用钻

WC

 

6

细丝模

工具钢

3~4

滚铣刀

高速钢

N+

2~3

人造髋关节

钛合金

Ti6Al4V

N+

100

400

丝状切割器

高速钢

N+

5

环状切换器

高速钢

11

原子炉构件、化工装置

Zr合金

N+

硬度、耐磨性、

耐蚀性

注入器嘴、模

工具钢

2~10

燃料注入器

工具钢

100

阀座、搓丝板、移动式起重机

硬Cr层

N+

硬度

精密航空轴承

M50、440

更好耐蚀性

铍合金轴承

铍合金

B+

3~5

涡轮机叶片

超合金

Y+、Ce+、

Al+

抗氧化性

球轴承

4210钢

Cr+

海水中腐蚀降低3倍

球轴承

M50

Ti+

降低磨损和腐蚀

纺丝模口

超合金

Ti++C+

耐磨性

玻璃纤维挤压器

工具钢

Ti+

显著降低磨损

电池

铜合金

Cr+

耐蚀性

轴承

Be合金

B+

耐磨性

涡轮叶片

Ni钢

Y+

高抗氧化性

工具、刀具

WC+Co

N+

耐磨性

蒸汽阀门

Sn+

摩擦降低90%

牙钻

WC+Co

N+

2~3

泵部件

17-4PH

Ti++C+

降低磨损

零件及材料名称

离子类型及剂量

寿命提高倍数

零件及材料名称

离子类型及剂量

寿命提高倍数

纸  刀

1% C、

1.6%Cr钢

N+8×1017/cm2

2

铜拉丝模

WC-6%Co

N+5×1017/cm2

5

塑料孔钻

高速钢

N+8×1017/cm2

5

注入器嘴

D3

N+5×1017/cm2

5

乳液割刀

WC-6%Co

N+8×1017/cm2

12

螺纹板牙

M2高速钢

N+8×1017/cm2

5

铜条模具

WC-6%Co

C+5×1017/cm2

5

模具和冲头

2% C、

12%Cr钢

N+4×1017/cm2

显著降低粘着磨损

钢拉丝模

WC-6%Co

C+5×1017/cm2

3

酚醛树脂

用丝锥

M2高速钢

N+8×1017/cm2

12

离子混合的的应用

基 材

离子元素

混合元素、磁控溅射、离子镀

应  用

动态离子混合的应用

基 材

离子元素

蒸气沉积元素

应  用

Ti6Al4V

N+

Sn

耐磨性

N+

B

超硬氮化硼

超合金、钢

Ar+

Y

抗氧化性

N+

Ti、Hf

强的黏结硬化层

(TiN、HfN)

Ar+

Pt

表面催化

Ar+、Kr+

Ar+

Ar+、Xe+

CrPd

PtAl

Cr

耐蚀性

任何材料

Ne+

Al、Cu、Au

小气孔率的

强黏结金属层

Ne+

Al、Cr

抗表面失泽性

Ne+、He+

Cr、Ta

耐蚀涂层

Al2O3、石英、陶瓷、塑料

Ne+、He+

Al、Cu、Au

改善黏结性

任何材料

N+

Ti

PVD涂层的

基材准备

概述

涂装是用有机涂料通过一定方法涂覆于材料或制件表面,形成涂膜的全部工艺过程。涂装用的有机涂料是涂于材料或制件表面而能形成具有保护、装饰或特殊性能(如绝缘、防腐、标志等)固体涂膜的一类液体或固体材料的总称。早期大多数以植物油为主要原料,故有“油漆”之称,后来合成树脂逐步取代了植物油,因而统称为“涂料”。现在除呈黏稠液态的具体涂料品种仍可称“漆”外,其他为水性、粉末涂料等就不能称“漆”了。

涂装技术的涂层体系和涂料的设计选用

原则

涂层类型

性 能 要 求

应用范围

设 计 选 用

装饰性涂层

一般装饰性涂层

漂亮、鲜艳,有良好的耐候性和耐潮湿性,允许有细小缺陷

一般汽车、仪器、仪表、家用电器、家具

根据对装饰性能的要求确定涂层的层数、厚度,从光泽、丰满度、鲜艳性、耐候性等对工件的适应性上选择合适的涂料

根据对防护性能(如耐盐雾性能、耐湿热性能、耐酸碱及化学物质性能)的要求,以及力学性能(如耐冲击性、韧性、硬度、附着力)的要求,来选择涂料,确定其涂层结构及厚度

涂层体系的一般选择原则如下:

①一般装饰性涂装仅涂双层面漆

②一般防护装饰性涂装为底漆,2~3道面漆

③中级涂装为底漆、中间涂层及双层面漆,或高质量底漆加双层面漆

④高级涂装为底漆、中间涂层、双层面漆及罩光

根据所选涂料的性能、质量情况,在保证涂装质量的情况下可简化涂层体系,减少层次

一般涂层的防护能力和耐久性随膜厚的增加而增长

涂层的耐久性一般可根据涂层的理化性质及其随时间的变化来估计。作为涂层材料所要求的理化性质,主要是对材料的附着性、吸水性及对氧、水汽的透过率等。就金属基材而言,按涂料对其附着力的大小,可将其排列为:镍>钢>铜>黄铜>铝>锡。钢铁几乎对所有类型的底漆都能适用,而镁铝件及其合金通常采用以铬酸锌为基体的钝化底漆。对铝件及镀锌件绝不能用红丹颜料为底漆,否则会引起电化学作用,使附着力下降。不同涂料的理化性质数据多数可在有关资料中查找到

应参照工程上已有的成功经验和新型有机涂料特性,设计和选择涂层体系及其厚度匹配。不同用途涂装层应控制的总厚度参见下表

高级装饰性涂层

漆膜坚硬,优良的耐候性和耐潮湿性,无肉眼可见的缺陷

高级轿车、高档家具和室内艺术品

防护涂层

一般防护涂层

优良的耐酸、碱、电介质等腐蚀的能力和一定的力学性能

矿山机械、建筑桥梁及室外管道

重防护涂层

极优异的耐海水、多种化学物质等腐蚀的能力

海船、水下或地下管网、化工设备、码头及海上设备

防护装饰性涂层

一般防护装饰性涂层

在装饰性方面与一般装饰性涂层要求相当,但必须具有良好的耐蚀性

载重汽车、农机和一般机器设备

高级防护装饰性涂层

除具有高级装饰性涂层的要求外,还应有良好的耐候性和耐湿热温变等性能

轿车、面包车、高档摩托车

应控制的总厚度/μm

涂层类别

总厚度

涂层类别

总厚度

一道涂层的厚度

约为

一般性涂层

80~100

耐磨耐蚀涂层

250~300

通常油性涂料

合成树脂系列涂料

无溶剂涂料和特殊的原浆涂料

30~35

25~30

50~60和100以上

装饰性涂层

80~100

超重耐蚀涂层

300~500

耐蚀涂层

100~150

高固体分涂层

700~1000

重耐蚀涂层

150~300

   

二、涂 层 间 应 有 良 好 的 配 套 性

①涂料和基材(被涂物)应匹配。如木材制品、纸张、皮革和塑料表面不能选用需要高温烘干的烘烤成膜涂料,必须采用自干或仅需低温烘干涂料。钢铁表面可选用铁红或红丹防锈底漆,而有色金属特别是铝及铝镁合金表面则绝对不能使用红丹防锈底漆,否则会发生电化学腐蚀,不仅起不到保护作用,还会加速腐蚀的发生,对这类有色金属要选择锌黄或锶黄防锈底漆。对塑料薄膜及皮革表面,则宜选用柔韧性良好的乙烯类和聚氨酯类涂料。水泥的表面因具有一定的碱性,可选用具有良好的耐碱性的乳胶涂料或过氯乙烯底漆。参见表按不同因素选择涂料和表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求

②涂膜各层之间应匹配。底漆与面漆最好是烘干型底漆与烘干型面漆配套,自干型底漆与自干型面漆配套,同漆基的底漆与面漆配套。选用强溶剂的面漆时,底漆必须能耐强溶剂而不被咬起。此外,底漆和面漆应有大致相同的强度和伸张强度。硬度高的面漆与硬度很低的底漆配套,常产生起皱的弊病。醇酸底漆的油度比面漆的油度应小些,否则面漆的耐候性差,并且由于底、面漆干燥收缩的不同,易造成涂层的龟裂

③在采用多层异类涂层时,应考虑涂层之间的附着性。附着力差的面漆(如过氯乙烯漆、硝基漆)应选择附着力强的底漆(如环氧底漆、醇酸底漆等)。在底漆和面漆性能都很好而两者层间结合不太好的情况下,可采用中间漆作为过渡层,以改善底层和面层的附着性能

④应注意使用条件对配套性的影响。如在富锌底漆上不能采用油改性醇酸树脂面漆作水下设备的防护涂层,这是因为醇酸树脂的耐水性欠佳,当被涂物浸入水中使用时,渗过面漆的水常和底漆中的锌粉发生反应而生成碱性较强的氢氧化物,腐蚀金属基材,破坏整个涂层,所以在富锌底漆或镀锌的工件上采用耐水、耐碱性良好的氯化橡胶、聚氨酯、环氧树脂等涂料品种为宜,也可考虑使用具有良好封闭性能的中间漆作为封闭性中间涂层

⑤涂料与施工工艺的配套。高黏度厚膜涂料一般选用高压无空气设备进行喷涂施工;高固体分涂料,如长效防腐玻璃鳞片涂料采用高压无空气喷涂时所得涂膜的防腐效果大大优于刷涂施工时的性能

⑥涂料与辅助材料应匹配。辅助材料包括稀释剂、催干剂、固化剂、防潮剂、消泡剂、增塑剂、稳定剂、流平剂等。它们的作用主要是改善涂料的施工性能和涂料的使用性能,防止涂层产生弊病,但必须使用得当,例如,当过氯乙烯漆使用硝基漆稀释剂时,将会使过氯乙烯树脂析出,而胺固化环氧树脂涂料使用酯类溶剂作稀释剂时,涂膜固化速度将明显降低,影响涂膜性能

三、从节能、节资和环保要求选择涂料

1.选用对环境无污染或少污染的涂料

水性涂料以水为分散介质,无毒,其应用日益广泛,已成为涂料发展的必然趋势。粉末涂料、无溶剂涂料和高固体分涂料对于减少环境污染和对人体的危害起了很大作用,其采用日益增多。溶剂型涂料对环境造成的污染和对人体造成的危害是不可忽视的

2.选用节能、节省资源的涂料

从涂料性能来讲,同类涂料一般是烘干型比自干型好,但烘干需要烘干设备,能源消耗大,采用自干型既省能源,施工也方便。目前许多涂料,如电泳漆、粉末涂料、各种烤漆均需烘烤成膜。选择低温、快速成形或自干型涂料是节能的主要途径,也是涂料研究的重要内容。电子束固化涂料、紫外线固化涂料以及高固体分涂料均属省资源涂料,但其品种少,正处于发展中

3.选用长效型涂料

普通涂料漆膜易损坏,寿命短,频繁的维护施工对于室外大型设备和构筑物尤为不便。选择长效型涂料,如新型的玻璃鳞片涂料及其他各种耐蚀涂料等,使用寿命达10年以上,可大大延长涂膜的维护周期,提高经济效益和社会效益

4.选用简化施工工艺的涂料

为方便施工,提高经济性,应考虑选择室温固化涂料;底、面合一涂料(即施工一道,既可形成底漆膜,又可形成面漆膜);对前处理要求低的涂料(如带锈底漆、带锈带水施工的涂料);特殊环境固化的涂料(如低温干燥涂料、水下固化涂料);一次成形的美术漆;一次涂装就能达到需要厚度的涂料等

按不同因素选择涂料

按产品使用环境

涂装

类别

产品使

用环境

适用产品及部件范围

涂层总厚

度和底漆

厚度/μm

推荐涂料品种

(涂料性能)

A类

一般使用环境

安装在内陆地区的一般产品

80~120

35~60

底漆:C06-1铁红醇的底漆,C06-11铁红醇酸底漆,C53-1红丹醇酸防锈漆,H06-2铁红环氧酯底漆

面漆:C04-2各色醇酸瓷漆,C04-42各色醇酸瓷漆

(见表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求A类产品)

B类

沿海地区及腐蚀性较强的环境

安装在含有盐雾的沿海港口,有一定腐蚀的工业大气等地区作业的机械产品

150~220

50~100

底漆:H06-4环氧富锌底漆,H06-2铁红环氧酯底漆,H53-1红丹环氧酯防锈漆,云铁环氧防锈漆,G06-4锌黄、铁红过氯乙烯底漆

面漆:氯化橡胶漆,环氧树脂瓷漆,各色丙烯酸瓷漆,G04-2各色过氯乙烯瓷漆,G04-9各色过氯乙烯外用瓷漆

(见表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求B类产品)

C类

油的环境

与油类接触的部位或油介质的箱体、容器等

80~160

25~50

底漆:云铁环氧防锈漆,C06-1铁红醇酸底漆,C06-11铁红醇酸底漆,G06-4铁红过氯乙烯底漆,聚氨酯耐油漆

面漆:G04-6过氯乙烯油箱漆,C54-1醇酸耐油漆,Q04-3硝基内用瓷漆,C54-31各色醇酸耐油漆,环氧耐油漆,聚氨酯耐油漆

(见表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求C类产品)

D类

高温环境

各种在高温环境下需涂漆保护的部件和产品

50~85

25~50

无机硅酸锌底漆(400℃),W61-32铝粉有机硅热漆(300~350℃),W61-42各色有机硅耐热漆(300℃),W61-37各色有机硅耐热漆(300~400℃)

(选用耐热漆的耐热性大于或等于使用环境的最高温度见表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求D类产品)

E类

强腐蚀性环境

长期受潮水和在潮湿、湿热条件下作业的机械及部件(包括地下管外表面)

230~270

60~195

底漆:H06-4环氧富锌底漆,沥青漆

中间漆:云铁环氧防锈漆,环氧厚浆漆

面漆:氯化橡胶铝粉防锈漆,厚浆型氯化橡胶面漆、环氧沥青厚浆防锈漆

(见表各类涂装类别所用油漆的通用技术要求E类产品)

在水下作业的机械及部件

250~300

125~250

按不同用途

用途

涂  料  种  类

油性漆

脂胶漆

大漆

酚醛漆

沥青漆

醇酸漆

过氯

乙烯漆

乙烯漆

环氧漆

聚氨

酯漆

有机

硅漆

无机

富锌漆

一般防护

     

         

防化工大气

   

 

 

         

耐 酸

   

 

 

   

耐 碱

   

 

 

   

耐盐类

       

 

   

耐溶剂

   

       

 

耐 油

   

   

 

 

耐 水

   

 

耐 热

               

 

耐 磨

     

     

 

耐候性

   

 

   

按不同金属

金属类别

底   漆   品   种

黑色金属

铁红纯酸底漆、铁红纯酚醛底漆、铁红酚醇底漆、铁红脂胶底漆、铁红过氯乙烯底漆、沥青底漆、磷化底漆、各色树脂的红丹防锈漆、铁红环氧底漆、铁红硝基底漆、富锌底漆、氨基底漆

铝及铝合金

锌黄纯酚醛底漆、环氧底漆、钙黄丙烯酸底漆

锌黄纯酚醛底漆、磷化底漆、锌黄环氧底漆、环氧富锌底漆

锌黄纯酚醛底漆、环氧底漆

铜及铜合金

氨基底漆、铁红醇酸底漆、磷化底漆、环氧底漆

铁红醇酸底漆

铁红醇酸底漆、磷化底漆、环氧底漆

镉铜合金

铁红纯酚醛底漆、酚醛底漆、环氧底漆、磷化底漆

钛合金

钙黄氯醋-氯化橡胶底漆

镁及其合金

锌黄、钙黄纯酚醛底漆、丙烯酸底漆、环氧底漆

铁红醇酸底漆

底漆

类别

涂  底  漆  的  工  艺

面  漆  类  型

涂底漆

局部刮腻子

涂中间层

腻子修补

自干面漆

烘烤型面漆

硝基

磁漆

高固体

分硝基

磁 漆

热塑性

丙烯酸

树脂磁漆

氨基醇

酸树脂

涂 料

热固型

丙烯酸

树脂涂料

硝基系

硝基系

硝基系

硝基系

×

×

硝基系

硝基系

×

×

硝基系

×

×

硝基系

×

×

油性

硝基系

硝基系

合成系

×

×

油性系

硝基系

×

×

油性

合成系

合成系

合成系

合成系

油性系

合成系

油性系

合成系

油性系

合成系

×

×

油性系

油性系

×

×

×

油性系

×

×

×

合成系

聚酯腻

子油性

硝基系

聚氨酯类

聚酯系

油性系

油性系

×

×

磷化底漆

聚酯系

硝基系

硝基系

×

×

磷化底漆

聚酯系

油性系

合成系

×

×

烘烤型

合成系

合成系

合成系

合成系

合成系

注:○—配合良好;△—在一定条件下可用;×—不可用;硝基系—硝化纤维素底漆;油性系—油性清漆系底漆;合成系—合成树脂系底漆(如酚醛改性醇酸树脂涂料),包括各种电泳漆。

耐热涂层

序号

表面处理

涂 层 系 统

干燥规范

涂层厚

度/μm

涂 层 特 性

用  途

温度/℃

时间/h

1

镁合金零件化学氧化

1.浸一层H01-2环氧酚醛清漆

<60

20~30min

 

较好的耐湿、耐盐雾、耐海水和耐热性能

涂于300℃下使用的耐热零件(飞机)

2.喷一层H61-3底漆

后150~160

3

3.喷一层H61-1铝色耐热漆

110~120

4

2

铝合金阳极化;镁合金化学氧化或氟化;钢铁零件机械加工、吹砂磷化

1.涂一层H61-1环氧有机硅聚酰胺铝粉漆

室温

30min

20~30

对黑色金属、镁合金、铝合金零件表面具有较好的附着力,较好的耐汽油、耐滑油、耐水、耐湿热、耐盐雾与人工老化性能、漆膜坚硬耐久

涂于长期在300℃温度下使用的铝、镁、钢零件(发动机)

2.涂第二层H61-1环氧有机硅聚酰胺铝粉漆

室温

后100~120或室温

30min

4~3

7天

3

磷化

1.喷一层W61-25铝色有机硅耐热漆

室温

后150~170

30min

2.5~2

 

较好的耐热性能,经500℃±10℃、3h后,其抗冲击强度≥150MPa

涂于在300~500℃范围内工作的钢零件(发动机)

2.喷第二层W61-25铝色有机硅耐热漆

室温

后150~170

30min

2

4

铝零件阳极化或化学氧化;钢铁零件吹砂、磷化

1.喷一层H06-2锌黄环氧酯底漆或铁红环氧酯底漆

80~90

或100~120

4~3

2~1

 

比两层W61耐热漆涂层的附着力好,但耐热性稍低

涂于200~250℃下工作的耐热零件(飞机)

2.喷一层W61-1铝粉有机硅耐热漆

室温

或80~90

或100~120

18~24

4~3

2~1

5

铝零件阳极化或化学氧化;钢铁零件吹砂、磷化

1.喷一层W61-1铝粉有机硅耐热漆

室温

30min

 

有一定的防腐蚀性,能室温干燥,但防护性不如H61-1耐热漆

涂于200~250℃下工作的耐热零件(飞机)

2.喷第二层W61-1铝粉有机硅耐热漆

室温

或80~90

或100~120

18~24

4~3

2~1

6

吹砂、磷化

涂一层600#铝色有机硅耐热漆

180±5

2

 

经600℃、200h,具有耐高温抗氧化、防腐蚀性能,瞬间使用可耐1200℃

适于600℃下工作的碳钢、高温合金等高温部件

三防(防湿热防盐雾防霉菌)涂层系统

基体

材料

表面处理

涂层系统

涂层厚

度/μm

涂  层  性  能

说  明

底漆

面漆

无处理或有处理(吹砂、镀锌、镀镉、氧化、磷化)

H06-2铁红环氧酯底漆

13-4各色丙烯酸聚氨脂瓷漆

40~60

优良的力学性能、耐介质性能、“三防”性能,优异的耐候性。漆膜光亮、丰满、具有良好的装饰性

 

B04-6白丙烯酸瓷漆

35~55

漆膜耐光、耐候性优良,不泛黄,在湿热带气候下具有良好的稳定性

烘干(70~80℃)的漆膜比自干的漆膜防护性能好

灰、黑色丙烯酸氨基半光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的耐候性能、“三防”性能和装饰性能

 

黑色丙烯酸氨基无光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的耐候性能、“三防”性能和装饰性能

 

丙烯酸氨基锤纹漆(银灰、蓝、绿、红色)

70~90

漆膜光泽好,防护性好,呈锤痕花纹

 

各色聚酯氨基橘形漆

80~100

花纹美观,色彩柔和,防护性能较好

 

无底漆

H61-1铝色环氧有机硅聚酰胺耐热漆

40~60

漆膜坚硬、耐久,具有较好的附着力,耐汽油、耐滑油、耐水、耐湿热、耐盐雾、耐霉菌与人工老化性能良好,耐热300℃

 

各色环氧粉末涂料

40~120

涂层致密,附着力好,防护性能好,但涂层不够平整

 

钝化或氧化

H06-2锌黄或铁红环氧酯底漆或不涂底漆

13-4各色丙烯酸聚氨酯瓷漆

40~60

优良的力学性能、耐介质性能,优异的耐候性。漆膜光亮、丰满,具有良好的装饰性

有底漆的涂层防护性能比无底漆的好

B04-6白丙烯酸瓷漆

35~55

漆膜耐光、耐候性优良,不泛黄,在湿热带气候具有良好的稳定性

必须与底漆配套使用

灰、黑色丙烯酸氨基半光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的“三防”性能和装饰性能

有底漆的涂层防护性能比无底漆的好

黑色丙烯酸氨基无光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的“三防”性能和装饰性能

各色聚酯氨基橘形漆

80~100

花纹美观,色彩柔和,防护性能较好

丙烯酸氨基锤纹漆(银灰、蓝、绿、红色)

70~90

漆膜光泽好,防护性好,呈锤痕花纹

阳极氧化或化学氧化

H06-2锌黄环氧酯底漆或无底漆

13-4各色丙烯酸聚氨酯瓷漆

40~60

优良的力学性能、耐介质性质、“三防”性能,优异的耐候性。漆膜光亮、丰满,具有良好的装饰性

有底漆的涂层防护性能比无底漆的好

B04-6白丙烯酸瓷漆

35~55

漆膜耐光、耐候性优良,不泛黄,在湿热带气候具有良好的稳定性

灰、黑色丙烯酸氨基半光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的耐候性能、“三防”性能和装饰性能

黑色丙烯酸氨基无光瓷漆

40~60

漆膜坚硬,具有优良的耐候性能、“三防”性能和装饰性能

丙烯酸氨基锤纹漆(银灰、蓝、绿、红色)

70~90

漆膜光泽好,防护性好,呈锤痕花纹

各色聚酯氨基橘形漆

80~100

花纹美观,色彩柔和,防护性能较好

无底漆

H61-1铝色环氧有机硅聚酰胺耐热漆

40~60

漆膜坚硬、耐久,具有较好的附着力,耐汽油、耐滑油、耐水、耐湿热、耐盐雾、耐霉菌与人工老化性能良好,耐热300℃

 

各色环氧粉末涂料

60~120

涂层致密,附着力好,防护性能好,但涂层不够平整

各种涂装类别所用油漆的通用技术要求(JB/T5000.12—1998)

产品类别

项  目

指  标

试验方法

A

漆膜颜色及外观

粘度(涂-4粘度计)/S

细度/μm

硬度

柔韧性/mm

冲击强度/kg·cm

附着力

耐盐水性(25℃±1℃)浸48h

对面漆的适应性

干燥时间

颜色随油漆所用颜料而定,漆膜平整

≥40

≤60

2B

≤2

50

1级

不起泡、不生锈

无不良现象

符合产品说明书规定

按有关规定

漆膜颜色及外观

粘度(涂-4粘度计)/S

细度/μm,

光泽/%,

柔韧性/mm

冲击强度/kg·cm

附着力

耐水性6h

耐汽油性(浸于SH0004—1990、SH0005—1990的NY-120溶剂油中)6h

干燥时间

符合标准样板及其色差范围平整光滑

60~90

≤40

≥90

1

50

2级

允许轻微失光、发白,经2h恢复后小泡消失,失光率不大于20%

不起泡、不起皱、允许失光1h内恢复

符合产品说明书规定

B

附着力

固体含量/%

氧化型

其他类型

柔韧性/mm

耐盐水性(25℃±1℃)浸96h

对面漆的适应性

干燥时间

2级

符合产品说明书规定

55

符合产品说明书规定

≤2

漆膜无剥落、无起泡、无锈点,允许颜色轻微变浅失光

无不良现象

符合产品说明书规定

漆膜颜色及外观

细度/μm

附着力

固体含量/%

柔韧性/mm

耐候性(广州地区12个月自然曝晒后测定)

干燥时间

符合产品标准

≤40

≤2级

符合产品说明书规定

1

漆膜颜色变色不超过4级,粉化不超过3极,裂纹不超过2级

符合产品说明书规定

C

按GB 9274规定中浸泡法并按4.1.3制板后浸入符合GB 443的L-AN中粘度等级(按GB 3141)为32的润滑油中进行,经48h外观无明显变化

其他指标同B类产品底漆

附着力

柔韧性/mm

冲击强度/kg·cm

耐盐雾性,200h

耐盐水性,±30%盐水浸泡

浸泡(25℃±1℃,21天,0℃±2℃,2h)

耐汽油性(浸于SH 0004—1990、SH 0005—1990的NY-120溶剂油中)21天

耐润滑油(浸入GB 443—1989的L-AN粘度等级为32的润滑油中)21天

干燥时间

≤2级

≤2

符合产品说明书规定

1级

漆膜不起泡、不脱落

漆膜不起泡、不脱落

漆膜不起泡、不脱落

符合产品说明书规定

按有关规定

D类

产品

漆膜颜色及外观

附着力

冲击强度/kg·cm

耐盐水性(25℃±1℃),浸24h

耐热性(产品规定耐热最高温度下),100h

干燥时间

漆膜平整光滑

≤2级

≥35

不起泡、不生锈

漆膜完整、但允许失光

符合产品说明书规定

E

同B类产品

附着力

耐盐水性(25℃±1℃,浸21天)

干燥时间:表干/h

实干/h

≤2级

漆膜无脱落,允许锈蚀面积不超过5%

符合产品说明书规定

不大于24

按有关规定

附着力,≤

耐盐水性(80℃±2℃),2h

耐油性(浸于SY1152柴油机润滑油中,48h)

耐盐雾性(200h)

耐候性(经广州地区天然曝晒12个月后测定)

干燥时间

2级

漆膜不起泡,不生锈、不脱落

漆膜不起泡、不脱落、无软化、无斑点

1级

变色不超过4级粉化不超过3级,裂纹不超过2级

符合产品说明书规定

钢铁制件表面的除锈方法等级及适用范围

除锈方法

除 锈 等 级GB 8923

适 用 范 围

等效采用SISO55900—1967

SSPC

使用铲刀、钢丝刷、机械钢丝刷、砂轮等工具除锈

St2

比较彻底地除去疏松的氧化皮、锈和污物

最后用吸尘器、清洁干燥的压缩空气或干净的刷子清理表面

表面呈现淡淡的金属光泽

SP2和SP3

 

凡与高温接触并且不需要涂耐热漆的钢铁制件

St3

比St2进一步除净疏松的氧化皮、锈和污物

表面具有明显的金属光泽

凡受设备限制,无法进行喷丸除锈的特大钢铁构件,钢铁构件形状特殊无法进行喷丸除锈的部位

喷射各种磨料除锈

Sa2

彻底地喷射除锈,除去几乎所有氧化皮、锈和污物

表面稍呈灰色

SP6

工业级喷射除锈

辅助部件或辅助设备及用于在轻度腐蚀性环境中的钢铁制件表面,与混凝土接触或埋入其中的钢铁制件

St2½

非常彻底地喷射除锈、氧化皮及污物,清除到仅剩有轻微的点状或条纹状痕迹

 

SP10

接近出白级喷射除锈

主要部件或主要设备及用于腐蚀较强的环境下的钢铁制件表面,长期受潮水、潮湿、湿热,盐雾等环境下作业的钢铁制作,与高温接触并且需要涂耐热漆的钢铁制件

st3

喷射除锈到出白,完全除去氧化皮、锈和污物

表面呈现均匀一致金属光泽

SP5

出白级喷射除锈

与液体介质或腐蚀介质接触的表面,如油箱、减速机箱体、水箱的内表面

酸洗

Be

彻底消除氧化皮铁锈及残留的覆盖层

相当于Sa3

SP8

酸洗、复式酸洗、或电解酸洗

设备上各类钢铁管道不能喷丸的薄板件(壁厚小于5mm)结构复杂的中、小件及小型零件

注:摘编自JB/T 5000.12—1998。

机器产品面漆颜色

产  品  类  别

面 漆 色 别 (GSB G51001—1994)

热轧设备

淡绿 (G02)、湖绿 (BG02)、苹果绿 (G01)、中绿 (G04)、艳绿 (G03)

冷轧设备

淡绿 (G02)、湖绿 (BG02)、苹果绿 (G01)、豆绿 (GY01)、天蓝(PB09)

装卸机械

橘黄 (YR04)、橘红 (R05)、中灰 (B02)、棕 (YR05)

连铸设备

纺绿 (GY02)、苹果绿 (G01)、银白

冶金机械、冶金除尘设备

淡灰 (B03)、苹果绿 (G01)、黑色

锻压机械、启闭机

淡绿 (B02)、苹果绿 (G01)、湖绿 (BG02)、中绿 (G04)、海蓝(PB05)

矿山设备

橘红 (R05)、淡黄 (Y06)、黑色、苹果绿(G01)、豆绿 (GY01)

焦炉机械、煤气化设备

苹果绿 (G01)、纺绿 (GY02)、淡海蓝 (B11)、中灰 (B02)

工矿车辆

中灰 (B02)、橘黄 (YR04)、橘红 (R05)、黑色

冶金车辆

黑色

破碎机械

淡灰 (B03)

造矿烧结设备

纺绿 (GY02)

人造板设备

湖绿 (BG02)

橡胶设备

湖绿 (BG02)

水泥设备

淡灰 (B03)

机器产品特殊部位涂装的面漆颜色

产 品 特 殊 部 位 的 名称

面漆色别

(按GSB G51001—1994)

油箱、减速机壳体内表面及其内零件的涂漆面

奶油色(Y03)等浅颜色

栏杆、扶手

黄色(Y06、Y07、Y08)

操纵室的顶棚及内壁

半光浅色漆

操纵室地板

铁红色(R01)

盖板、走台板、辅板、楼梯板

与主机同色、黑色

外露的快速回转件,如飞轮、皮带轮、联轴器、大齿轮等

大红色(R03)

要求迅速发现的部位,如防险装置的手柄、开关刹车操纵把、润滑系统的油嘴、批示器表面极限位置的刻度

大红色(R03)

工业管路的基本识别色和识别符号

管 路 类 别

面 漆 颜 色

(按GB 7231—1987)

稀油压油管

深黄色 (Y08)

稀油回油管

柠黄色 (Y05)

干油管

棕色 (YR05)

水管

淡绿色 (G02)

高压水管

大红色 (R03)

暖气管

银灰色 (B04)

蒸汽管

铝色

氧化管

淡酞蓝色 (PB06)

压缩空气管

淡酞蓝色 (PB06)

煤气管

中 (酞) 蓝 (PB04)

电线管

中灰 (B02)

下水及粪便管

电镀、化学镀复合材料及其复合涂层

类 别

性 能 和 应 用

一、电镀、化学镀复合材料

复合材料是由两种或多种均匀相结合在一起而构成的多相混合物。它具有各个单相所不能获得的独特性能。采用电镀或化学镀,使金属和不溶性固体微粒共同沉积,可以获得各种微粒弥散金属基质复合镀层

复合镀层的性能主要取决于基质金属和固体微粒。目前国内外曾用于复合电镀的基质金属和固体微粒列于下表

耐磨复合电镀层多以镍为基质金属,也可以用铁、铬、镍合金等为基质金属,常用的固体微粒为各种氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷粉末;耐磨化学复合镀最常见的体系是Ni-P/SiC和Ni-P/金刚石

复合镀层耐磨性提高的主要原因是加入的固体微粒的耐磨性能比基质金属高,且微粒能够弥散强化基质金属镀层,并使镀层能保持一定的延性和韧性

一、电镀、化学镀复合材料

基质金属和固体微粒分散相的选择

基质

金属

分 散 粒 子

基质

金属

分 散 粒 子

Ni

Al2O3、Cr2O3、Fe2O3、TiO2、ZrO2、ThO2、SiO2、CeO2、BeO、MgO、CdO、金刚石、SiC、TiC、WC、VC、ZrC、TaC、Cr3C2、B4C、BN(α、β)、ZrB2、TiN、Si3N4、WSi2、PTFE、(CF)n、石墨、MoS2、WS2、CaF2、BaSO4、SrSO4、ZnS、CdS、TiH2、Cr、Mo、Ti、Ni、Fe、W、V、Ta、玻璃、高岭土

Ag

Al2O3、TiO2、BeO、SiC、BN、MoS2、刚玉、石墨、La2O3

Zn

ZrO2、SiO2、TiO2、Cr2O3、SiC、TiC、Cr3C2、Al

Cd

Al2O3、Fe2O3、B4C、刚玉

Pb

Al2O3、TiO2、TiC、B4C、Si、Sb、刚玉

Sn

刚玉

Cu

Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2、CeO2、SiO、TiC、WC、ZrC、NbC、B4C、BN、Cr3B2、PTFE、(CF)n、石墨、MoS2、WS2、BaSO4、SrSO4

Ni-Co

Al2O3、SiC、Cr3C2、BN

Co

Al2O3、Cr2O3、Cr3C2、WC、TaC、ZrB2、BN、Cr3B2、金刚石

Ni-Fe

Al2O3、Eu2O3、SiC、Cr3C2、BN

Ni-Mn

Al2O3、SiC、Cr3C2、BN

Fe

Al2O3、Fe2O3、SiC、WC、B、PTFE、MoS2

Pb-Sn

TiO2

Cr

Al2O3、CeO2、ZrO2、TiO2、SiO2、UO2、SiC、WC、ZaB2、TiB2

Ni-P

Al2O3、Cr2O3、TiO2、ZrO2、SiC、Cr3C2、B4C、PTFE、BN、CaF2、金刚石

Au

Al2O3、Y2O3、SiO2、TiO2、ThO2、CeO2、TiC、WC、Cr3B2、BN、(CF)n、石墨

Ni-B

Al2O3、Cr2O3、SiC、Cr3C2、金刚石

Co-B

Al2O3、Cr2O3、BN

电镀镍、钴、铁基复合镀层

①Ni-SiC(质量分数为2.3%~4.0%)复合镀层:在氨基磺酸盐镀镍溶液加入1~3μm的SiC微粒制成

耐磨性比普通镀镍层提高70%,且随摩擦时间增加,效果更为明显。用于发动机汽缸内壁,缸壁的磨损量为普通铁套汽缸的60%

固体微粒在镍基复合镀层中的含量对镀层的耐磨性影响较大。图b表明电镀Ni-SiC复合镀层的耐犁沟磨料磨损和耐擦伤磨料磨损能力均优于电镀镍层,且随SiC含量的增加而逐渐提高,但前者的变化不如后者显著

②Co-Cr3C2复合镀层:它在800℃以下仍能保持高的耐磨性,在400~600℃时其耐磨性远优于镍基复合镀层。图a为几种钴基和镍基复合镀层的高温耐磨性能

③Fe-Al2O3和Fe-B4C复合镀铁:Al2O3和B4C粒度一般为3~7μm,添加量为30~55g/L。复合镀铁层的硬度为900~1000HV,其耐磨性对比见图b。该镀层在农机、交通、矿山设备的轴类零件、内燃机汽缸套及犁铧的表面强化与修复上应用较多

④纳米金刚石复合镀层:是将不同含量的金刚石粉(含金刚石27%~30%,石墨和无定形碳的纳米级金刚石粉,其颗粒为3~15nm,用混合酸处理后,得到纯度为90%以上的金刚石粉)与快速镍溶液混合后,用电刷镀方法制成。该复合镀层具有极好的耐磨、减摩性能,并随纳米金刚石粉含量的增加而提高,含量为50g/L时,其耐磨性比纯镍镀层高2倍,摩擦因数降低40%,镀层呈非晶化趋势

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b1d7d51b

电镀纤维复合材料

是含有连续的细丝或非连续的纤维增强金属基复合材料(用电沉积方法制得)

1)该复合材料用的纤维可以是金属的和非金属的。如钨、硼、石墨、钢、碳化硅、晶须(如Al2O3、SiC)、玻璃等纤维,使其强度和刚度与金属的强度结合起来

2)纤维必须彼此隔开,排列方向应与载荷一致

3)实际采用的电镀成形工艺,有连续细丝缠绕法及交替缠绕和电镀法

4)连续细丝缠绕与电镀是同时进行的。导电纤维从溶液表面向缠绕物运动的行程中就发生了沉积,并由此导致复合材料中易出现孔洞;而对于绝缘纤维,沉积物并不在细丝上生成,仅仅是围绕它生长,并将其封闭。碳纤维尽管导电,但通常仅能以纤维束的形式获得。电镀不可能穿透纤维束的心部,为均匀覆盖,可将纤维束预先镀上金属基材料,然后再缠绕,并同时进行电镀

5)交替缠绕是缠绕一层纤维就接着镀一层金属

6)电成形纤维增强金属基复合材料适用于旋转体表面,其最高使用温度受纤维与基质金属的反应限制

化学镀镍、磷复合镀层

(1)Ni-B(P)-金刚石复合镀层

在Ni-B基镀层中,金刚石复合镀层的耐磨性比不加粒子的镀层或加入Al2O3、SiC的镀层优越得多,合成金刚石化学镀层又比天然金刚石复合镀层的耐磨性好;原因在于它表面的非催化活性、表面粗糙、有效多边缘及棱角,易于在镀层生长过程中被包裹住,而光滑的天然金刚石没有这个优点。人造金刚石价格便宜,容易控制尺寸。施镀金刚石的前处理很重要,尤其是合成产品,必须依次用浓HNO3、HCl及H2SO4处理,溶去生产过程中可能混入的杂质,特别是具有活性的金属Ni、Co、Cu、Fe等,然后漂洗,干燥备用。金刚石的粒度以1~6μm为宜

复合镀层的耐磨性与其粒子尺寸有关。Yamline耐磨试验结果表明,Ni-B多晶金刚石复合镀层在粒子含量为20%(体积分数),试验时间为85min情况下,对应粒子平均尺寸为5μm、9μm、22μm时的磨损率分别为6.2μm/h、51μm/h、34μm/h,粒子尺寸以9~22μm为佳。也有试验证明,片状铝粉比球状铝粉效果好。右表是化学镀Ni-B(P)-金刚石复合镀层耐磨性

(2)Ni-P-TiO2(n)纳米粒子化学复合镀层试验表面Ni-P-TiO2(n)复合镀层比单纯Ni-P合金镀层具有高得多的硬度和抗高温氧化性能。热处理后Ni-P合金镀层的硬度峰值在400℃,而Ni-P-TiO2(n)化学复合镀层的在500℃(见图)

镀层材料

试验时间

/min

磨损率

/μm·h-1

Ni-B

1/30

23000

Ni-B-9μm 多晶人造金刚石

85

5.1

Ni-B-9μm 天然金刚石

85

10.2

Ni-B-9μm 金刚石B①

85

13.1

Ni-B-8μm Al2O3

9

109

Ni-B-10μm SiC

5

278

Ni-P-1μm 多晶人造金刚石

2

378

Ni-P-1μm天然金刚石

2

732

①金刚石B按美国专利2947.608~2947.611制造

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热处理对镀层硬度的影响

铬 基 复 合 镀 层

(1)Cr-SiC、Cr-WC、Cr-Al2O3复合镀层

是从CrO3-H2SO4体系中电沉积获得的,其硬度达1200~1400HV,耐磨性能比硬铬镀层高2~3倍以上(见图a)

(2)Cr-Cr23C6复合镀层

是使用混合催化剂(SC-7)沉积出来的。由于该镀层在摩擦过程中的摩擦热所生成的钝化膜(Cr2O3)出现在与金属相接触的表面,提高了抗擦伤性和耐磨性。图b为镀层厚度一定时用磨损试验机的试验结果。试验表明,随着摩擦过程中接触表面温度的上升,铬镀层硬度降低,磨损量增加;而Cr-Cr23C6复合镀层因形成了高强度的钝化膜,维持了较低的磨损率

(3)Cr-金刚石复合镀层

图c是含有天然金刚石和合成金刚石的Cr-金刚石复合镀层[金刚石含量(质量分数)为0.1%]与Cr镀层在擦伤型磨料磨损条件下的耐磨性。复合镀层的耐磨性比铬镀层大有提高,而且随着磨损试验时间延长,效果更显著。下表为几种铬基复合镀层的硬度和磨损率

镀层种类

微粒含量

(质量分数)

/%

显微硬度

HV

磨损率

/10-5mm3·N-1·m-1

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[CS-10(Taber磨损试验机),负荷98N]

1—Cr,20A/dm2;2—天然金刚石,0.1%,20A/dm2;

3—天然金刚石,0.1%,10A/dm2;

4—合成金刚石,0.1%,10A/dm2;

5—合成金刚石,0.1%,20A/dm2

Cr-NbC

1.3

 

0.20

Cr-ZrO2

1.4

 

0.35

Cr-ZrB2

2.0

1200

0.26

Cr-NbC-h-BN

4.0

1000

0.08

Cr-ZrO2-h-BN

2.2

1100

0.23

Cr-ZrB2-h-BN

2.5

920

0.12

Cr-HfC

1.2

1000

0.29

Cr-HfC-h-BN

3.0

940

0.19

Cr-Al2O3

1.6

800

0.32

Cr-Al2O3-h-BN

2.1

860

0.14

Cr-HfB2

2.0

1200

0.24

Cr-HfB2-h-BN

2.5

1100

0.24

注:基质金属显微硬度:900;基质金属磨损率:0.54

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滑动速度:0.208m/s;最终载荷:12N;旋转试样:45钢调质,

表面电镀,镀层厚度15μm;固定试样:含石墨的金属基自润

滑滑动轴承材料。试验时无油润滑

多层涂层

类别

性 能 和 应 用

二、多层涂层

有些单相涂层,如已广泛应用的TiC、TiN和TiCN涂层尽管具有超硬、摩擦因数低、耐磨性、耐蚀性好,但难以同时具备高的硬度、良好的韧性、高的膜基结合强度和弱的表面反应性等综合性能,而合理设计和制备多层涂层,可以发挥不同单层复合镀层各自的优势,取长补短,有机配合,获得最优涂层性能,以及大的涂镀层厚度。电镀、化学镀、热喷涂、堆焊、熔接等都可制备多层膜(涂层)

二、多层涂层

双层复合镀层

(1)Ni-P/Ni-P-Al2O3双层复合镀层

Ni-P化学镀层具有低的孔隙率、较高的耐蚀性、与基体的结合强度高,而Ni-P-Al2O3化学复合镀层经适当的热处理之后,比Ni-P化学镀层具有更高的硬度及耐磨性,但该复合镀层使用中易脱落,耐蚀性低。如果在施镀Ni-P-Al2O3复合镀层前,先镀制Ni-P镀层作为底层,制成Ni-P/Ni-P-Al2O3双层复合镀层,则可将两种镀层的优点结合起来。试验证明,它的结合力和耐蚀性比单层复合镀层都好。与单层Ni-P和单层Ni-P-Al2O3相比,双层复合镀层经400℃热处理后具有更高的硬度,耐磨性也最好

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双层堆焊层

(2)GM1/ZO3双层堆焊层

GM1是一种自行研制的具有很强奥氏体化能力的专用超高锰钢过渡层焊条。GM1焊条熔敷金属的力学性能为:σb=595MPa,σs=220MPa,δ=34%,硬度212HBS,冲击吸收功(0℃时)180×106J。用于超高锰钢破碎机锤头(锰的质量分数为16.5%~18.5%)的堆焊修复,采用“母材+中间过渡层+耐磨层”的双层堆焊层

超高锰钢锤头的堆焊应达到以下要求:①和超高锰钢直接连接的材料及热影响区,必须有足够的韧性,保证堆焊层在堆焊应力和冲击力作用下不产生剥落及掉块;②耐磨堆焊层必须具备优良的抗冲击、抗冲刷磨损的综合性能,即高硬度、高韧性

用GM1焊条堆焊过渡层后,再在过渡层上面用ZD3型堆焊焊条堆焊耐磨层。堆焊时基本采用冷焊工艺,减少基体在300℃以上的停留时间,以避免超高锰钢锤体的性能恶化。采用这种双层堆焊修复后的超高锰钢破碎机锤头基体、过渡层、耐磨层相互间结合良好,未发生堆焊层剥落和掉块。在某水泥厂破碎机的120kg锤头修复试验中,一次破碎矿石达到10万吨,最高达到135万吨,使用寿命提高了2.5~3倍

三层复合涂层

(3)TiC/TiCN/TiN三层复合涂层

在气相沉积中,TiC、TiN、TiCN和α-Al2O3都是面心立方晶格,具有相近的热膨胀系数、良好的互溶性和化学稳定性,可以作为复合涂层的子涂层。在CVD中,TiC与基体元素在高温下能发生强烈相互扩散,可得到很高的结合强度,TiN具有良好的化学稳定性和抗黏着磨损的能力,又呈美丽的金黄色,而TiCN的性能介于两者之间,故设计多层复合涂层时,常以TiC作底层,TiN为表层,TiCN为过渡层

用在YG8硬质合金拉丝模上的一种TiC/TiCN/TiN涂层,硬度为2200~2250HV;过渡层TiCxN1-x中x为0.3左右。这种多层复合涂层拉丝模,经300多个模具批量生产试验表明:单位磨损(孔径扩大0.01mm)生产量提高1~4倍,使用寿命长,断丝概率小,抗黏着性好,拉出的钢丝表面质量好

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涂层与末涂层拉丝模的对比磨损曲线

Δ—多层涂层模;×—非涂层模(YG8)

七层复合涂层

(4)TiC/TiCN/TiC/TiCN/TiC/TiCN/TiN七层复合涂层

涂层厚度控制在6~8μm。因为,CVD陶瓷涂层脆性大,弹性变化范围很小,不宜太厚。而且钢基体的热膨胀系数比涂层大,在涂层与基体界面上会产生切应力,而此切应力又是厚度的函数,当涂层厚度在6~8μm以内,它可以忽略不计。涂层层数:实验表明,在厚度一定时,层数愈多,子涂层厚度愈小,这可使子涂层在晶粒形核后开始长大之际,即改涂新的子涂层时,避免晶粒择优取向连续长大,出现各向异性而降低涂层性能

在Cr12MoV钢上做的这种七层复合涂层,硬度为3100HV,涂层与基体的结合强度比单相TiC涂层高2倍。涂在9Cr18钢上耐磨性比未加涂层的和单相涂层的都好,其相对耐磨性提高了12~44倍。涂层磨损表面形貌观测说明,多层涂层的强韧性也比较好,并显著提高了9Cr18不锈轴承钢的滚动接触疲劳寿命,额定寿命提高4倍;一些工厂对七层涂层镀制的各种YG8冷拉模、Cr12MoV冷压模及刀具做了应用试验,使用寿命提高了3~7倍

纳米多层膜

(5)纳米多层膜(纳米超点阵膜)

纳米多层膜一般是由两种在纳米尺度上的不同材料交替排列而成的涂层体系。由于膜层在纳米量级上排列的周期性,两种材料具有一个基本固定的超点阵周期。双层厚度约为5~10nm。该膜是广义上的金属超晶格,因二维表面上形成的特殊纳米界面的二元协同作用,表现出既不同于各组元,也不同于均匀混合态薄膜的异常特性超模量、超硬度现象、巨磁阻效应和其他独特的机械、电、光及磁学性能等,在表面改性、强化、功能化改造及超精加工等领域极具潜力;在特定基材上沉积、组装纳米超薄膜,将会产生表面功能化的许多新材料,从而对功能器件、微型电机等机电产品的开发具有特别重要的意义

PVD法在制备纳米多层膜方面具有独特的优越性,可采用各种蒸发、溅射、离子镀方法,选择不同氮化物、碳化物、氧化物、硼化物等材料作物源,通过开启或关闭不同的源、改变靶的几何布置,或者工件旋转经过不同的源,能够方便地调节薄膜组成物的顺序和各层的厚度

利用PVD、CVD和电沉积技术已制出Cu/Ni、Cu/Pd、Cu/Al、Ni/Mo、TiN/VN、TiC/W、TiN/AlN等几十种纳米多层叠膜

MShinn等用磁控溅射制备了TiN/NbN、TiN/VN、TiN/VNbN超点阵膜,超点阵周期λ=16~450nm,TiN/NbN的λ=4.6nm,最高硬度49~51GPa(TiN硬度约21GPa,NbN硬度约14GPa);Chen等制备了TiN/SiNx纳米多层膜,TiN厚度2nm,SiNx厚度03~1.0nm,最高硬度45GPa±5GPa,内应力显著降低;Yoon等制备了WC-Ti1-xAiNx纳米复合超点阵涂层,硬度50GPa。IBM等公司利用膜的巨磁阻效应,可使磁盘的磁记录密度增加许多倍,正在生产巨磁阻磁头产品;利用巨磁阻纳米多层膜存储芯在计算机开断时保持“记忆”的特性,制成了低噪声、快速、长寿命的MRAM。住友已有TiN/AlN纳米涂层铣刀出售,单层厚度2~3nm,层数超过2000层;法国汤姆逊公司利用巨磁阻效应正在开发用于汽车制动系统的新产品

多种膜层结合的复合膜层

在现代电子工业中,大量采用多种工艺,如电镀、氧化、溅射、蒸镀、金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延等方法制成功能各异、多种膜层结合的复合膜层

(1)In2O3/Y2O3/ZnS∶Mn/Y2O3/Al五层复合膜层

用在双层绝缘膜结构的高辉度、长寿命器件上(见图a)

该器件是在玻璃基板上蒸镀In2O3透明导电薄膜,其上形成厚约200nm致密的Y2O3高介电性绝缘膜,然后再蒸镀仅含有少量Mn的ZnS荧光体约500nm的薄膜作为发光层,接着在发光层上蒸镀一层厚度尽可能同前一绝缘膜相同的Y2O3膜,最后再蒸镀一层铝金属作为背面电极,制成三明治结构

为了提高绝缘膜与铝金属膜之间的附着性,在它们之间可形成厚约20~500nm的Al2O3膜。近年来,还在背面补加一层玻璃,以便在它与背面电极之间封入少量黑色的硅油,可以充分防止湿气从外面侵入,从而实现3万~5万小时的长寿命和高可靠性

(2)Al2O3/ZnS∶Mn/Al2O3三层复合膜层

同样是双层绝缘膜结构器件,有的则采用原子束外延蒸镀法来制作发光层(ZnS∶Mn)和绝缘层Al2O3,从而使发光效率得到大幅度提高。元件的结构如图b所示。在玻璃基板上用溅射法形成厚约50nm的ITO薄膜,其上用原子束外延生长法制作Al2O3和ZnS∶Mn所形成的绝缘层-发光层-绝缘层的三层夹层结构

(3)Al2O3/NiO/ZrO2/Ni/Al/Al2O3/Cu/LaCoO3七层复合膜层为了满足某功能的需要常要制备多层涂层,例如,一种高温固体电解燃料电池即用了七层,其顺序为:①Al2O3气密层;②NiO燃料电池层;③温度ZrO2层;④Ni/Al电流导出膜层;⑤Al2O3气密保护层;⑥Cu层;⑦LaCoO3空气电极层

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磁性膜、磁线存储器、约瑟夫森集成电路等元器件也都采用多层膜结构

功能梯度涂层

类 别

性 能 和 应 用

三、功 能 梯 度 涂 层

在通常情况下,涂层与基体不属同一类材料,突变界面的涂层与基体间由于各自热膨胀系数不同等性能差异,存在较大的应力,导致涂层与基体结合不牢,涂层厚度也受到限制。功能梯度涂层可使基体到涂层的成分逐渐变化,形成一个缓和应力的过渡层。这样既保证了涂层与基体的结合,又保证了涂层使用要求的特殊性能

功能梯度涂层可用多种方法制备,如用热喷涂法,通过多次逐层喷涂,并随之变化成分,即可得到一定的梯度涂层。用IBAD法,在反应气分压一定时,通过变化蒸发速率或溅射速率也可方便地获得梯度涂层

梯 度 涂 层

(1)Ni-WC梯度涂层

涂层内WC颗粒含量从基体到表面逐渐增多。图a示出该梯度涂层与普通激光重熔涂层硬度沿深度的分布曲线。图b示出该梯度涂层与对比涂层的累计磨损失重与行程的关系曲线。表明梯度涂层从基体到表面硬度缓慢上升,有一明显的过渡区,这种内韧外硬的涂层比普通激光重熔涂层的耐磨性提高很多

(2)Ta-W梯度涂层

Ta-W合金是目前解决高初速、高射速火炮内膛表面烧蚀问题的较理想的涂层。为了增加涂层与基体的结合强度,某所进行了用磁控溅射法制备梯度过渡层的试验研究。靶材选用Ta-10W,过渡区的成分用调整靶的功率加以控制。设过渡区靶材的原子百分浓度为C,选用CX/DC=(X/D)2,C=(X/D)1/2(其中,X为距基体表面的距离,D为过渡层的厚度)三种曲线形式加以过渡,过渡区外再涂一层同厚度的纯Ta-10W层。AES等分析证明,过渡区内各元素变化形式与理论设计基本相符,过渡层与外层组织均为纤维状结构,且界面不明显,结合良好

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热障涂层(隔热涂层)

(3)NiCrAl结合层/40/60ZrO2-CoCrAlY(0.5mm)/85/15ZrO2-CoCrAlY(05mm)/ZrO2陶瓷表层(1.5mm)热障四层复合梯度涂层

一般的热障涂层由热绝缘陶瓷层(多使用稳定的或部分稳定的ZrO2)和结合底层(多用MCrAlY,M是Fe、Co、Ni或NiCo)所组成

为了减小由于金属材料和陶瓷材料热膨胀系数的不同而引起的涂层内热应力,提高涂层的结合强度和抗热震能力,在底层和陶瓷表层之间可引入不同层数和厚度的底层材料和表层材料组成成分呈梯度变化的中间过渡层

一般热障涂层的结构有如图a所示的双层系统,图b所示的多层系统和图c所示的梯度系统。其中双层系统由黏结层(过渡层)和隔热的陶瓷层组成;多层系统通常由黏结层、陶瓷隔热层、氧扩散阻碍层、耐蚀层和封闭层等组成

制备梯度热障涂层可用物理气相沉积和等离子喷涂等方法,由于等离子喷涂法沉积速度快,能在一个工艺过程中完成整个热障涂层的制备,因而目前常被采用。一些厚的梯度热障涂层已应用在柴油机的一些零件上,并具有巨大的应用前景。二维有限元模拟计算表明:四层25mm厚的热障复合梯度涂层能满足柴油机零件工况要求。它由NiCrAl结合层、40/60ZrO2-CoCrAlY(0.5mm)、85/15ZrO2-CoCrAlY(05mm)及1.5mm厚的ZrO2陶瓷表层组成

梯度热障复合涂层在飞机发动机、陆地燃气轮机、柴油机、锅炉燃烧器等高温零部件上已有不同程度的应用

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几种热障涂层的典型结构

含表面热处理的复合强化层

类 别

性  能  与  应  用

四、含表面热处理的复合强化层

与表面热处理有关的复合应是其组成工序的有机组合,它应使各道组成工序的性能优点都能充分保留,避免后道工序对前道工序有抵消作用

1.

表面热处理与一般热处理或其他表面热处理的复合方法十分广泛,例如

复 合 方 法

性  能

复 合 方 法

性  能

与渗氮有关的复合表面热处理

调质+渗氮

使工件具有高强韧性的基体和高硬度、高耐磨性、高疲劳强度的表层

与渗碳和碳氮共渗有关的复合表面热处理

渗碳+渗硼

可在较厚的渗碳层表面覆盖一层0.1mm左右的渗硼层,得到一种具有强塑支承基体的硬度极高的表面,适于重载且要求有很高耐磨性的工件

渗氮+淬火

使工件得到更有效的强化,硬度、强度、旋转弯曲疲劳强度普遍提高

氮化+回火

改善硬度分布,提高工件使用寿命

渗碳+碳氮共渗

能在表面形成0.015~0.02mm的富碳氮层,具有很高的抗咬合、抗擦伤等能力

渗氮+蒸气处理

使渗氮层表面形成一层厚约数微米的均匀而致密的Fe3O4,具有多孔性,坚硬而能储油,大大提高工件的使用寿命

渗碳+渗铬

可增加碳化物层厚度,渗层下没有贫碳区,复合渗层具有高的硬度、疲劳强度、耐磨性、热稳定性和在各种介质中的耐蚀性(包括在铝合金、锌合金熔体中的侵蚀性)

渗氮+渗磷

可使渗氮层表面形成一层磷酸盐膜,具有良好的减摩作用

渗碳+熔盐浸镀(TD法)

可在工件上涂覆一层5~10μm厚的NbC、VC、Cr-C等碳化物,它们与金属基体紧密结合的碳化物硬度高达1300~4000HV,具有极高的耐磨、耐蚀、抗咬合、耐热冲击等性能

金属共渗+适当热处理

C6-K合金铬铝共渗后,再经960℃×6h和1210℃×3h退火,抗热震性进一步提高

5ХИМ钢模具在铬钒共渗+渗氮,退火处理后,硬度、抗氧化性显著提高

日本还发明了钢渗镍、铬和渗氮的工艺。经上述工艺复合处理的钢具有优良的耐磨性和耐高温腐蚀性能,适用于锅炉、热交换器、加热炉等承受高温腐蚀的部位

共渗与复合渗的目的是吸收各种单元渗的优点,弥补其不足,使工件表面达到更高的综合性能指标。下表列出了一些元素的共渗、复合渗层的主要性能及应用

类别

处理方法

工艺与渗层厚度/mm

性 能 特 点 及 应 用

含铝共渗及复合渗

Al-Si复合渗

粉末法:1000℃,8h,厚度:20钢,0.23mm;45钢,0.18mm;T8钢,0.175mm

提高零件热稳定性,如镍铬合金,奥氏体类、铁素体类耐热钢;可用碳钢、低合金钢经Al-Si复合渗代替高合金耐热钢;还可用于提高钛、难熔金属及其合金的耐高温气体腐蚀性

Al-Cr共渗及复合渗

粉末法:1025℃,10h,厚度:10钢,0.37mm;1Cr18Ni9Ti,0.22mm

共渗用于提高钛、铜及其合金的热稳定性,提高零件抵抗冲蚀磨损和磨料磨损的能力,可用廉价钢种Al-Gr共渗代替高合金钢。复合渗主要用于防止高温气体腐蚀;提高零件持久强度和热疲劳性,如燃气轮机叶片、燃烧室及各种耐热钢制零件

Al-B共渗及复合渗

提高热稳定性和耐磨性。适于防止镍铬合金、热稳定钢和热强钢制零件的高温气体腐蚀;可大大提高严重磨损条件下零件的使用寿命,如与熔融金属相接触的、受冲击载荷作用的、在高温下工作的零件;复合渗比共渗能使渗层获得较高浓度的Al和B

Al-Ti共渗及复合渗

粉末法:1000℃,6h

提高热稳定性、耐磨性和耐蚀性,但对提高钢的抗氧化性并不比单独渗Al优越

Al-V共渗及复合渗

较单独渗Al有更高的热稳定性,可使钢的热稳定性提高数十倍,使钢在酸性水溶液中的耐蚀性提高1~2倍

Al-Cr-Si共渗及复合渗

提高热稳定性和耐蚀、耐冲蚀磨损能力。对镍基热强合金,比单独渗Al的热稳定性提高50%,并有较高的热疲劳抗力;该渗层可用于保护中碳、高碳钢在硝酸、氯化钠水溶液中免受腐蚀;可使某些合金的耐蚀、耐磨损能力提高1~5倍。如用于防止直升机钼制发动机叶片的氧化,叶片边缘处温度可达1500~1600℃

Al-Ti-Si、Al-Zr-Si共渗

Al-Zr-Si共渗粉末法:800~1100℃,2~8h

提高热稳定性和在某些腐蚀介质中的耐蚀性,如可使碳钢在NaCl、盐酸和醋酸水溶液中的耐蚀性得到提高

含铬共渗及复合渗

Cr-Si共渗

1000℃,10h,厚度015;20h,厚度0.20~0.25

提高耐磨(含冲蚀磨损)、耐蚀(汽蚀、气体腐蚀、电化学腐蚀)能力。渗层具有高的热稳定性和耐急冷急热性含硼共渗与复合渗

Cr-Ti共渗

1100℃,4h,厚度0.03~0.06

提高抗氧化、耐蚀、耐磨及耐汽蚀性,还可用于提高热稳定性。抗高温氧化及耐磨性均高于渗铬层。渗层表面硬度2200HV

Cr-Ti/V/Nb复合渗

渗Cr(或镀铬)后在含V或Ti、Nb的硼砂熔盐中扩散渗V(或Ti、Nb),900~1050℃,2~8h,厚度0.01~0.02

在高硬度的VC、TiC、NbC与基体中间是碳化铬,使硬度逐渐降低,从而使其抗冲击剥落性、耐蚀性高于单一碳化物层。表面硬度3000HV以上(VC),或2400HV以上(NbC)

Cr-RE复合渗

渗铬盐浴中加适量稀土:950℃,4~8h,厚0.01~0.015

提高渗铬速度改善渗铬层质量,使渗层耐蚀性、抗高温氧化性、耐磨性、韧性都得到提高

Cr-V共渗后再渗N

Cr-V共渗后气体渗N:1050℃,8h,540℃,6h,共渗层01~04,氮化物层0.01~0.02

渗层抗高温氧化、耐磨性比渗铬或铬钒共渗好

含硼共渗及复合渗

硼铝共渗与复合渗

用粉末法共渗:1100℃×6h,45钢厚度0.36;复合渗:900~1100℃渗硼,2~4h;1000℃渗铝,2~4h

钢铁和镍基合金硼铝共渗的目的是提高耐磨性和耐蚀性。硼铝复合渗也是为了获得硬度高、耐磨性和抗氧化性好的表层。主要用于高温下承受磨损和腐蚀的工件,如燃气轮机叶片、发动机的喷射器、火管、热锻模和挤压模

硼硅共渗与复合渗

用粉末法:1050℃×3h,45钢厚度0.24

改善渗硼层的高脆性,提高钢的抗氧化和耐蚀性能,表面硬度也有所提高

硼锆共渗

膏剂法:950℃,2~10h,厚0.04~0.1

改善渗层脆性,提高抗冲击载荷的能力。5CrMnMo钢共渗后在MLD-10冲击磨损试验机上试验其磨损失重约为渗硼层的1/4

硼铬共渗与复合渗

如:膏剂法渗硼900℃×(1~2)h+粉末法渗铬1050℃×3h

渗层由铁、铬的硼化物以及碳化物组成,前者起硬质相作用,后者塑性较好,因而渗层的塑性和耐磨性,尤其在动载下比渗硼层好得多

碳氮硼共渗

多用盐浴法:常用(730℃±10℃)×(4~6)h,厚度0.36~0.46

进一步提高碳氮共渗零件的耐磨性。渗层表面硬度一般比碳氮共渗高2~3HRC,耐磨性显著提高,但疲劳强度不如碳氮共渗

氧硫碳氮硼五元共渗

气体法:(560℃±10℃)×(1~3)h,厚度0.04~0.1

可得到单元渗难以实现的综合效果。主要用于高速钢刀具,能使其使用寿命稳定地提高1~2倍。工件表面乌黑美观

2.电镀(化学镀)、热处理复合强化层

(1)镀渗层

钢铁、铜及铜合金、铝及铝合金等材料表面电镀几种金属或合金,然后通过热扩散处理,可形成各种具有耐磨、减摩、耐蚀性能的镀渗层。下面列出几种钢铁、铝合金镀渗复合处理的技术性能

处理

工件

材料

镀层

材料

热扩散

工艺

镀扩层组织、

结构和硬度

耐蚀性

摩擦学性能(在Falex摩擦磨损试验机上进行试验)

适用范围

镀锡锑热扩散(Stanal法)

碳素钢、合金结构钢、模具钢、不锈钢、铸铁粉末冶金件

以Sn为主,含Sn7%~10%,可增加少量Cd以提高耐蚀性

在充氮炉膛中于580~600℃保温10~15h,高精度工件在精磨前于600℃去应力再加工并电镀

表面为1~2μm富锡的减摩层,其下为以FeSn和FeSn2、Fe3SnC为主,硬度为600~800HV的扩散层,渗层深度为10~30μm

在大气、海水、矿物油中耐蚀性良好,对碱性介质、硝酸钾溶液等有一定的耐蚀性

销子试样和V形块均为35钢,未经表面处理时,在1500N载荷下瞬时咬死,经Stanal处理则7h才咬死(试样置于水中);试样置于油中连续加载,未经处理件在2600N时咬死,经Stanal处理直至25000N仍运转正常

承载不重的轴、齿轮、滑动轴承、挺杆、部分蜗杆和蜗轮(某些情况下可用钢或铸铁代青铜)

镀铜锡热扩散(Forez法)

碳素钢、工具钢、模具钢

以Cu为主,含Sn可达30%

在氮气中加热到550~600℃,持续4~6h

表面为1~2μm富锡的减摩层,其下是FeSn、FeSn2、Fe3SnC,硬度约为450HV的渗层,渗层深度10~20μm,可深达100μm

在大气、工业大气中有一定的耐蚀性,抗盐雾腐蚀性能明显提高

转速300r/min试样上涂凡士林,未经表面处理时6000N咬死,经Forez处理件直至24000N运行正常

减速器、轻工机械中的轻载齿轮、轴瓦、水泵零件、蜗轮(钢件处理可代黄铜、青铜)

镀锡镉或锑热扩散(Delsun法)

铜、青铜和黄铜

一般镀7~10μmSn、Cd或Sb,铝青铜基体加厚至10~12μm

无需在保护气氛中加热,于空气中加热至410~430℃,保温8~14h

表面是抗咬死性能良好的Cu-Sn-Cd合金薄层,其下是Cu2Sn、Cu4Sn等化合物,硬度为480~600HV,渗层深度约30μm为宜

在大气、海水及矿物油中耐蚀

销子为铜合金,V形块是渗碳、淬火和回火的15CrNi3A钢,摩擦速度为01m/s,经过Delsun处理的QSn12和HPb59-2的摩擦学性能显著提高

同时提高接触疲劳强度

青铜与黄铜齿轮、蜗轮、油泵壳体、轴承、铜质模具、过滤板

镀铜热扩散(Zinal法)

铝与铝合金

In、Cu,可加少量Zn以提高结合力

在一般加热炉中于150~165℃保温4~8h

表面为1μm左右的富铟抗咬死层,其下为In-Cu化合物,硬度约为200~250HV,镀渗层深度为10~50μm

耐蚀性能有所改善

销子是含铜及少量镁、锰的铝合金,V形块为调质的35钢,以0.1m/s速率在水中试验,未经处理件在500N载荷下瞬时烧伤,经过Zinal处理则经1h才开始擦伤

铝合金武器零件、水龙头、活塞、滑轮等

在渗铝以前进行镀镍、镀铂(有时渗钽、渗铌)可以在金属表面形成一层扩散屏障,以阻滞在高温服役条件下铝的二次扩散,提高渗层的使用寿命。如527铁基合金先镀镍,然后进行750℃×(6~8)h的粉末渗铝,形成40~70μm的镀镍渗铝层,由FeAl3、Fe2Al5、Ni2Al3组成,硬度850~1000HV;若采用铝铬共渗则层厚为25~35μm。800℃×100h氧化试验的增重,未经表面处理、渗铝、镀镍+渗铝、镀镍+铝铬共渗的表面依次为37.8g/m2、54g/m2、1.9g/m2和28g/m2。

铝铬共渗前渗钽用于镍基和钴基合金,可有效防止铝铬共渗层的再扩散,明显提高渗层的高温疲劳强度和抗高温氧化、硫蚀性能。

(2)电镀(化学镀)+热处理

下表为45钢经不同热处理+表面处理后,在“球-盘”试验机上进行的摩擦磨损对比试验结果。试验中上试样是固定的GCr15钢球,下试样是45钢制成的圆盘

1—860℃水淬和200℃回火,硬度627HV

2—860℃水淬和200℃回火,硬度627HV,刷镀Ni-Cu-P镀层(Ni64%,Cu34%,P2%),硬度961HV

3—860℃水淬和590℃回火,硬度243HV,刷镀Ni-Cu-P镀层,硬度904HV

4—860℃水淬和550℃回火,硬度487HV,离子渗氮,电压370V,电流7.6A,(540~560℃)×13h,硬度478HV

5—860℃水淬和550℃回火,硬度487HV,离子渗氮加刷镀Ni-Cu-P镀层,硬度502HV

b1d7d54a

B1D7D54b

左图表明,在离子渗氮45钢表面刷镀Ni-Cu-P镀层的5#试样的承载能力最好,大约相当于2#、3#或4#试样的2~3倍,约相当于未经表面处理的1#试样的10倍。5#试样还具有最低的摩擦因数,大约相当于1#和4#试样的1/2和1/3,5#试样对磨钢球的磨损率与4#试样相比大约下降了20倍

扫描电镜形貌观察可见,2#试样表层发生了严重的塑性变形,并在镀层与基体界面出现了将导致镀层剥落的大裂纹;而5#试样虽然硬度仅有500HV,但其镀层与基体界面结合良好,这是由于镀层内应力下降,抵抗裂纹扩展能力提高的结果

3.铸渗复合层

机理

铸渗复合法是在铸型型腔壁上涂敷、贴固一定粒度的合金粉末膏剂(铸渗膏剂),然后将液态金属倒入,液态金属浸透膏剂的毛细孔隙中,靠其热量熔融膏剂并与基体表面熔合为一体。由于界面处的扩散渗透,在铸件表面上形成一定厚度且与基体组织、成分、性能截然不同的合金耐磨覆层———铸渗复合涂层高铬白口铁铸渗层

特点

铸渗法在砂型铸造、精密铸造和压力铸造中均可应用。基体材料可为各种铸钢和铸铁

铸渗

膏剂

选用

制作耐磨铸渗膏剂,一般选用耐磨性好、熔点较低的高铬白口铁合金粉末,或在其中加入碳化物硬颗粒,再加入1%左右的熔剂(硼砂等)及适量的黏结剂(水玻璃、聚乙烯醇等)调成膏状,或将膏剂压成一定形状备用

合金膏剂获得最大浸透深度的粉末粒度为0.06~0.50mm,制备薄铸渗涂层粉末粒度为020~032mm。膏剂层厚度一般为铸件厚度的1/10以下,当膏剂涂层厚度小于5mm,铸渗层厚度相当于1~3倍膏剂厚度

WC颗粒复合铸渗层

WC颗粒复

合膏剂系列

复合铸渗层磨损面中

WC颗粒的面积比/%

相对耐

磨性ε

WC颗粒复

合膏剂系列

复合铸渗层磨损面中

WC颗粒的面积比/%

相对耐

磨性ε

30MnSiTi铸钢

0

1.0

高铬白口铁+WC(铸态)

47.3

44.5

41.7

25.0

0

24.5

21.4

20.2

19.2

1.8

30MnSiTi+WC(铸态)

53.6

19.9

31.2

14.3

高铬白口铁+WC

(950℃淬火,250℃回火)

48.2

11.7

5.3

21.4

12.8

4.0

高铬白口铁铸渗层

膏剂系列

铸渗层化学成分(质量分数)/%

涂层厚

度/mm

铸渗层平均

厚度/mm

热处理

状态

硬度

HRC

相对耐

磨性ε

C

Cr

Mo

Cu

V

Fe

Cr

3.84

20.3

余量

2.5

2.7

950℃淬火,250℃回火

60

1.76

Cr-Mo-Cu

2.45

16.8

1.74

0.14

余量

2.5

3.4

58

2.45

Cr-V

2.45

15.8

0.99

余量

2.5

3.0

60

2.74

30MnSiTi铸钢标样

 

48

1.00

注:1.耐磨性测试条件:ML-10型销盘式磨料磨损试验机;30MnSiTi铸钢标样,磨料为106μm刚玉砂纸,载荷49N,用万分之一天平测量磨损失重

2.加WC颗粒的铸渗层,浸透过程中膏剂合金熔化,WC不熔化。凝固后形成在膏剂合金基体上嵌镶着WC颗粒硬质相的复合铸渗层。这种铸渗层中WC含量一般为30%~70%,粒度为900~590μm

四、含表面热处理的复合强化层

4.表面热处理与其他表面技术复合层

(1)渗碳加强力喷丸

可以提高变速箱齿轮等工件的疲劳强度、寿命和可靠性,尤其是表面能获得大量残余奥氏体的渗碳工艺经喷丸强化可使工件具有很好的疲劳性能。下面是20CrMnTi钢在两种工艺参数下渗碳加强力喷丸后的接触疲劳试验结果

20CrMnTi钢的处理工艺

接触疲劳试验结果

对 比 说 明

Ⅰ—930℃渗碳,碳势105%,850℃淬油,190℃回火

Ⅱ—930℃渗碳,碳势13%,880℃淬油,190℃回火

Ⅲ—工艺Ⅰ+强力喷丸(HC-34型喷丸机,用直径2.8mm、硬度48~55HRC的钢丸,喷丸强度fa=0.56mm)

Ⅳ—工艺Ⅱ+强力喷丸(喷丸条件同Ⅲ)

b1d7d54c

左图表明,两种工艺经喷丸后其疲劳寿命均明显提高,在较低接触应力下更显著。其中高浓度渗碳与强力喷丸表面复合强化,具有最高的接触疲劳寿命。测试得出,高碳势的工艺Ⅱ比工艺Ⅰ的有效渗层深度增加18.8%;喷丸后表层硬度均明显提高,工艺Ⅰ提高50HV左右,而工艺Ⅱ最多提高约90HV。在次表层0.3~10mm范围内,工艺Ⅳ的硬度均比工艺Ⅲ高。高浓度渗碳导致了次表层硬度的提高和有效渗层的增加,强力喷丸的形变强化效应和引入的残余压应力,有效弥补了因大量残余奥氏体所造成的表面残余压应力下降的不利影响。在高应力条件下,复合强化效果受到影响

(2)渗碳加碳氮共渗+加工硬化(压迫、喷丸等)

这是在渗碳后加碳氮共渗工序,以期在随后的淬火中,在表层形成大量的残余奥氏体,然后通过压迫等使表面进一步硬化。这种复合处理能形成很硬而又富有韧性的表层,提高了使用寿命,并能获得很高的疲劳强度

(3)碳氮共渗加氧化抛光复合处理(国外商品名为QPQ工艺)

该工艺的碳氮共渗温度一般为540~580℃,时间05~3h,在氧化盐浴中的浸渍时间在5~20min范围内。经QPQ工艺处理的工件,其耐磨性能优良,如下图所示,耐蚀性也很高,如下表。表面乌黑发亮,在适当场合可代替镀铬,解决电镀污染问题。目前国内外在汽车、摩托车、照相机、兵器等零件上应用较多

b1d7d54d

QPQ与镀铬耐磨性比较(发动机阀门杆)

(4)在Al或Al-Ti渗层中嵌夹Al2O3陶瓷

QPQ工艺与几种电镀层盐雾试验结果

表面处理

每24h失重/g·m-2

QPQ工艺

0.34

12μm硬铬

7.1

20μm软铬+25μm硬铬

7.2

20μm硬铬

2.9

37.0μm铜+45.0μm镍+

1.3μm铬

0.45

该工艺可使渗层具有非常优异的抗高温氧化、抗热疲劳和抗冲蚀磨损性能。用固体粉末法时,先将Al2O3、TiO2(粒度为1~20μm)和黏结剂(丙烯酸树脂溶于甲苯或丙酮)按比例调成料浆、用刷涂,浸渍或喷涂等方法涂敷于零件表面,干燥后埋入由60%Al2O3+40%渗剂(34%Al+61%Ti+5%碳粉)另加0.2%NH4F组成的粉末中,在氢气保护下1050℃保温3~4h,钛与铝的卤化物气体透过陶瓷层与基体产生互扩散,形成以铝为主的铝钛共渗层,陶瓷嵌夹在渗层内。含陶瓷层厚度约25μm,渗层厚度为50μm。除粉末法外,还可用电泳法或熔浴法获得这种渗层。用镍基合金渗铝及渗铝夹嵌陶瓷进行对比试验发现,后者的氧化失量率下降到渗铝层的2%以下,热腐蚀试验的失效时间是渗铝层的4倍以上

含激光处理的复合强化层及其他表面技术的复合

类别

性能和应用

五、含激光处理的复合强化层

1.激光制备表面复合涂层

利用高密度能源的激光束对金属表面进行改性和强化,制备各种高性能的复合涂层

(1)激光熔覆复合涂层

目前对激光熔覆的研究主要是在一般材料表面包敷Co基、Ni基、Cr基等合金及WC、TiC、Al2O3等陶瓷材料,以提高所需的表面性能。激光熔覆工艺常用的基体材料、熔覆材料及应用范围如下表

基 体 材 料

熔 覆 材 料

应 用 范 围

碳钢、铸铁、不锈钢、合金钢、铝合金、铜合金、镍基合金、钛基合金等

纯金属及合金,如Cr、Ni及Co、Ni、Fe基合金

提高耐磨、耐蚀、耐热等性能

氧化物陶瓷,如Al2O3、ZrO2、SiO2、Y2O3等

提高绝热、耐高温、抗氧化等性能

金属、类金属与C、N、B、Si等元素组成的化合物,如WC、TiC、SiC、B4C、TiN等并以Ni或Co基材料为黏结金属

提高硬度、耐磨性或耐蚀性等

①Ni-Cr-B-Si(基体)+Ni(WC)。是一利用激光熔覆的陶瓷涂层。用来解决沙漠汽车风冷发动机缸套极易磨损的问题,取得显著成效

它是以Ni-Cr-B-Si为基础合金,加入50%左右的镍包碳化钨——Ni(WC)陶瓷作为硬质相,通过热喷涂进行预置,而后用激光将其熔覆。熔覆后的(铸铁缸套)表层可分为熔覆层、淬硬区和铸铁基体三个区域。熔覆层与基体为冶金结合。熔覆层组分比较均匀,无缺陷、无裂纹,在软基体上弥散分布着WC颗粒。熔覆层的硬度分布如图所示,其耐磨性提高达6倍以上

②20Ni4Mo(基材)+Ni60(WC颗粒尺寸450~900μm,含量60%)激光熔覆粗颗粒WC复合涂层后续渗碳淬火,经干砂磨损试验机试验及金相分析表明,其耐磨性明显优于氢原子焊层和氧-乙炔焊层,原因在于复合涂层WC颗粒的烧损程度低和硬度高。这种含粗颗粒WC的陶瓷涂层在冶金、矿山、煤炭、石油等工业部门承受严重磨粒磨损的零件中得到成功的应用

③15MnV(基材)+Ni(WC)激光熔覆涂层,硬度达1090~1150HV,耐磨性较基材提高2倍以上

④60钢(基材)+(WC)碳钨激光熔覆涂层,硬度最高达2200HV以上,耐磨料磨损为60钢的20倍左右

⑤铸铁+FeCrNiSiB(自熔性合金)激光熔覆涂层的耐磨性比基材提高4~5倍

⑥将Ni-Al-Cr-Hf合金粉末涂于Rene-80合金上进行激光熔覆,可

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热喷涂+激光熔覆陶瓷涂层硬度分布

[Ni60∶Ni(WC)=1∶1合金粉末]

显著提高其在1200℃时的抗高温氧化性能;Incoloy800合金表面激光熔覆Ni-Cr-Al-Zr-Y涂层,大大改善基材抗高温氧化性能

⑦在ZL109铝合金表面涂Si、WC、Al2O3、MoS2等涂层后,进行激光熔覆,使其表面耐磨性提高2~6倍

⑧在Ti-6Al-4V合金表面熔覆TiC,其摩擦因数仅为该合金表面的1/2;在Ti-6Al-4V和2024Al合金上分别激光熔覆TiC和WC陶瓷,熔覆层的耐干砂橡皮轮磨粒磨损性能相应地比基材提高13倍和38倍

(2)激光合金化复合涂层

①对45钢进行NiCr合金化后,硬度为728HV,合金层耐磨性比基材高2~3倍,在高速重载下尤为明显;在45钢上制备的TiC-Al2O3-B4C-Al激光合金化复合涂层的耐磨性是CrWMn钢的10倍。用此工艺处理的磨床托板比原CrWMn钢制托板寿命提高了3~4倍

②在工具钢表面进行W、WC、TiC的激光合金化,由于马氏体相变硬化、碳化物沉淀和弥散强化的共同作用,使合金层耐磨料磨损性能明显提高

③铝硅合金经激光Ni、Cr合金化后,合金层硬度为140~180HV,经环块磨损试验,耐磨性比原硅铝合金提高2~4倍

④Ti合金利用激光碳硼和碳硅共渗的方法实现了表面合金化,硬度由299~376HV提高到1430~2290HV,与硬质合金对磨时,合金化后耐磨性可提高两个数量级

⑤20CrNiMo和20CrNi4Mo钢在渗碳、渗硼后,经激光熔覆使合金元素重新分布并均匀化,消除了Fe2B相的择优取向。可使硬度略有增加,并提高了耐低应力磨料磨损性能

激光合金化处理所用的基材(基本材料),添加的合金元素及获得的表面硬度如下表

基体材料

添加的合金元素

硬度 HV

基体材料

添加的合金元素

硬度 HV

Fe、45、40Cr

B

1950~2100

工业纯钛

化合物

金属

非金属

1600~2300

820~930

570~790

45、GCr15、TC6、工业纯Ti

MoS2、Cr、Cu

耐磨性提高

2~5倍

T10

Cr

900~1100

Fe

石墨

1400

ZL104铸铝合金

Fe

480

TiN、Al2O3

2000

Fe、45、T8A

Cr2O3、TiO2

达1080

45

WC+Co

WC+Ni+Cr+B+Si

WC+Co+Mo

1450

700

1200

Fe、GCr15

Ni、Mo、Ti、Ta、

Nb、V

达1650

1Cr12Ni12MoV

B

胺盐

1225

950

铬钢

WC

TiC

B

2100

1700

1600

Fe、Q235、45、T8

C、Cr、Ni、W、YG8

达900

Cr18Ni9

TiC

58HRC

铸铁

FeTi、FeCr、FeV、FeSi

300~700

(3)其他含激光处理的复合强化层

类  别

处 理 工 艺

性  能

先电镀再进行激光表面处理

先用Watts镀镍溶液加ZrO2微粒制备Ni-ZrO2复合镀层,而后进行激光合金化处理(激光功率P=1000W,扫描速度υ=700mm/min,光斑直径D=6mm)

处理后比原复合镀层的硬度提高6%,磨损量减少20%,耐高温氧化性提高10%;与高温镍基合金K17相比,硬度和耐磨性相近,耐高温氧化性提高20%

与激光相变硬化相复合的表面处理

为了修复严重磨损的轴头(见说明),先用D132焊条(含C034%,Cr3.00%,Mo140%)进行堆焊,而后再进行激光相变硬化处理,并比较了高频感应加热淬火、激光强化、堆焊后激光强化三种试样的接触疲劳寿命,其中单纯激光强化所采用的优化参数为:激光功率P=2000W,扫描速度υ=300mm/min,光斑直径D=5mm;堆焊后的激光强化所采用的优化参数为:P=2000W,υ=600mm/min,D=5mm

结果证明,堆焊后激光强化试样在各种接触应力下的接触疲劳寿命均最高

说明:

轴头为履带重载车辆悬挂装置的细长零件扭力轴(长2.18m),由45CrNiMoVA钢制造,轴头热处理硬度不低于50HRC,与支座中的滚柱直接接触。由于工件条件恶劣,轴头容易磨损

离子渗氮后再进行激光相变硬化处理

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35CrMo钢离子渗氮后再进行激光相变硬化处理

(热处理:850℃油淬和550℃回火2h,硬度380HV)

1—540℃离子氮化10h;2—25kWCO2激光相变硬化,激光功率400W,激光束直径3mm,移动深度10mm/s;3—1+2复合处理

左图示出了这种复合表面处理与单一渗氮处理和单一激光相变硬化处理的硬度随距表面深度的变化情况。图中曲线表明,复合处理的表面硬度最高,可达950HV,硬化层深也达到0.46mm,均明显高于单一表面处理的数值;三种试样在NUS-ISO-1型往复磨损试验机上进行耐磨性比较得出,复合表面处理的耐磨性比单一离子渗氮提高约75%,比单一激光处理提高38%。XPS分析表明,激光辐照后使表面渗氮层深度明显增加,在复合处理试样中,0.3mm深处仍有氮原子存在,而单一离子渗氮试样到0.2mm处氮原子已经消失

2.激光增强沉积(或激光诱导沉积、激光镀)

机理

①热解机理。利用激光的局部高温,特别是脉冲激光,瞬间达到很高的微区温度,使某些金属络合物产生热裂解。这种裂解反应可使金属实现微区局部镀

②光解机理。某些化合物在特定波长的激光照射下发生分解,实现金属化学沉积

③光电化学机理。一定波长的激光,当其光子能量大于半导体的禁带宽度时就可能与金属离子结合并使之沉积。而空穴则可以产生氧化反应,或使基体溶解。以光电化学机理沉积的基体一般为半导体,如InP,在InP/HAuC14体系中用氩离子激光照射,不通电就可观察到金的沉积

比普通电镀具有的优点

①沉积速度高。比普通电镀高出2~3个数量级,结合溶液喷射时,镀金速度可达30μm/s以上

②适用范围广。不但可在金属上沉积,还可在多种半导体(Si、InP、GaAs)、绝缘体(陶瓷、微晶玻璃、聚酰亚胺、聚四氟乙烯)等材料上直接镀覆

③沉积选择性强。可实现无掩膜微区沉积的直接写入,金属线条宽度可以达到1~2μm

④结合性能优良。镀层与基体有一定的相互扩散作用

⑤工艺性好。可在常温下工作,工艺简单,易于实现微机控制,通过控制激光束的扫描轨迹,可精确镀制多种线图形

(1)

激光增强电镀

是以高密度激光束辐照液-固分界面,造成局部温升和微区搅拌,从而诱发或增强辐射区的化学反应,引起液体物质的分解并在固体表面沉积出反应生成物。激光增强电镀分普通激光增强电镀和激光喷射电镀,沉积机理主要是激光的热效应

①普通激光增强电镀Cu。电镀装置采用图示的三电极体系。电解液采用0.05molCuSO4和1molH2SO4的混合体系。在待沉积的阴极电极上预先沉积一层厚约50~1000nm的Cu膜或Au膜。激光束光柱直径100~500μm,能量密度为01~2kW/cm2,波长为514.5nm。在此条件下,可制得宽度在微米级的铜线,通过计算机对X-Y操作台的控制可进行图形的沉积

②激光喷射电镀Au。它是在激光增强电镀的基础上发展而来的一种新技术,由IBM公司在1985年首先提出。目前主要用在印刷线路板图形的直接制作,以及插件的局部电镀等方面。用得较多的是用金的氰化物来沉积金,其基体一般是合金。当激光功率大约为20~25W时,用直径0.3mm的喷嘴可得到20μm/s的镀速。IBM公司得到的金镀层由极微小的颗粒组成,没有孔隙,和基体的结合力相当好。另外还有用激光喷射电镀在不锈钢基体上沉积金,电镀液采用KAu(CN)2、磷酸盐和微量添加剂组合的混合物,其pH值约为6.4,维持温度在20℃±2℃,激光波长为514.5nm,功率为0.8W。阳极用镀铂黑的铂丝绕制而成,阴极为不锈钢圆盘,移动速度为80μm/s,喷嘴直径为0.5mm

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普通激光电镀的实验装置有多种形式:左图是其中的一种。

整个过程在恒电位仪的控制下在聚四氟乙烯或玻璃容器中进行。电极直接浸入电解液中,间距约1cm。激光束一般通过阳极上的小孔直接照射在阴极上。激光波长的选择应考虑尽量避免电解液的吸收,用得较多的是Ar+激光。普通激光增强电镀也可采用两电极体系,阳极一般采用Pt片,而阴极则用一块预蒸镀上一层金属原子的玻璃片,如蒸镀Ni、Mo、Cu、W等,其厚度一般为20~200μm,使玻璃导电

激光喷射电镀装置大致上与激光增强电镀相似,其主要特色就在于其喷嘴。该装

置的阳极装在压力室内,可以是Au片或Pt片,片上有小孔,以利于激光穿过此孔后通过喷嘴照在阴极表面上。同时,从加压室出来的电解液以一定的流速通过喷嘴射到阴极表面上,沉积出金属。其镀速相当快,且可以和计算机联用

(2)

激光诱导化学镀

激光诱导化学镀就是利用激光的光效应来激发化学镀的过程,从而实现金属的微区镀覆。它无需外加电源,可以在常温溶液中于多种基体上一步沉积出金属,工艺简单,易于实施

①在p型、n型及未掺杂的InP上激光诱导化学沉积Pt、Cu、Ni。可用染料激光器,电解液为HPtCl6、CuSO4、NiSO4混合液。其过程机理是脉冲激光束产生了局部瞬时高温,使镀液发生微区分解,生成的金属沉积在基体表面上

②在半导体硅片及砷化镓和聚酰亚胺材料上激光诱导化学镀金

在半导体上镀金的机理主要是由于半导体在激光照射区产生了电子-孔穴对,使金属离子还原而沉积在基体光照区表面

在聚酰亚胺上的沉积机理则主要是激光引发了电子转移,亚胺转变为胺类物质使金属离子获得了电子后被还原沉积在光照区。该技术可以利用上图所示的装置,只是因为无需电源,而没有阴阳极。激光可直接照射在待沉积的基体材料上,通过控制X-Y操作台或激光束的移动来进行图形的沉积

(3)

固态膜法激光诱导金属沉积

它是将金属的有机化合物涂覆在基体表面,然后用激光照射使其分解,纯金属被还原出来并局部沉积在基体表面。与液相激光镀相比,固态膜法工艺简单,操作方便,且易于与常规工艺的光刻技术兼容

固态膜法激光镀的原理如图a所示。其工艺流程一般为:基体活化涂浆激光扫描清洗浆料热处理化学镀增厚电镀。其中热处理是为了清除镀层中的杂质;化学镀和电镀是为了提高镀层的电性能。图b所示是在陶瓷基板上沉积的电路图形

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镀层

材料

处 理 工 艺

机理及性质

应  用

固态膜法镀金

原材料用Au的络合物NH4AuAl4,载体材料一般为硝化赛璐珞

先将硝化赛璐珞和NH4AuCl4分别溶于CH3(CH2)4OO(CH3)和乙醇,再将两种溶液混在一起,硝化赛璐珞和NH4AuCl4的比例约3∶1。用离心式涂胶机将这种混合溶液在机体上涂覆一层均匀的胶状膜,在80℃烘30min,然后用193nmArF准分子激光曝光,使活性物质分解,生成的Au留在基体材料上。然后将样品置于CH2Cl2中显影,除去其余的活性物质,即可得沉积金

此过程的机制为Au的固相光化学分解沉积,Au线最小宽度可达亚微米级,Au膜的附着强度也很高

上述几种激光无掩膜局部沉积技术在电接插件局部镀方面可大幅度减少贵金属的消耗,在集成电路等微电子器件制作中具有广泛的应用前景

(4)激光化学气相沉积(LCVD)(激光辅助化学气相沉积)

原理和装置

是使用激光的能量激活CVD化学反应。LCVD存在两种可能的机制:光热解机制和光化学机制。光热解机制是光子加热了基板,使在其上方的气体裂解,从而产生所要求的CVD反应。显然光热解沉积要求基板对激光的吸收系数较高,且熔化温度必须高于气体的裂解温度。而激光波长必须选择能使气体分子对激光能量的吸收很小或根本不吸收。光热解机制涉及的沉积机理和化学反应在本质上与热CVD没有什么根本不同,但光热解反应相对于热CVD的一个优点是可以利用激光束快速加热和脉冲特性在热敏感基板上进行沉积。光化学机制则是依靠光子的能量直接使气体发生分解(单分子吸收)。此时多要求使用紫外线,因为紫外线具有足够的光子能量去打断反应气体分子的化学键

准分子激光器是普遍采用的紫外激光器,可以提供能量范围为34(XeF激光器)~6.4eV(ArF激光器)。光化学机制对基板类型没有要求,可在室温下沉积,但因为其沉积速率太慢而大大限制了它的应用。典型的LCVD系统如图所示

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激光CVD系统示意图

1—光栏;2—窗口;3—衰减器;

4—反应气体入口喷嘴;5—缩小望远镜;

6—副产物气体排放口;7—加热器

应用

目前LCVD主要应用在半导体的“直接写入”,使卤化物一次沉积具有线宽仅为0.5μm的完整线路花样。也可以制作空心硼纤维和碳纤维。此外,还有激光物理气相沉积(LPVD),它可制备BN膜、半导体膜、电介质膜、陶瓷膜等

六、其他表面技术的复合

电刷镀与喷熔相复合

当喷熔工艺用在难熔材料或用在同一零部件上含异种金属的基体材料时,为解决粉末在喷熔过程中呈水珠状的不浸润问题,采用电刷镀改善基材的表面性能,是使喷熔顺利进行的有效办法。如某部在38CrMoAl柱塞、5Cr21Mn9Ni4N和69A焊条的异种金属排气门、1Cr18Ni9Ti阀座上分别用NiO2、Co8002、Fe8001合金粉末喷熔,都不同程度出现冒泡等不浸润现象。用短时间的多次交替活化,在基材表面刷镀一定厚度的镍镀层,而后再喷熔相应合金粉末,由于在1100℃喷熔中界面元素的扩散和Fe-Ni、Ni-Co等固溶体的形成,在基材表面得到了牢固的熔覆层。运用该复合工艺已成功地修复了数百根柱塞

电刷镀与离子注入复合

目前使用最多的镍及镍合金刷镀层的硬度一般不超过60HRC。为了进一步提高其硬度和耐磨性,某部分别在厚度0.1mm的快速镍、碱铜和镍-钨50刷镀层上进行了氮离子注入,注入使用的加速电压为50kV,注入剂量为(3~5)×1017离子/cm2。测试得出,注氮后的快速镍和碱铜镀层的显微硬度均为未注氮镀层的17倍,镍-钨50刷镀层上的为1.43倍。在SKODA-SAVIN磨损试验机上测得,注氮后的快速镍、碱铜、镍-钨50刷镀层的耐磨性分别为未注氮镀层的1.3、17、1.3倍

其他

此外,还有喷丸、滚压等表面形变强化与电镀、热处理等技术的复合,导电胶粘涂与电刷镀的复合,焊补、修光与电刷镀的复合等

耐蚀复合镀层和多层镍-铬镀层

类别

性 能 和 应 用

一、耐蚀复合镀层

1.复合电镀层

(1)锌-铝复合镀层(镀液由ZnSO4、250#铝粉及抑制铝粉溶解的物质等组成)

具有很高的耐蚀性。镀层中锌与铝组成腐蚀电池,因铝表面存在氧化膜,故铝为阴极。由于氧在铝上的扩散速率低,电子转移受阻,致使电极过程减慢,金属锌的阳极溶解速度下降。该复合镀层的耐蚀寿命远远高于锌镀层及电镀锌后进行扩散处理的镀层。用镀层的腐蚀失重代表其腐蚀速度,试验测得电镀锌层、电镀锌后扩散处理层、电镀Zn-Al复合镀层的腐蚀速度依次为30~40g/(m2·日),20~25g/(m2·日)、2~5g/(m2·日)。锌-铝复合镀层的焊接性也比电镀锌好;在其上涂装后的协同效果比锌镀层上涂装好得多

锌-氧化铝复合镀层的耐蚀性也优于镀锌层,其中Al2O3的粒径可取1~5μm

(2)Ni-Pd复合镀层

该镀层的化学稳定性高于普通镍镀层,这是由于钯的标准电极电位比镍正得多,在腐蚀微电池中,钯是阴极。在复合镀层中只要含有不到1%(体积分数)的钯微粒,即可使基质金属镍强烈地阳极化,结果引起镍层阳极钝化,提高了复合镀层的化学稳定性

根据相同的原理,除钯之外,还可向复合镀层中引入比较便宜的铜、石墨或导电的金属氧化物(Fe3O4、MnO2等)微粒,也能起到提高以镍、钴、铁、铬、铝为基质金属的复合镀层的化学稳定性的作用

(3)69Fe-16Ni-Cr复合镀层

目前,按照不锈钢中Fe、Ni、Cr合金元素的比例,电沉积出Fe-Ni-Cr三元合金尚较难实现,但若将铬以微粒形式悬浮于镀液中,电沉积出(Fe-Ni)-Cr复合镀层,则比较容易。这种复合镀层再经过热处理扩散后可形成与不锈钢成分相近的合金

天津大学郭鹤桐等人根据这个思想,采用复合电镀法[镀液由FeSO4、NiSO4及金属铬粉(平均粒径为3μm)等成分组成]制取了69Fe-16Ni-Cr的复合镀层。将这种复合镀层在氮保护气氛中以950℃×16h进行扩散热处理,其耐蚀性能较未经热处理的复合镀层提高了20倍,已接近304不锈钢

该镀层的耐蚀性较单一γ相的304不锈钢稍差,是由于热处理后的组织为以γ相为主,兼有一定量α相和Fe,Cr)23C6合金碳化物的混合组织

2.复合机械镀锌层

机械镀

是把冲击介质(如玻璃球)、促进剂、光亮平整剂、金属粉和工件一起放入镀覆用的滚筒中,并通过滚筒滚动时产生的动能,把金属粉冷压到工件表面上而形成镀层的工艺

适用机械镀的多是软金属,常用的是锌、镉、锡及其合金

机械镀因具有镀层无氢脆、耗能小、污染少、生产效率高、成本低等优点,在国外应用相当普遍。但普通机械镀锌外观不如电镀层平滑、光亮,存在微小的凹凸及厚度不均匀等问题,从而影响了镀层的致密性和耐蚀性

复合机械镀

是一种机械镀过程中添加少许惰性聚合物颗粒的复合机械镀工艺,使镀层表观及性能得到了改善

其主要工艺步骤仍然是:脱脂漂洗酸洗漂洗闪镀镀锌分离漂洗干燥。唯一不同的就是在镀锌过程中,随着锌粉的加入,添加一定量的惰性聚合物颗粒,如聚乙烯。该微粒粒径为0.5~5μm,加入量为锌粉的5%~10%。微粒的加入可起到润滑和填充作用,能有效地提高锌粉的利用率,显著增加镀层的耐蚀性和耐磨性

二、多层镍-铬镀层

性能特征

多层镍-铬镀层具有优良的耐蚀性和外观,不仅大大提高了防护装饰性,而且可以采用较薄镀层而节约了金属

从单层镍到双层镍、三层镍体系,其耐蚀性和外观依次得以改善。单层镍体系在铬层缺陷处开始针孔腐蚀,并迅速穿透镍层至基体;双层镍体系腐蚀向横向伸展,腐蚀坑呈“平底”特征;三层镍体系腐蚀点较小,当其中铬层为微孔铬时腐蚀呈分散状,延缓了腐蚀向纵深发展。据报道,厚度为30.5μm的双层镍耐蚀性优于厚度为51μm的单层镍,也优于40μm铜-镍-铬镀层

类型

目前常采用的多层镍-铬组成类型有:

半光亮镍-光亮镍-铬

半光亮镍-光亮镍-镍封-铬

半光亮镍-高硫镍-光亮镍-镍封-铬

应用

现今多层镍-铬镀层已成为在严酷环境下使用的钢铁零件的防护装饰性镀层。在摩托车、汽车等户外交通工具上得到越来越广泛的应用

镍镉扩散镀层和金属-非金属复合涂层

类别

性 能 和 应 用

三、镍镉扩散镀层

镍镉扩散镀层是先在钢表面镀一层镍,再在镍上镀镉,然后在一定温度下进行扩散处理而获得的

性能特征

它是结构钢的中温防护层,在500℃以下工作环境中能很好地保护钢不被腐蚀和氧化,并具有一定的耐冲蚀能力,外观由橄榄色、淡褐色、灰色到黑色。扩散层是镍和镉的金属间化合物NiCd4·NiCd3,由于其结构、性能与镍镉合金镀层完全不同,因而在使用上不能用镍镉合金镀层代替它,否则在中温下会使钢基体产生脆断

该镀层的电极电位为-0.69V,对低合金钢、不锈钢均为阳极性防护层,它与另外几种中温防护层在3%NaCl溶液中的电极电位见右图。当镍镉扩散镀层被破坏而裸露镍底层时,裸露部分即与纯镍镀层一样,具有阴极防护层的特性

该镀层在常温与中温下的耐蚀性都比锌镀层好,周期浸渍腐蚀试验的结果为:5448h后,该镀层仅表面附一层黄白色膜层,基体金属没有腐蚀,而锌镀层在120h表面铁锈点达80%;盐雾腐蚀试验结果为:试验8个月经间断喷雾试验累计1209h,镍镉扩散镀层仅出现灰色膜,基体金属没有生锈,而锌镀层试验两个半月基体金属开始腐蚀

按HB5228—1973试验方法试验,在550℃×100h的条件下,镍镉扩散层与38Cr2Mo2VA钢的氧化速度分别为0.057g/(m·h)与0.127g/(m·h),前者耐氧化能力比后者高1倍以上

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几种中温涂层在3%NaCl溶液中的电位序

(饱和甘汞电极做参考电极)

对基体疲劳强度的影响及改善措施

由于电镀时镍镀层的内应力、机械加工时的表面残余应力以及工作时承受的应力相叠加,会造成基体材料承受循环载荷的疲劳强度有不同程度降低。右表为不同处理方法镍镉扩散层对Cr17Ni2材料疲劳性能的影响。可见,Cr17Ni2钢上直接覆盖镍镉扩散镀层可使基体的疲劳强度下降20%

为改善这种情况,在工艺上应该做到如下几点

①对疲劳性能要求较高的钢件,镀前应进行喷丸处理

②选择低应力的镀镍溶液,使镀层应力控制在-34~103MPa(负值为压应力)

③电镀镍溶液的分散能力较镀镉溶液低,在形状复杂零件的深凹处可能出现未镀上镍而镀上了镉。为防止产生镉脆,在没有镍镀层的表面不许有镉镀层存在。局部电镀在镀与不镀的过渡区,距镍镀层边缘5~7mm范围内的大镍镀层上也不允许有镉存在,如已镀上镉层只允许用化学方法退除。形状复杂零件可用化学镀镍代替电镀镍

④镍镀层厚度不低于5μm,镉镀层厚度不超过5μm。镍和镉镀层的厚度比一般控制在3∶1。通常镍镉扩散镀层的厚度约3μm

 

加工工艺

残余应力

/MPa①

疲劳极限

σ-1/MPa

σ-1增加率

/%

基体

镀层

抛光

-480

500

镍镉

扩散镀层

834

343

402

-20

喷丸

567

534.5

7

喷丸+镍镉

扩散镀层

-500

980

500

基体喷丸+镍镉

扩散镀层+喷丸

-873

-348

549

10

①负值表示压应力,正值表示拉应力

应用

镍镉扩散镀层用于在500℃以下工作的钢零件及要求耐热并耐冲刷的零件。在335℃加热后对基体性能有影响时,不能用此镀层

此外,还有TSM3、A12等中温防护涂层。TSM3复合涂层是Ni-Mg扩散涂层外加一层很薄的陶瓷涂层,它对钢是一种阳极性保护层,在3%NaCl溶液中的电极电位很负,对钢有非常好的保护能力;A12复合涂层由铝化物涂层外加很薄的陶瓷涂层组成,对钢也是阳极性保护层,该涂层光滑、均匀、耐冲蚀,对基体疲劳性能影响小

四、金属-非金属复合涂层

一般阳极性金属涂层都有孔隙和局部破损,腐蚀介质容易渗透到基体表面,为了保护基体,需在金属涂层上覆盖一层由封孔涂料作底层、耐蚀涂料为面层组成的涂层,这种金属-非金属复合涂层的防护寿命,是单一阳极性金属涂层或单一涂装层的若干倍,而且在同等防护寿命要求下,还可减少金属涂层的厚度。在金属-非金属复合涂层防护体系中,下述复合涂层具有优异的耐蚀性能

1.无机盐铝涂层

是用无机黏结剂和分散的铝粉组成的浆料喷涂后,经过干燥、烘烤、固化的涂层

(1)WZL系列铝涂层

该系列涂层具有良好的耐大气腐蚀和盐雾腐蚀能力,由于涂层中含有铬酸盐,所以其耐蚀性比纯铝层高。当涂层被划破露出钢时,涂层的牺牲阳极保护作用优于锌、镉镀层。涂层耐有机溶剂,耐冲刷,可经受磨、钻等机械加工,是一种全包覆型涂层,涂敷过程不影响基体材料的疲劳性能。其主要性能是:

①耐热性。具有中温防护作用,在370℃±15℃下加热23h,再在650℃±15℃下加热4h,涂层不应开裂或起泡,但涂色外观允许褪色。对涂覆WZL-1和WZL-2的与无涂层的38Cr2Mo2VA钢和1Cr11Ni2W2MoVA钢,在室温和350℃下进行疲劳性能对比试验,其循环次数(或疲劳强度)基本相同

②耐蚀性。在试片上划上十字交叉线,其每条线长约35~38mm,按ASTMB117进行盐雾试验100h,除了试片的任何一边的32mm和划线的16mm圈,不应有基体金属发生腐蚀,但允许涂层有褪色或腐蚀斑点

③耐热水浸渍。在沸水中浸渍10min±0.2min,取出后,不应起泡,也不应有涂层组分溶解出来

④耐油性。按ASTMD471试验方法,室温下在煤油中浸4h,试片取出24h后,应能满足结合力试验要求;浸入96℃±10℃的油中8h,不应脱皮、起泡和出现轻微软化

⑤表面电阻。用万用表测量,两表笔间距25mm,Ⅱ、Ⅳ类涂层及Ⅲ类涂层的底层表面电阻值小于15Ω

WZL系列涂层分四类:Ⅰ类(WZL-1)涂层是阻挡型涂层,用于耐蚀要求较低的环境。Ⅱ类(WZL-2)涂层对黑色基体金属为阳极性保护层,表面导电,有良好的热稳定性。Ⅲ类(WZL-3)涂层是双层涂层,底层导电,外层不导电,进一步提高了涂层的耐蚀性。这三类涂层为灰白色或暗灰色。Ⅳ类(WZL-4)涂层性能与Ⅱ类涂层相同,只是工艺方法不同。Ⅳ类涂层为带光泽的银灰色

它们都是650℃以下环境中钢制件良好的保护层,并具有优异的热稳定性。如果在Ⅰ类涂层表面上增加使涂层导电的工序,并再喷涂一层封闭面层时,可得到表面不导电的组合涂层,对钢具有阳极保护能力,有很高的耐蚀性和热稳定性

(2)SermetelW涂层

是一种使用范围很广的黑色金属的耐蚀、耐热涂层,该系列涂层包含的品种很多(资料介绍)

①该涂层在5%或20%的盐雾试验中,可以超过5000h不生锈,在海洋环境中其耐蚀性远远超过纯铝涂料,优于镉镀层。在工业的、海上的、核的环境中,在淡水、有机酸、酸酐、醇、氨等化学物质中和许多石油产品的设备上是最好的耐蚀涂层之一。它能防止钛和高强钢应力腐蚀和由应力腐蚀引起的裂纹。在锅炉、热交换器和炼油厂的加热器上能长时间防止深度点蚀的产生,对热交换器管道涂比不涂寿命延长5倍

该涂层对钢零件具有牺牲阳极保护作用,将试样中间去除12mm宽的涂层露出基体金属进行盐雾试验时,可保持1000h

②涂层的耐热氧化腐蚀性能优良,将试样加热到543℃保温16h,然后进行盐雾试验,32h为一周期,经过15个周期基体没有产生红锈,只有轻微的铝涂层的白色腐蚀产物。涂覆或未涂覆SermetelW涂层的几种钢和不锈钢在649℃和871℃下的耐氧化性能见右上图

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耐热氧化性能比较

③该涂层的耐冲刷能力较高,在不同冲击角下的耐侵蚀能力比镍镉扩散镀层和铝化物扩散涂层至少高2倍;它还具有较好的耐磨性,其耐磨性能远高于有机涂层。涂覆这种涂层的零件在经受轧、锤、剪、磨、钻等加工时,涂层不会剥落,涂层性能也不会改变

无机盐铝涂层的使用范围:高强钢的防护层,使用温度不超过650℃的中温防护层(如发动机叶片于500℃下的防腐蚀),恶劣环境下钢制件的耐蚀层,钛及其他金属接触腐蚀的保护层等

2.无机盐富锌涂层

是由金属锌粉和无机黏结剂、助剂混合组成的水溶性浆料,涂覆后在常温下固化得到的对钢具有良好防护能力的无机涂层

性能特征

该涂层在大气、工业大气、海水、淡水、水蒸气和pH=5~9的氯化钠水溶液中均有良好的耐蚀性能,在有机溶剂、各种油类中不变软、不溶解也不起泡。有资料报道,它还有防射线辐射的功能。其外观为无光泽的灰色,如果在其表面再涂一层无机铝浆料,则不仅能进一步提高涂层防护体系的耐蚀性,而且还能使其表面呈现光亮的银灰色。该涂层对钢是阴极防护层,但由于涂层致密,与基体的结合力较高,因而对钢具有良好的保护作用和长期的使用寿命。当钢基体出现腐蚀时,腐蚀产物不会在涂层与基体之间扩展,而使涂层鼓起失效,只要去除腐蚀产物,清理干净,涂敷料浆并固化,就仍能保持整体的防护性能,还不会影响涂层的外观

几种富锌涂层中水基无机锌、溶剂型无机富锌、环氧富锌的使用寿命依次为25a、12~15a、3~5a

与其他涂层用几种试验方法的耐蚀性对比

防护层类型

盐雾试验结果①

周期浸润试验结果②

全浸腐蚀试验结果

说  明

涂层厚

度/μm

基体金属开始

生锈的时间/h

涂层厚

度/μm

基体金属开始

生锈的时间/h

涂层厚

度/μm

基体金属开始生锈的时间③/h

①按JB 88—1975进行盐雾试验

②按HB/T 5094—1985进行试验

③试验溶液:3%NaCl水溶液

pH=5

pH=7

pH=9

无机富锌

涂层

8~10

24

30~33

>3556

40~50

>3048

>2048

>3048

40~45

>1344

40~45

>3556

10~20

648

>4200

>4000

锌镀层

(钝化)

16~23

120

20~30

2688

       

锌镀层

(未钝化)

21~28

48

   

21~28

>1008

<1008

>1008

热浸锌层

43~58

48

35~55

264

       

涂CO6-1醇酸

铁锈红防锈漆

16~25

48

15~26

24

15~26

<24

<24

<24

涂CO6-1漆后

涂CO4-42

醇酸瓷漆

40~50

120

40~50

24

40~50

864生锈

864生锈

864生锈

其他耐蚀试验

试验

条件

在室温下放入自来水中浸泡半年

35℃下在3%NaCl溶液中半浸1年半

在相对湿度>95%、48~51℃下两个月

在350℃下,100h

在70℃四氯化碳中半浸100h

在120汽油、航空煤油中浸泡4h

结果

均未出现腐蚀,也不起泡、不脱落

涂层无变化

附着力检查合格

应用

无机富锌料浆中不含对人体有害物质,对施工通风要求不严,也无火灾隐患。但必须在环境温度5~30℃、相对湿度30%~90%环境下施工,不能在阳光暴晒下或雨天施工。无机富锌涂层不能在承受动载荷的制件上使用,对钢基体涂敷前必须喷砂。该涂层的使用范围是:船舶、铁路、水利、石油、化工、电业、化学、运输、建筑等行业的钢制件防腐,尤其是大型制件的防腐,如桥梁、管道、储油罐、船闸、塔架、汽车壳体、有机溶剂容器,以及400℃以下的工作的钢结构件等

有机复合膜层

五、有机复合膜层

1.聚乙稀复合防腐膜

(1)金属-聚乙烯复合防腐膜

该膜是将事先用偶联剂表面处理过的金属粉末(如铁粉)和聚乙烯(PE)粉末按顺序撒布并一起加热制成的,膜的一边是金属粉末过渡层,另一边是耐蚀的塑料层。施工时,将复合膜金属粉一面用胶黏剂粘贴到金属基体上,再用热风焊等方法对膜的接缝处进行焊合,即可方便地实现对强腐蚀介质下的大型槽、罐等容器贴制防护衬里。聚乙烯(PE)等塑料具有优良的耐蚀性,室温下几乎不溶于任何有机溶剂,能耐多种酸、碱和盐类的腐蚀

(2)玻璃纤维-聚乙烯复合防腐膜

是用浸渍偶联剂的玻璃纤维(GF)布与加热熔融的PE粉层压成复合膜。由于GF布对多种胶黏剂有着良好的润湿性,因而利用玻璃纤维布作过渡层可解决PE在防腐工程上存在的难粘接的问题。该复合膜在10%HCl水溶液、20%H2SO4水溶液、20%NaOH水溶液和水等介质中浸渍500h,均未出现剥落、起泡、变色、失光等现象

2.环氧煤沥青-玻璃布复合膜层

(1)环氧煤焦沥青-玻璃布复合膜层

采用中碱、无捻、无蜡的玻璃布作加强基布。涂层制备主要步骤为:表面处理(清除表面油污)配制刷底层涂料打腻子涂布和缠玻璃布静置自干质量检验

一般情况用于普通级防腐,如地沟管道、保温管道、储罐内外壁、异形金属构件、混凝土表面等;对直接埋地管道选用加强级;对腐蚀环境恶劣或维修困难的场合,应选用特加强级,如穿越管道、水下管道、储罐底部等

SY/T0447—1996标准规定的防腐等级和结构见下表

防腐等级和结构

等 级

结 构

干膜厚

/mm

用漆量/kg·m-2

底漆

面漆

普通级

底-面-面-面

≥0.3

0.1

0.7

加强级

底-面-面、布、面-面

≥0.4

0.1

1.0

特加强级

底-面-面、布、面-面、布、面-面

≥0.6

0.1

1.5

注:“面、布、面”表示连续涂敷,也可用一层浸满面层涂料的玻璃布代替

(2)铁甲牌CH4型环氧煤沥青冷缠带(北京东方防腐技术开发公司产品)

它由冷缠带和定型胶两部分组成。冷缠带采用丙纶无纺毡浸渍环氧煤沥青面漆,经分切、收卷后制成,按厚度分普通型和加厚型两种。定型胶由分装的甲、乙组分组成,按使用温度分为普通型(气温5℃以上使用)和低温型(仅在5℃以下使用)两种。施工时定型胶甲、乙组分等量混合,再按照定型胶冷缠带定型胶的结构缠在钢管外表面,静置自然固化后形成环氧煤沥青-玻璃布复合防腐层

这种冷缠带施工方便、快捷,一次缠绕即可制成行业标准(SY/T0447)要求的加强级或特加强级防腐层。适用于埋地和水下输油(水)管道、煤气、自来水、供热管道的外壁防腐,也适用于钢质储罐底防腐及污水池、屋顶防水层、地下室等混凝土结构的防渗漏组成及施工工艺性能特征应用

3.玻璃鳞片复合涂料层

组成及施工工艺

该涂层由玻璃鳞片与树脂混合而成。最常用的树脂是环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂。鳞片的选择极为重要,按涂料的要求,宜选择第四代“硼硅酸盐”玻璃鳞片。鳞片的片径与涂层的耐蚀性及施工性能有关。涂层水蒸气透过率随鳞片片径增大而降低,即鳞片的径厚比越大,涂层耐水性越好。玻璃鳞片的用量一般为5%~40%,太大或太小均导致耐蚀性下降。鳞片在混入树脂前,应进行清洗及用偶联剂处理。玻璃鳞片涂料涂层可采用喷涂、滚涂、刮涂、刷涂等方法施工。其工艺流程一般为:工件前处理刷底层涂料刮腻子涂中间层涂料(刷涂或喷涂鳞片涂料中间层涂料)涂面层涂料检查及补漏。一般底层涂料每道干膜厚度约25~50μm,中间层涂料每道干膜厚度为150~170μm,面层涂料每道干膜厚度为25~50μm

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玻璃鳞片耐蚀示意图

性能特征

该涂层能耐各种浓度的无机酸、碱、石油溶剂以及各类盐和水的侵蚀。用几种常见的腐蚀介质,如酸类:10%HCl、20%HCl、10%H2SO4;20%H2SO4,有机溶剂:乙醇、丁醇、二甲苯、汽油,碱类:10%NaOH、20%NaOH、30%NaOH、浓氨水、饱和Na2CO3,在常温下浸泡1000h以上,涂层无变化。盐雾试验3000h,涂层表面微暗,但无腐蚀,因含有大量玻璃鳞片,涂层的收缩率及热膨胀系数降低到接近于碳钢能承受温度急变而不发生龟裂和剥落。对于环氧玻璃鳞片涂料来说,由于环氧树脂中存在羟基等极性基团,故与钢铁、水泥、木材等基体有良好的附着力

应用

已广泛用于大型河闸、海洋平台、油田及炼油厂输油管道、跨海大桥、大型海轮等较严酷腐蚀条件下的钢结构耐蚀防护

自蔓延技术制备钢基陶瓷复合材料和耐高温热腐蚀复合涂层

六、自蔓延高温技术制备钢基陶瓷复合涂层

自蔓延高温合成技术

自蔓延高温合成技术(SHS)是利用高温放热反应的热量使化学反应自动持续下去的一种技术。具有生产过程简单、反应迅速、外部能源消耗少、合成产品成本低等优点,因而在材料制备中应用较多。目前用SHS技术已能合成数百种陶瓷、金属间化合物等多种耐高温材料

对于陶瓷材料的合成,SHS反应的一般特性为:反应温度为2000~4000℃,合成反应传播速度(即燃烧波速度)0.1~15cm/s,反应区域宽度为0.1~5mm,反应开始后材料的加热速度为103~106℃/s,点火时间为005~4s

SHS工艺已发展到40多种,大体分为6种类型

1)粉末的制备。许多产品已达到工业化生产水平。TiC、BN、硬质合金等粉末广泛用于磨料、模具、添加剂、热喷涂、刀具及结构与功能性材料等方面

2)SHS烧结。可制备多孔过滤器、催化剂载体,已得到较广泛的应用

3)SHS致密化技术。把SHS工艺与常规工艺结合,如SHS-加压法用于生产硬质合金轧辊、拉丝模、刀片等

4)SHS熔炼。可制备碳化物、氧化物、硼化物等陶瓷和金属陶瓷铸件

5)SHS焊接。物料的燃烧反应蔓延至整个焊缝后,施压即可得到性能优异的焊缝

6)SHS涂层。有两种工艺:①熔铸涂层,即利用SHS反应在金属工件表面形成高温熔体同基体金属反应得到具有冶金结合的金属陶瓷涂层,厚度可达1~4mm;②气相传输涂层,它是通过气相传输在金属、陶瓷或石墨等表面形成10~250μm厚的金属陶瓷涂层。其原理是在反应物A固+B固中加入气体载体D气,如在碳钢上涂敷C-Cr陶瓷时,反应物料为Cr2O3+Al+炭+气体载体,在钢工件表面形成的SHS涂层组织为Cr、Al在α-Fe中的固溶体及Cr7O3、Cr23O6和Al2O3

相应不同的反应物料,用SHS工艺制备的金属陶瓷涂层具有很高的耐蚀性、耐磨性和耐高温等性能。我国已有专门的燃烧合成技术公司批量生成不同形状和用途的陶瓷复合钢管,并成功应用在矿山、石油、电力等领域。这种复合钢管在管道运输业中具有广阔的发展前景

钢基陶瓷复合衬管

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离心铝热剂法(C-T法)原理示意

钢基陶瓷复合衬管的具体制作方法是离心铝热剂法(即C-T法)。它是将装有铝热剂粉末(如铝粉、Fe3O4粉及各种添加剂粉)的管子(或中空零部件)置于旋转装置上,在其一端点火后,依靠反应自身所放出的热量使燃烧波从一端传至另一端,从而在装有粉末的整个管道上得到所需的覆层。C-T法的原理示意如左图,其典型反应为

2Al+Fe2O3D2Fe+Al2O3+828.4kJ

8Al+3Fe3O4→4Al2O3+9Fe+3326.3kJ

这种反应的温度可达3000℃以上,足以使反应物和生成物熔化。在旋转所产生的离心力的作用下,使得密度具有显著差异的不同液态产物分离,结果形成以钢为基体,Fe为过渡层,耐蚀、耐热、耐磨的Al2O3为主的表层的复合衬管。对复合管三层组织的两个结合界面而言,选择合适的离心力可使陶瓷与Fe层的界面产生参差不齐的机械结合;选择合适的

参数及铝热剂成分可使铁层与基体达到理想的冶金结合

制备钢基陶瓷复合衬管时,应设法解决陶瓷涂层与钢管热膨胀系数不一致等相容性问题。由于铝热反应的温度很高;被涂敷的钢管常在900℃以上,冷却过程中钢管对涂层的压应力,常造成陶瓷涂层崩裂剥落。可通过适当加入添加剂提高涂层韧性、改变涂层结构、降低反应温度和陶瓷层密度等途径来解决,如一种网状结构的陶瓷涂层可大大改善涂层的力学性能,消除了陶瓷层的崩裂和剥落现象。C-T法还可扩大到生成碳化物或硼化物与氧化铝的复合衬管

除离心自蔓延外,也可利用静态自蔓延合成法在钢管内壁及一些非回转体内表面(如弯管、异形管及复杂形状的内表面)形成陶瓷涂层

七、耐高温热腐蚀复合涂层

1.热喷涂复合涂层

(1)自黏结镍铝复合涂层

自黏结材料是指喷涂过程中发生剧烈的化学反应并释放出大量能量,从而与基体形成良好结合的一类材料。镍铝复合材料属于自黏结材料,它在喷涂过程中,熔融的铝和镍产生强烈的化学反应,生成金属间化合物Ni3Al或NiAl,放出的热量促进了熔融粒子与基体材料的反应,形成的扩散微区提高了涂层的结合强度

质量好的镍铝复合粉末火焰喷涂涂层,其抗拉强度可达30MPa。对等离子喷涂层,抗拉强度可大于40MPa。涂层致密,抗氧化性能优良,涂层在1096℃保持300h后,质量仅增加1.25mg/cm2。该涂层的热膨胀系数与大多数钢接近,介于金属基体和金属陶瓷之间,是一种常用的理想黏结底层

(2)自黏结不锈钢材料涂层

利用镍铝复合粉末及钼等在喷涂过程中对基体材料和涂层自身良好的黏结性能,可将其与镍铬合金粉末(包括镍基自熔性合金、铁基自熔性合金和不锈钢等粉末)均匀混合,用团聚法、料浆喷干法等制成不锈钢自黏结复合粉末。通过设计复合粉末的组成,可制备出兼具自黏结性能和基本组分耐蚀、耐磨、耐高温氧化的涂层。这类涂层不需喷涂底层就能与基体良好结合,喷涂厚度达数毫米也不会产生裂纹

左述涂层及其他耐高温氧化涂层的特性见下表

涂层材料

熔点/℃

特  性

Al2O3

2040

封孔后耐高温氧化腐蚀

TiO2

1920

孔隙少,结合性好,耐蚀

Cr

1890

封孔后耐蚀

Cr3Si2

1600~1700

硬、致密,耐高温氧化,耐磨

高铬不锈钢

1480~1530

收缩率低,封孔后耐氧化

镍包铝

1510

自黏结,耐氧化

Si

1410

防石墨高温氧化

MoSi2

1393

防石墨高温氧化

80Ni-20Cr

1038

耐氧化,耐热腐蚀

特种Ni-Cr合金

1038

耐高温氧化,耐蚀

Ni-Cr-Al+Y2O3

 

耐高温氧化

镍包氧化铝

 

800~900℃工作,耐热冲击

镍包碳化铬

 

800~900℃工作,耐热冲击

 

2.耐氧化复合镀层

Ni-Al2O3复合镀层的抗高温氧化性能如右图所示。与电镀镍相比,Ni-Al2O3复合镀层在高温下的增重很少。同时,从图中还可看出,无论是电镀镍层还是Ni-Al2O3复合镀层,退火温度越高抗氧化性能越好。随着Al2O3含量的增加复合镀层的硬度升高,镀层的含氢量增加,脆性也加大。含1.5%(质量分数)Al2O3的镀层,其硬度约为纯镍镀层的1.5倍。含38%Al2O3的Ni-Al2O3复合镀层具有较好的抗高温氧化能力,耐磨性能也好

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○未经退火的纯镍镀层;□500℃退火后的镍镀层;●未经退火的镍-氧化铝复合镀层;Δ370℃退火后的镍镀层;×900℃退火后的镍镀层;▲370℃退火后的镍-氧化铝复合镀层;■500℃退火后的镍-氧化铝复合镀层;﹡900℃退火后的镍-氧化铝复合镀层

七、耐高温热腐蚀复合涂层

3.高温珐琅涂层(又称高温搪瓷)

是采用高温熔烧工艺在金属零件表面涂敷一层能对基体金属起耐氧化、防腐蚀、电绝缘或其他防护作用的玻璃或陶瓷涂层

(1)W-2高温珐琅涂层

该涂层具有良好的耐高温氧化、耐热腐蚀和耐热震性能,涂层与基体结合力强,主要适用于镍基和钴基高温合金热端部位,如燃烧室、加力点火器等。该涂层能显著提高零件的热疲劳抗力、高温持久和高温蠕变性能,零件使用寿命可延长2~2.5倍。W-2涂层的组织结构、釉料组成及涂层性能见下表

涂层的釉料组

成(质量)/份

涂层组成(质

量分数)/%

涂   层   性   能

项  目

试验条件与内容

数  据

硅钡酸盐玻璃70,三氧化二铬30,黏土5,水70

将釉料涂搪于零件表面,经1180℃±20℃熔烧2~7min,即可制成具有深绿色玻璃光泽的涂层

SiO243.0

BaO42.5

CaO4.0

ZnO5.0

BeO2.5

MoO33.0

密度

3.6g/cm2

涂层厚度

0.05~0.10mm

最高工作温度

1050℃

熔化温度范围

高温显微镜下观察

收缩点980℃;软化点1140℃

半球点1280~1310℃;

流动点>1400℃

弯曲性能

弯曲角=30°~42°

热震性能

1200℃←→

20℃±2℃水冷

涂层热震次数>6次

热冲刷性能

GH39+W-2涂层,

900℃±20℃煤油火焰

冲刷,风冷至50℃以下

200次试验后涂层仍保持良好

拉伸性能

GH39+W-2涂层,室温拉伸

GH39,室温拉伸

GH39+W-2涂层,900℃拉伸

GH39,900℃拉伸

抗拉强度为701MPa,断后伸长率为57.7%

抗拉强度为813MPa,断后伸长率为48.8%

抗拉强度为160MPa,断后伸长率为91.0%

抗拉强度为156MPa,断后伸长率为99.2%

涂层的组织结构

高温持

久性能

GH39+W-2涂层,

900℃/40MPa

GH39,900℃/40MPa

231h20min

47h05min

是在玻璃体中镶嵌有三氧化二铬细微晶体的均匀组织。随着使用时间的延长,可能析出BaO·2SiO2、BaO·SiO2、2BaO·SiO2及β方石英等微晶

高温蠕

变性能

GH39+W-2涂层,

900℃/25MPa/100h

GH39,900℃/25MPa

作用100h

残余伸长率为0.814%

残余伸长率为1.802%

1100℃的耐

氧化性能

1100℃下停留时间/h

25

50

75

100

GH39+W-2珐琅涂层

增重/g·m-2

GH39合金增重

金属氧化增重/涂层

后试样氧化增重

3.75

22.00

5.87

5.60

41.30

7.38

7.50

45.90

6.12

9.45

53.00

5.61

另有T-1珐琅涂层,其性能与W-2相似。T-1涂层最主要的优点是涂层组分中不含危及操作人员健康的有毒的氧化铍,故该涂层又称为无铍珐琅

(2)B-1000珐琅涂层

B-1000涂层的特点是熔烧温度低(1050℃),工艺性能好,适用于耐热不锈钢和高温合金基体,如用于航空发动机热端部位的燃烧室、滑轮静止叶片、加力燃烧室等零件上。涂层的釉料组成、涂层的组成及性能见下表

涂层的釉料组

成(质量)/份

涂层组成(质

量分数)/%

涂 层 性 能

项 目

试验条件

数  据

硼硅钡酸盐玻璃70,三氧化二铬30,黏土5,水70

SiO238.0~42.0

BaO40.3~44.3

CaO3.6~4.4

ZnO4.2~5.3

B2O35.5~6.5

TiO22.6~3.4

涂层具有深绿色玻璃光泽

工作温度

800~900℃

熔化温度范围

高温显微镜下观察

收缩点810℃,软化点930℃;

半球点1090℃;流动点>1300℃

弯曲性能

弯曲角=30°~45°

热震性能

1040℃←→20℃±2℃水冷

涂层热震次数>6次

1000℃←→100℃风冷

涂层热震次数>100次

GH44合金+B-1000涂层,

850℃←→20℃±2℃水冷150周

裂纹长度为0.37mm

GH44合金,850℃←→20℃±

2℃水冷150周

裂纹长度为0.78mm

振动疲劳性能

GH44合金+B-1000涂层

断裂前循环次数为

(576~6833)×103周

GH44合金

断裂前循环次数为

(259~1426)×103周

落球冲击性能

100g钢球从1.5m处自由下落

>1次

电绝缘性能

0.04~0.06mm厚的B-1000涂层

20℃时的击穿电压为380~4200V

热冲刷性能

GH39合金+B-1000涂层,经

910℃±10℃焊枪加热,风冷至

50℃以下,其中受热面直径为30mm

10次试验后,涂层仍保持良好

另一种418珐琅涂层,使用温度和B-1000涂层相同,特点与B-1000涂层相似,熔烧温度也是1050℃

复合镀固体润滑材料和气相沉积复合膜和多层膜

机理

固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油脂,涂敷在工件表面,隔离相对运动的摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。固体润滑材料由基材、固体润滑剂和起特定作用的其他组元组成。涂覆型和黏结型固体润滑材料的基材可以是金属和非金属材料

固体润滑剂的材料

固体润滑剂有软金属+金属化合物+无机物和有机物等

①软金属。如Pb、Sn、In、Zn、Ba、Ag、Au等

②金属化合物。如PbO、Pb3O4、Fe3O4等金属氧化物,CaF2、BaF2、CdCl2等金属卤化物,WSe2、MoSe2等金属硫化物以及Zn3(PO4)2、Ag2SO4等金属盐类

③无机物。如石墨、氟化石墨、玻璃等

④有机物。如蜡、固体脂肪酸和醇、联苯、染料和涂料、塑料和树脂[如聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺(尼龙)、酚醛]等

对复合镀层,采用的固体润滑剂有石墨、MoS2、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化石墨[(CF)n]和WS2等,采用的基体材料有镍和铜等。不同基材与固体润滑剂所组成的固体润滑复合镀层列于右表

基材

固体润滑剂

Ni

MoS2、WS2、(CF)n、石墨、PTFE、BN、、CaF2、PVC

Cu

MoS2、WS2、(CF)n、石墨、PTFE、BN、BaSO4

Co

PTFE

Fe

石墨、PTFE

Ag

MoS2、石墨、BN

Au

石墨、(CF)n、MoS2

Zn

石墨

Ni-P

PTFE、BN、CaF2

Ni-B

PTFE、CaF2

Co-B

CaF2

应用

固体润滑镀层的使用效果十分显著,如Ni-(CF)n镀层用于水平连铸设备中的结晶器内壁,不需要振动结晶器,也不加润滑剂,就能以较小的力量顺利地将铸坯从结晶器内拉出,且铸坯表面良好;Ni-PTFE镀层用于增塑聚氯乙烯热压模具内壁 ,不加起模剂就很容易起模;Au-(CF)n镀层的摩擦因数为Au镀层的1/10~1/8d,用于电接触表面性能良好,插拔力小,寿命高;Cu-BaSO4复合镀层具有抗黏着性能,可用于滑动接触场合;Zn-j石墨复合镀层用在汽车工业的钢紧固件上,其抗擦伤能力完全能与贵重的镉镀层相比用电镀+电刷镀+化学镀可方便地镀制内层坚硬、表层为软金属的既耐磨又减摩的双层或多层镀层。如在电刷镀施工中,工作镀层镀镍钨合金,表面再刷镀一薄层铟效果很好

涂层

性  能  和  应  用

Ni-PTFE复合化学镀层

是一种抗黏着的自润滑涂层。镀层组成为Ni84.0%(质量 ) ,P8.8%,PTFE7.2%。镀层的热处理温度为200~400℃ ,1h。其磨损率明显比同样温度热处理的Ni-P镀层低,摩擦学性能如下图所示;摩擦因数与往复次数关系如下表所示,随着热处理的提高,镀层的减摩作用逐渐增强,以 400℃热处理的效果最好。 这是由于高温热处理促使镀层硬化,并形成了硬基体上均匀分布着PTFE软颗粒的缘故。但400℃以上热处理会导致PTFE分解

b1d7d60a

1—镀态;2—200℃热处理;3—300℃热处理;

4—360℃热处理;5—400℃热处理

热处理

温度/℃

往复运动

次数/次

摩擦因数

Ni-P-PTFE

Ni-P

镀层磨损率/10-5mg·N-1·m-1

镀态

900

0.13~0.70

6.6

56

200

900

0.20~0.60

6.5

38

300

2500

0.10~0.63

3.0

7.5

360

4400

0.10~0.60

1.6

5.8

400

9000

0.07~0.30

0.64

2.1

注:在日制RFT-Ⅲ型往复摩擦试验机上测试。试验条件为:负荷98N,往复频率40次/min(滑动速度0.09m/s)

Ni-P-石墨复合镀层

是在Ni-P镀层中加入石墨后摩擦因数明显降低的镀层。该镀层与不同对偶材料在不同负荷下的摩擦因数如右图所示。它与较软的20钢或Ni-P镀层对磨的摩擦因数均比45钢高得多。无论与何种材料对磨,镀层摩擦因数与负荷的关系呈现出相同的变化规律

b1d7d60b

1—化学镀Ni-P层与45钢配副;

2—Ni-P-石墨复合镀层与20钢配副;

3—Ni-P-石墨复合镀层与Ni-P层配副;

4—Ni-P-石墨复合镀层与45钢配副

以Ni-P为基材的刷镀层

以Ni-P为基材的复合刷镀层可获得良好的固体润滑性能和耐磨性。例如,在40Cr(400HV)表面刷镀复合镀层,以GCr15(750HV)为对偶,在球-盘摩擦磨损试验机上测得其摩擦学性能如下图所示。由图可见,Ni-P-MoS2镀层在负荷和速度小时摩擦因数小,但随着负荷和速度的增大而升高;Ni-P-WC在低负荷和低速时摩擦因数最大,但随负荷和速度的增大而明显下降,当负荷增至1362N时摩擦因数比Ni-P-MoS2的还小。在高负荷(1362N)下,几种复合镀层的摩擦因数随着滑动速度的增加呈下降趋势,其中以Ni-P-WC最为明显,说明它的减摩效果最好

b1d7d60c

1—Ni-P-WC(WC加入量为60g/L);

2—无镀层;

3—Ni-P;

4—Ni-P-BN(BN加入量为30g/L);

5—Ni-P-MoS2(MoS2加入量为10g/L);

6—Ni-MoS2;

所用的微粒粒径均为1μm,复合镀层的厚度约50μm

Ni-Cu-P/MoS2刷镀层

电刷镀Ni-Cu-P/MoS2固体润滑镀层是一种既耐磨又减摩的镀层,成分为:Ni57.6%(质量分数,下同)、Cu11.2%、P3.2%、MoS228%(正交磨损实验得出)。其耐磨性优于Ni-P/MoS2,对比这两种镀层的结构发现,含有一定量铜的镀层中有Ni7P3、Ni12P5等间隙相存在。上述镀层会因其中的MoS2在潮湿天气中容易受到氧化而导致摩擦学性能下降。若在镀液中添加稀土Ce4+,不仅能提高MoS2的抗氧化腐蚀能力,而且能进一步降低镀层的摩擦因数,提高镀层减摩的稳定性

电刷镀Ni-Cu-P/MoS2镀层可由于油田钻具(如钻杆、套筒)的螺纹接头上,以代替原来的涂有油的铜镀层

气相沉积复合膜和多层膜

MoS2-Au和MoS2-Ni共溅射膜

MoS2-Au和MoS2-Ni共溅射膜是采用MoS2-金属共溅射的方法制备复合膜。共溅射膜更致密,摩擦因数稳定,耐磨寿命长。下图是MoS2-Au和MoS2-Ni共溅射膜与MoS2溅射膜摩擦学性能的比较。由图可以看出两种共溅射膜的摩擦学性能都比MoS2溅射膜好(试验采用栓-盘式试验机,负荷5N,滑动速度0.1m/s,大气中干摩擦条件)

b1d7d60d

耐磨寿命定义为:摩擦因数达到0.3时,所实现的摩擦次数

在1Cr18Ni9Ti基材上共溅射MoS2-Au膜,与1Cr18Ni9Ti对磨发现,随溅射膜厚度的增加,其耐摩寿命增大,在对摩过程中,当负荷超过某一临界负荷时,膜就从基材上剥落。MoS2-Au膜的临界负荷随着膜厚的增加而加大。膜厚0.4μm时,临界负荷为1.0~2.0N,耐磨寿命为10~13千周;膜厚2.0~2.5μm时,临界负荷为5.9~6.9N,耐磨寿命为30~90千周。说明MoS2-Au膜与基材的结合强度随着膜层厚度的增加而加大。而MoS2膜的厚度在超过临界值0.2mm之后,其寿命就不再随厚度的增加而延长

在AISI452淬火钢(58~61HRC)表面共溅射MoS2-Ni,与4130淬火钢(60HRC)的对磨试验表明,共溅射膜的耐磨寿命几乎随膜厚的增加成线性增加,其寿命受负荷的影响也不像MoS2溅射膜那样强烈。在膜厚为0.74μm时负荷由187N增至703N,MoS2-Ni共溅射膜的耐磨寿命下降了50%,而MoS2溅射膜的耐磨寿命几乎损失了93%

Al+N+和Ti+N+离子束辅助沉积层

用Ar+将Al和Ti溅射在工业纯铁表面,同时用能量为100keV的N+以2×1017个/cm2的剂量进行离子注入,以形成0.3μm厚的Al+N+和Ti+N+离子束辅助沉积(IBAD)层。在日制DFPM型试验机上测定其摩擦因数,在自制球盘试验机上测定其磨损量

图a表明,在进入稳定期后IBAD Al+N+和Ti+N+试样的摩擦因数分别为0.093和0.076,比纯铁的0.451分别降低80%和83%;图b表明,IBAD Al+N+和Ti+N+试样的磨损量比纯铁分别降低71%和86%

试验条件:图a DFPM型试验机,对偶件GCr15,负荷2N,速度35mm/min图b球-盘试验机,对偶件GCr15,负荷6N,速度22mm/min,滑动行程8mm

b1d7d60e

1—纯铁试样;2—经Al+N+离子束辅助沉积后的试样;

3—经Ti+N+离子束辅助沉积后的试样

TiC/TiN七层膜、CVD镀层与Pb基润滑镀层

多层膜的摩擦学性能优于单层膜,即在干摩擦和油润滑条件下,它的摩擦因数和摩损率低于单层膜。在钢材表面用CVD法获得的镀层,更适于真空条件下工作

Pb-Sn-Cu复合刷镀盘的摩擦因数均比单纯Pb刷镀盘的小,而复合刷镀盘的磨损率却高于单纯Pb刷镀盘,这是因为Sn、Cu相对于Pb是较硬的颗粒,且与Fe有较高的黏着性;但CVD(TiC/TiN)7镀层球/Pb-Sn-Cu刷镀盘却是真空下良好的摩擦副

在自制的MT-1型真空摩擦试验机上对:(1)CVD法沉积的TiC、TiN单层膜及TiC/TiN多层膜的摩擦学性能进行测定;(2)CVD镀层与Pb基润滑镀层的摩擦学性能进行测定,结果如下表

其中,TiC单层膜厚度3μm,TiN单层膜厚度4.7μm,七层膜(TiC/TiN)7(依次为TiC/TiCxNy/TiC/TiCxNy/TiC/TiCxNy/TiN)的总厚度为5.5μm,球基材GCr15和盘基材45钢的真空油淬硬度分别为62HRC和52HRC

试验中上试样(球)固定,下试样(盘)转动。试验条件为:负荷5N,滑动速度0.5m/s,先跑合30min。试验时间为30min。试验分别在干摩擦和油润滑(SP 8801—100空间润滑油滴油润滑)条件下进行

(1)

摩擦副

(球←→盘)

摩擦因数

磨损率/10-15m3·m-1

干摩擦①

油润滑

干摩擦①

油润滑

大气中

真空中②

大气中

真空中

大气中

真空中

大气中

真空中

GCr15←→45钢

0.68

0.47

0.086

0.053

1.60

13.60

0.075

0.890

(TiC/TiN)7←→45钢

0.46

0.26

0.081

0.052

1.13

0.80

0.060

0.020

TiC←→45钢

0.42

0.24

0.082

0.080

1.02

0.60

0.065

0.040

TiN←→45钢

0.48

0.31

0.089

0.068

1.31

0.96

0.075

0.032

GCr15←→(TiC/TiN)7

0.67

0.35

0.090

0.101

17.70

9.20

2.10

1.400

(TiC/TiN)7←→(TiC/TiN)7

0.17

0.27

0.051

0.042

5.10

8.30

1.50

0.320

TiC←→TiC

0.19

0.31

0.095

0.165

8.60

12.40

2.80

3.300

TiN←→TiN

0.18

0.32

0.092

0.100

9.10

13.60

1.90

0.810

①镀层磨穿前的平均值

②真空度为6.67×10-3Pa

(2)

摩擦副

(球←→盘)

摩擦因数

磨损率/10-15m3·m-1

干摩擦

油润滑

干摩擦

油润滑

大气中

真空中

大气中

真空中

大气中

真空中

大气中

真空中

GCr15①←→Pb②

0.40

0.32

0.079

0.052

4.40

1.90

0.21

0.28

GCr15←→Pb-Sn-Cu③

0.37

0.28

0.062

0.041

5.80

1.70

0.17

0.10

(TiC/TiN)7④←→Pb

0.32⑤

0.18

0.073

0.043

1.10⑤

0.83

0.014

0.041

(TiC/TiN)7←→Pb-Sn-Cu

0.26⑥

0.17

0.050

0.032

1.30⑥

0.81

0.057

0.066

①GCr15(淬火)钢球,无涂层

②45钢(淬火)基材盘,电刷镀Pb,厚18.4μm

③45钢(淬火)基材盘,表面电刷镀Pb76.4%-Sn12.6%Cu11.0%(均为质量分数)镀层,厚20.345μm

④GCr15(淬火)基材钢球,表面CVD法镀(TiC/TiN)7七层镀层,厚度5

⑤⑥约50min后固体润滑涂层完全磨穿,此后的摩擦因数为0.61

Si3N4、TiN薄膜和MoSx薄膜

在52100钢表面利用IBAD法分别沉积Si3N4和TiN薄膜(厚约1μm),后在其上面再用IBAD法沉积MoSx薄膜。为了比较,在Si3N4和TiN薄膜表面又利用磁控溅射法(MS法)制取MoSx薄膜。经测定IBAD MoSx中的x=1.287,MS MoSx中的x=1.700。在SRV试验机上进行摩擦学性能测定。试验结果见下图,在给定的范围内,负荷和频率越大,摩擦因数越小。与基材对比,两种MoSx膜都显示出良好的减摩性能,而且MoSx对TiN的减摩作用优于对S3N4的减摩作用。两种MoSx中,MS MoSx膜的减摩性能优于IBAD MoSx膜

在测定摩擦因数随时间的变化中发现,MS MoSx膜的摩擦因数在15min后由0.06左右突然升高到0.14,而IBAD MoSx膜的摩擦因数基本保持不变(0.10左右)。在测定磨损率随负荷和频率的变化关系得出,磨损量随负荷和频率的增加而增加,两种MoSx膜的耐磨性比Si3N4和TiN膜的高3~4倍。而MS MoSx膜的耐磨性优于IBAD MoSx,尤其在低负荷或低频率下更为明显

b1d7d60f

1—52100钢;2—Si3N4;3—TiN;4—IBAD MoSx-Si3N4;5—IBAD MoSx-TiN;

6—MS MoSx-Si3N4;7—MS MoSx-TiN

上试样为f 10mm的Si3N4陶瓷球,下试样为沉积了薄膜的圆盘

试验条件:振幅为1mm,时间为30min,液体石蜡润滑,用15Hz的振动频率测定摩擦因数-负荷关系,用40N的负荷测定摩擦因数-频率关系

含扩渗改性的表面膜层

类别

性   能   和   应   用

含有渗硫工序的表面热处理层

1)在复合表面热处理中,与渗硫相复合的表面热处理具有较好的自润滑效果。应用较多的是在表面硬化处理之后增加一道低温电解渗硫工艺。低温电解渗硫工艺的处理温度为180~190℃,可与低温回火结合进行。常用的有:

①高频感应加热淬火加低温电解渗硫,如800℃高频感应加热淬火,190℃低温电解渗硫

②渗碳淬火加低温电解渗硫,如930℃渗碳,预冷至800℃淬火,190℃低温电解渗硫

③渗氮加低温电解渗硫,如550℃气体氮化,190℃低温电解渗硫

④碳氮共渗、淬火加低温电解渗硫,如850~880℃碳氮共渗后直接淬火,190℃低温电解渗硫等

图a是在严酷条件下工作的零件表面的理想硬度分布曲线,图中的第1、2、3层分别是易塑性变形的软质层、机械强度好的硬化层和硬度缓降的扩散层。上述硬化处理是为了得到要求的第2、3层,而低温电解渗硫可以生成减摩性良好的第1层

渗硫后硫在钢铁表面主要以硫化铁形成存在。在盐浴中渗硫时,200℃以上形成FeS2层(黄铜色),180~200℃形成FeS混有FeS2(黑色混入黄铜色),170℃以下仅有FeS层。渗硫层实质上是由FeS(或FeS+FeS2)组成的化学转化膜。FeS具有密排六方晶格,硬度仅为60HV,受力时沿(0001)晶面滑移,使摩擦时实际接触面积增大,改善了初期的磨合,抗烧伤、咬合效果好。渗硫层是有大量微孔的软质层,有良好的储油能力和减摩性,即使在无润滑状态下摩擦因数也很低。图b是渗碳后各种表面处理的SCM415钢的摩擦因数随载荷的变化曲线

渗硫方法有固体、气体和液体渗硫三种。按渗硫温度又分为低温(160~200℃)、中温(520~560℃)和高温(800~930℃)渗硫

低温渗硫零件无畸变。在低温渗硫中,除低温电解渗硫、低温气体渗硫、低温液体渗硫外,真空辉光放电离子渗硫也日益受到重视

我国不仅研制出系列设备和配套的工艺,而且已将其成功地应用于轴承、轴瓦、轧辊、齿轮、丝杠、滑板等零件的批量处理中

b1d7d61a

(a)在严酷条件下工作的零件表面的理想硬度分布

b1d7d61b

(b)渗碳后不同表面处理的SCM415钢的摩擦状况

1—渗碳加低温电解渗硫;2—渗碳加磷酸盐处理

加MoS2;3—渗碳加磷酸盐处理;4—渗碳淬火

2)渗氮、渗碳后再进行渗硫处理、硫氮二元共渗和硫碳氮三元共渗,也可使工件表面兼有渗硫后的减摩特性和渗氮、渗碳后的耐磨特性

①气体硫氮共渗后的金相组织分为三层,最外层是FeS,第二层是以Fe2~3N为主的氮化物白亮层,第三层是氮的扩散层。硬度峰值可达1000HV0.05,由表及里的硬度变化较为平缓。硫氮共渗后,提高了材料的减摩、耐磨性能。如W18Cr4V钢试样在淬火回火后(64~65HRC)经(560℃±10℃)×1h液体硫氮共渗与未经共渗的磨损试验结果是:对磨20000r后的失重分别为0.0131g和0.1008g。45钢试样(淬火+回火)在Fa-lex试验机上以全损耗系统用油L-AN32(20#机油)润滑加恒定载荷进行试验,2s即发生咬卡,而经过硫氮共渗后的试样,运行500s还未发生咬卡

硫氮共渗与蒸汽处理相结合,可提高钢件的减摩和耐蚀性能。蒸汽处理又称氧化处理,是指在500~600℃的温度下,用过热蒸汽进行的处理。它可使钢件表面形成一层致密的与基体结合牢固的Fe3O4薄膜。对于高速钢刀具在硫氮共渗前、后可各进行一次蒸汽处理

②硫碳氮共渗兼有碳氮共渗和渗硫的特点,能赋予工件优良的耐磨、减摩、耐疲劳、抗咬合性能,并改善了钢铁件(不锈钢除外)的耐蚀性

钢铁表面形成的共渗层由硫化物层、弥散相析出层和过渡层组成。硫化物层厚度为5~20μm,是由FeS、FeS2、Fe3O4等相组成的硫、氮、碳富集区。弥散相析出层主要由Fe(N,C)、Fe3(N、C)、Fe4(N、C)相及含氮的马氏体、残余奥氏体等相组成。过渡层是含氮量高于基体的固溶强化区

对于大多数结构钢和不锈钢,常以(565℃±5℃)×(1~3)h进行盐浴硫碳氮共渗。其处理效果十分明显,如45、45Cr钢的轴和齿轮处理后寿命可提高1~3倍;Cr12MoV硅钢片冷冲头等高精度冷作模的寿命提高1~4倍;1Cr13~3Cr13和1Cr18Ni9Ti钢泵轴、阀门寿命提高2~4倍;ZGCr28的叶轮、中壳抗咬合负荷提高4~6倍,台架试验时间延长3个数量级。45钢以570℃×3h进行离子硫碳氮共渗与未处理相比,在干摩擦下起始摩擦因数由0.14~0.15下降至0.08

将电刷镀与渗金属工艺相复合,可以在金属表面形成一层减摩、耐磨的固溶合金化镀覆层。如在40Cr钢表面先刷镀一层Sn(厚度0.5~3μm),而后在氮气气氛中按500℃×6h/550℃×3h/600℃×6h进行渗金属;或在Cu合金(H62)表面刷镀8~15μm的Sn,在氮气气氛中按300℃×6h/400℃×4h渗金属,可获得较好的减摩、耐磨效果

在Al合金(LY12)表面先刷镀一层Cu(厚度0~9μm)+In(厚度16μm),然后在空气中按140℃×4h/160℃×2h的工艺渗金属,所得到的镀层的摩擦学性能与Cu镀层厚度的关系见下图。摩擦学试验是在改进的MPX-200型试验机上进行的。对偶为GCr15(62HRC),30#机械油润滑,试验时间30min,结果表明,在该试验条件下,LY12基材刷镀4μmCu+16μmIn后实施渗入工艺的效果最好

b1d7d61c

b1d7d61d

1—300N,370r/min;2—400N,370r/min;3—500N,370r/min;4—400N,549r/min;5—400N,1102r/min

金属塑料复合材料

类别

性  能  和  应  用

PTFE-钢背复合材料

金属塑料复合材料又称为“背衬型润滑材料”、“三层复合自润滑材料”。它由钢背-多孔青铜-高分子润滑材料复合而成。其力学性能相当于钢,摩擦学性能相当于高分子材料。具有机械强度高、摩擦因数小、耐磨性好、热膨胀小、导热性优良等特点。这类材料目前已有很多种,其中应用得比较广泛而有效的有PTFE-钢背和聚甲醛-钢背,国外分别称其为DU材料和DX材料。这些材料适于制作轴套、衬套、垫片、导轨、滑板和半球碗等机械零件

(1)PTFE-钢背复合材料(DU材料)

DU材料由英国Glacier金属公司发明,其应用很广。国产的选用10钢或08F低碳钢冷轧钢板,厚度一般在0.5~3.0mm,其上镀厚度为10~15μm的Cu,而后采用黏结的方法敷0.26~0.35mm厚的球形青Cu粉(粒径0.06~0.19mm),在氢气炉中以840℃±10℃的温度进行烧结。表面层高分子材料主要是PTFE(可填充PbO、硼铅玻璃、SiO2、天然云母、Cr2O3等物),采用辊压烧结(温度375℃±5℃)而成,表面层厚度为0.02~0.06mm。钢背的作用在于提高材料的强度和承载能力,镀Cu是为了提高钢背与青铜中间层之间的结合强度。在摩擦升温时表层的PTFE及其填充物从孔隙中挤出,起到自润滑作用。一旦表面层被磨破后,中间层青铜则直接与对偶接触,可避免严重烧伤

下表是国产的FQ-1(PTFE-钢背复合材料)与英国的DU、美国的Turcite-B(PTFE中添加了50%的青铜粉、MoS2和玻璃纤维等制成的带材)材料的性能比较。试验在Amsler试验机上进行,对偶材料45钢(350HBS),负荷600N,滑动速度25.12m/min,总转数1.5×104r(约1.9km),室温

材   料

干    摩    擦

摩擦因数

摩擦力矩/N·m

磨痕宽度/mm

FQ-1

含5%Pb

含10%Pb

含20%Pb

0.153

0.143

0.101

1.89

1.70

1.25

4.92

4.08

3.62

DU

0.142

1.70

2.53

Turcite-B

0.186

2.32

6.70

材   料

全损耗系统用油L-AN46润滑

摩擦因数

摩擦力矩/N·m

磨痕宽度/mm

FQ-1

含5%Pb

含10%Pb

含20%Pb

0.024

0.027

0.025

0.30

0.35

0.30

3.33

2.92

3.26

DU

Turcite-B

0.046

0.65

2.81

0.36

0.44

4.63

(2)钢背-青铜粉-PTFE复合材料(C2)、钢背-青铜粉-(PTFE+Co2O)复合材料(D2)、钢背-青铜粉-(PTFE+Pb)(E2)

①三种PTFE基自润滑复合材料轴承的摩擦因数与负荷变化的规律如图a所示。初期,摩擦因数随负荷的增大而不同程度增大,这是其表面层因磨损而露出铜粉逐渐增多的结果,而后,由于PTFE受热膨胀被挤出,摩擦因数又随负荷的增大而减小。三种材料中含Pb表面层的摩擦因数最小,含CuO的最大,说明填充Pb能降低复合材料的摩擦因数,而填充CuO2却增大了摩擦因数

在MPV-1500试验机上采用逐级加载法(每隔10min增加一级负荷)。在干摩擦和运动速度为1m/s的情况下试验

b1d7d62a

②在全损耗系统用油L-AN32(20#机油)润滑条件下,三种材料的摩擦因数可比干摩擦条件低1~2个数量级,摩擦因数都随负荷和速度的增大而减小。另外试验表明,填充PTFE的耐磨性比纯PTFE的要好;在油润滑条件下,C2的极限pv值可达到128MPa·m/s,D2、E2的在135MPa·m/s以上,而在干摩擦下三种材料的极限pv值在9MPa·m/s以下。三种PTFE基复合材料轴承在不同速度下摩擦因数随负荷的变化曲线如图b~图d所示

b1d7d62b

DX材料

(3)聚甲醛-钢背复合材料(DX材料)

它由钢背、多孔青铜和在多孔结构上滚压的表面层三部分组成。表面层是约500μm厚的聚甲醛层,其上压有许多凹痕以储存油、脂等润滑剂

这种材料在使用前必须涂敷润滑剂进行预润滑,它兼有高承载能力和低摩擦因数,适于在高速运动的摩擦构件中应用。含油聚甲醛-钢背复合材料的静承载能力约140MPa,在速度为22m/min时能承受大于10MPa的载荷

在干摩擦条件下,DX材料的摩擦学性能不理想。在油脂润滑条件下,它的跑合磨损很小,几乎与稳定磨损相当。在油脂消耗到一定程度后,磨损便逐渐加大。若加油的间隔时间合适,材料的使用寿命可大为延长

黏结固体润滑膜

类别

性能和应用

黏结固体润滑膜

黏结固体润滑膜是将固体润滑剂分散于有机或无机黏结剂中,采用喷涂、刷涂或浸涂等方法涂敷于摩擦表面上,经固化而成的膜。干膜厚度一般为20~50μm,厚的可大于100μm。干膜具有与基体相同的承载能力,摩擦因数通常在0.05~0.2之间,最小可达0.02。因其可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原和强辐射等环境下有效地润滑,而获得了从民用机械到空间技术等各个方面的广泛应用

1.有机黏结固体润滑膜

(1)环氧树脂黏结干膜

以环氧树脂为黏结剂、EMR为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯为添加剂与固体润滑剂MoS2所组成的干膜具有较好的摩擦学性能。按环氧树脂∶邻苯二甲酸二丁酯∶固化剂∶MoS2(质量)=1∶0.07∶0.072∶(3~4)的配比在不锈钢表面进行喷涂,常温下固化5天,而后在MHK-500型环-块试验机上进行摩擦学性能测定。在负荷327N、转速1000r/min下,其摩擦因数为0.07~0.16,磨损寿命为144~212m/μm。根据“协同效应”,在MoS2中添加石墨,MoS2与石墨的质量比为(4~15)

∶1。按环氧树脂∶邻苯二甲酸二丁酯∶固化剂∶(MoS2+石墨)(质量)=1∶0.07∶0.072∶3.5的配比,以同样的方法制备干膜。在同样的测试条件下,测得的摩擦因数基本相同,但磨损寿命却增加到186~274m/μm。不同的基材影响着干膜的黏着强度。干膜如果浸泡在油中会降低其耐磨性

以环氧树脂为黏结剂、环氧丙烷丁基醚为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯为添加剂,并添加各种填充剂和固体润滑剂所组成的HNT涂层系列配方见右表。基材表面涂敷该涂层后,在常温下固化24h后即可投入使用。为增加涂层的结合强度,在涂层固化时应对其施加约0.1MPa的压力。在龙门铣床的铸铁导轨表面涂敷HNT涂层,按正常条件运行,其年磨损量为5~7μm

 

配方号及加入量

组分

HNT11-J5

HNT17-5

HNT20-1

HNT21-4

加入量/g

环氧树脂(6101)

100

100

100

100

邻苯二甲酸二丁酯

10

10

15

15

环氧丙烷丁基醚

12

10

10

15

气相二氧化硅

2

1

2

1

铁粉

25

15

25

15

二氧化钛

 

30

15

30

MoS2

100

80

80

80

石墨

25

20

20

20

总量

274

266

267

276

类别

性能和应用

黏结固体润滑膜

1.有机黏结固体润滑膜

(2)聚双马来酰亚胺干膜

几种这类干膜的性能如下表:

组成(质量)

室温下性能

真空下性能

说明

膜厚

/μm

摩擦因数

磨损寿

命/m·

μm-1

膜厚

/μm

摩擦因数

磨损寿

命/m·

μm-1

氟化石墨∶树

脂=0.5∶1

33

35

0.04~0.07

0.03~0.07

612

602

       

本表是以聚(氨基)双马来酰亚胺树脂为黏结剂,氟化石墨、MoS2和石墨为固体润滑剂,二甲基甲酰胺为稀释剂,喷涂在不锈钢表面静置12h,然后在240℃固化3h而成的几种干膜的性能

在室温下和高真空(133.322×10-6Pa)下的试验条件为:负荷25MPa,滑动速度1.25m/m,可见,室温下IF-3干膜有优良的摩擦学性能;高真空下氟化石墨黏结膜的性能不如MoS2黏结膜,但优于石墨黏结膜

聚(氨基)双马来酰亚胺树脂具有聚酰亚胺的优良力学性能,且价格低,能溶解在一些有机溶剂中

氟化石墨∶树

脂=0.6∶1

54

43

0.04~0.07

0.04~0.09

777

870

41

44

0.02

0.02~0.03

69

86

IF-3

氟化石墨∶树

脂=0.7∶1

42

52

0.05~0.09

0.05~0.11

462

452

       

氟化石墨∶

树脂=1∶1

59

54

0.04~0.08

0.03~0.07

238

274

       

MoS2∶树脂

=1.52∶1

38

39

0.05~0.13

0.08~0.10

72

84

29

37

0.01~0.02

0.01~0.03

258

126

 

石墨∶树脂

=0.6∶1

37

31

0.06~0.07

0.05~0.09

662

707

47

0.26

13

 

黏结固体润滑膜

1.有机黏结固体润滑膜

以聚双马来酰亚胺为黏结剂,固体润滑剂为氟化石墨+MoS2及氟化石墨+石墨,分别制成的IF-1及IF-2干膜,其使用温度可达300℃,蒸发率低,且有耐辐射能力。IF干膜已成功用于航天工业机械的防冷焊和润滑

以改性聚酰亚胺树脂为黏结剂,在固体润滑剂MoS2中添加Sb2O3,在300℃下固化2h所制备的干膜称为PI干膜。其组成(质量)为聚酰亚胺∶MoS2∶Sb2O3=1∶3∶1。可用于-178~300℃温度范围及真空条件下,其磨损寿命为270m/μm

用环氧树脂来改性聚双马来酰亚胺使聚合物的综合性能进一步提高,以其作为黏结剂,MoS2作润滑剂,二甲苯和间甲酚为溶剂,喷涂后,在200℃下固化3h,形成的干膜称为DMI-2干膜。它比以聚双马来酰亚胺为黏结剂的DMI-1干膜(润滑剂、溶剂和制备过程均与前者相同,仅改在240℃下固化3h)的摩擦学性能进一步提高。在高真空下测试DMI-2干膜也表现出良好的摩擦学性能

(3)粉末喷涂黏结干膜

粉末喷涂聚合物基固体润滑黏结膜具有与悬浮液涂层膜相同的摩擦学性能,可以实现100%固体粉末的喷涂。膜厚100~300μm,有较好的弹性和韧性。喷涂方法可采用流化床法、高压静电喷涂法、粉末电泳法、氧-乙炔火焰喷涂法等。用作黏结剂的聚合物有聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚酰胺(尼龙)等热塑性树脂和环氧、酚醛、聚氨酯等热固性树脂。以聚酰胺作黏结剂的粉末喷涂干膜,常根据基体工况要求再添加其他材料组成复合膜

添加物质

可提高干膜的

环氧树脂

黏结强度(如尼龙1010由10.6MPa提高到64.1MPa)

Al粉或Cu粉

导热性和抗压强度

石英粉(或刚玉粉)

硬度、强度和耐热性等

不同组成的干膜

可用于

(由)尼龙粉+石英粉(组成的干膜)

发电机驱动轴轴承

尼龙粉+MoS2粉+Cu(Al)粉

滑动轴承、凸轮轴、纺织机械和车床主轴等

尼龙粉+MoS2粉(或MoS2+石墨)

机床导轨、滑动轴承、柴油机的活塞等

尼龙粉+玻璃粉

发动机汽缸套

尼龙粉+环氧树脂粉等

水力机械的轮机和水泵叶片和轴等

尼龙1010粉(100份)+MoS2粉(50份)经常温冷喷涂或180~200℃热喷涂

齿轮箱、光杠、丝杠等

低压聚乙烯(90份)+MoS2粉(10份)经热喷涂(聚乙烯熔融后喷涂)

车床的挂轮箱、溜板箱和尾座等

在耐热、耐多种酸碱和溶剂的氯化聚醚中,添加MoS2、石墨和PTFE等

化工池槽内壁、输液管道、齿轮的耐磨涂层、铝质旋塞的密封涂料等

2.无机黏结固体润滑膜

无机黏结固体润滑膜是以硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等无机盐以及陶瓷、金属等作黏结剂的黏结型润滑材料。虽然具有使用温度宽、耐辐射、真空出气率低、与液氧液氢的相容性好等优点,但因存在脆性大、耐负荷性差、摩擦学性能不如有机膜等不足,目前多数限于在特殊工况(如液氧液氢介质、特殊高温、忌有机蒸气污染的航天机械等)下使用

(1)SS-2干膜

在硅酸盐黏结干膜中,以硅酸钾为黏结剂,MoS2和石墨为润滑剂,水作稀释剂的黏结干膜称为SS-2干膜。该膜适于-178~400℃温度范围内工作。在不锈钢上喷涂40~50μm厚的这种干膜,在TimKen试验机上,以负荷315N、速度2.5m/s的条件试验,其摩擦因数为0.06~0.08,平均磨损寿命为120m/μm。在60Co源的射线下累积辐照量达6.8×108R(伦琴)后,7次试验的平均磨损寿命100m/μm。SS-2干膜具有良好的储存稳定性,可以满足液氧输送泵轴承的润滑要求

(2)SS-3干膜

以硅酸钾为黏结剂,MoS2、石墨和银粉为润滑剂,水作稀释剂的黏结干膜称为SS-3干膜。该膜的耐磨性优于SS-2干膜

(3)SS-4干膜

在SS-3干膜基础上通过改进工艺制成的

该膜在TimKen试验机上,以负荷320N、转速1000r/min的条件做试验,测得其摩擦因数为0.09~0.016,平均磨损寿命为206~417m/μm(膜厚20~50μm,室温)。在环-块试验机上的测定表明,它的摩擦因数随负荷和速度的增加而减小,磨损寿命随负荷和速度增加而降低。在CZM型真空试验机上对10~20μm的SS-4干膜进行摩擦学性能测定(真空度133.322×10-6Pa,负荷15MPa,滑动速度10m/s,栓、盘材料均为不锈钢),结果由下图可见,该膜在真空条件下的摩擦因数随负荷和速度的增加而减小,磨损寿命随负荷和速度的增加而降低。由于薄的SS-4干膜的耐磨性较好,所以可以用在滚动轴承和精度要求较高的相对运动部件上

以磷酸盐为黏结剂,石墨、氟化石墨和BN为固体润滑剂,水为稀释剂的黏结干膜是为了在室温到700℃的宽范围内使用而研制的。在650~700℃的温度下,该干膜的摩擦因数很小,但耐磨性很差。将干膜喷剂进行表面活化处理后再进行喷涂可提高干膜的结构强度和耐磨性

对于黏结固体润滑干膜的润滑和失效机理的某些研究得出:一般黏结固体润滑干膜的磨损寿命受速度的影响比负荷的影响更敏感,即润滑膜在重负荷、低速度下的使用寿命长于在同样pv值 下低负荷、高速度下的耐磨寿命;部分黏结固体润滑干膜的磨损过程主要是由于摩擦过程中所产生的小气泡的作用,气泡的形成、扩大和破裂是这部分润滑膜的主要 失效过程;在摩擦对偶表上可看到转移膜的形成及其性质是影响润滑膜摩擦学性能的重要因素之一,如在摩擦中能迅速在对偶面上形成与基材结合良好的均匀转移 膜,则摩擦因数就低而稳定,耐磨寿命长

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3.应用

(1)在高低温条件下的应用

由于这类干膜在适用温度范围内无相的变化,且摩擦因数比较稳定,因而被广泛用于解决润滑油脂所无法解决的高低温机械的润滑和防粘问题。在从-200℃下的极低温到接近1000℃的高温下都有可供使用的黏结固体润滑干膜。如各类发动机(包括火箭发动机)的高温滑动部件、远程炮炮膛、热加工模具、炼钢机械、耐高温烧蚀紧固件等;低温下的火箭氢氧发动机涡轮泵齿轮和超导设备的有关部件等

(2)在高负荷条件下的应用

由于含MoS2和石墨等层状固体润滑剂的干膜的耐负荷性超出极压性能好的润滑油脂的10倍以上,且长期静压后不会从摩擦面流失,因而可解决许多高负荷下的润滑难题,如鱼雷舵机蜗轮蜗杆组件、坦克支承传动系统、大型桥梁与立体高速公路支承台座、建筑减振支承移动系统等润滑,以及机床卡盘和金属冷热加工模具的润滑

3)在真空机械中的应用

由于润滑油脂在真空中会急剧蒸发干燥而失效,因而可考虑选用黏结固体润滑涂层。含MoS2的黏结固体润滑膜在其他条件相同的情况下,其在真空中的摩擦因数约为大气中的1/3,耐磨寿命比大气中长几倍甚至几十倍,是真空机械的首选品种。例如,人造卫星上的天线驱动系统、太阳电池帆板机构、星箭分离机构及卫星搭载机械等都使用了黏结固体润滑涂层技术

(4)在其他方面的应用

这类干膜还具有耐蚀、防污、减振和降噪的作用。某些黏结固体润滑干膜的耐蚀性能甚至与某些耐蚀涂料相当;纺织机械、复印机、印刷机等设备采用固体润滑干膜,解决了污染问题,使产品质量明显提高;汽车等车辆采用黏结固体润滑涂层能明显降低振动和噪声;钟表和电子仪表传动机构、照相机快门机构、计算机磁盘和电子音像设备磁带驱动机构等采用黏结固体润滑涂层使其反应灵敏,精度得到大幅度提高。此外,这类干膜还可以作为动密封材料、非金属材料的润滑材料以及辐射环境和水介质环境下的润滑材料

以提高疲劳强度等综合性能的表面复合涂层

类别

性    能    与    应    用

复合表

面化学

热处理

(1)渗碳淬火与低温电解渗硫复合处理

先将零件按技术条件要求进行渗碳淬火,表面获得高硬度、高耐磨性和较高的疲劳性能,然后再将零件置于温度为190℃±5℃的盐浴中进行电解渗硫。盐浴成分为75%KSCN+25%NaSCN①,电流密度为2.5~3A/dm2,时间为15min。渗硫后获得复合渗层,渗硫层为多孔鳞片状的硫化物,其中的间隙和孔洞能储存润滑油,因此具有很高的自润滑性能,有利于降低摩擦因数,改善润滑性能和抗咬合性能,减少磨损

(2)渗碳加渗铬

可增加碳化物层厚度,渗层下没有贫碳区,复合渗层具有高的硬度、疲劳强度、耐磨性、热稳定性和在各种介质中的耐蚀性(包括在铝合金、锌合金熔体的侵蚀性)

(3)Al-Cr共渗及复合渗

粉末法:1025℃,10h,渗层厚度:10钢,0.37mm;1Cr18Ni9Ti,0.22mm。共渗用于提高钛、铜及其合金的热稳定性,提高工件抵抗冲蚀磨损和磨料磨损的能力,可用廉价钢种Al-Cr共渗代替高合金钢。复合渗主要用于防止高温气体腐蚀,提高工件持久强度和热疲劳性,如燃气轮机叶片、燃烧室及各种耐热钢制零件

(4)Al-Cr-Si共渗及复合渗

提高热稳定性和耐蚀、耐冲蚀磨损能力。对镍基热强合金,比单独渗Al的热稳定性提高50%,并有较高的热疲劳抗力;该渗层可用于保护中碳、高碳钢在硝酸、氯化钠水溶液中免受腐蚀;可使某些合金的耐蚀、耐磨损抗力提高1~5倍。如用于防止直升机钼制发动机叶片的氧化,叶片边缘处温度可达1500~1600℃

表面热

处理与

表面化

学热处

理的复

合强化

液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化:液体碳氮共渗可提高工件的表面硬度、耐磨性和疲劳性能,但有渗层浅、硬度不理想等缺点。将液体碳氮共渗后的工件再进行高频感应加热表面淬火,则表面硬度可达60~65HRC,硬化层深度达1.2~2.0mm,零件的疲劳强度也比单纯高频淬火的零件明显增加,其弯曲疲劳强度提高10%~15%,接触疲劳强度提高15%~20%

热处理

与表面

形变的

复合

强化

(1)普通淬火回火与喷丸的复合处理

该工艺在生产中应用很广泛,如齿轮、弹簧、曲轴等重要受力件经淬火回火后再经喷丸表面形变处理,其疲劳强度、耐磨性和使用寿命都有明显提高

(2)复合表面热处理与喷丸的复合处理

例如离子渗氮后,经过高频表面淬火再进行喷丸处理,不仅使组织细致,而且还可以获得具有较高的硬度和疲劳强度的表面

(3)渗碳加强力喷丸的复合处理

可以提高变速箱齿轮等工件的疲劳强度、寿命和可靠性,尤其是表面能获得大量残余奥氏体的渗碳工艺经喷丸强化可使工件具有很好的疲劳性能

(4)渗碳加碳氮共渗,再加工硬化(压延、喷丸等)

在渗碳后加碳氮共渗,以期在随后的淬火中在表面形成大量的残余奥氏体,然后通过压延使表面进一步硬化。这种复合处理能形成很硬而又富有韧性的表层,提高了使用寿命,并获得很高的疲劳强度

镀覆层

与热处

理的复

合强化

(1)铜合金先镀7~10μm锡合金,然后加热到400℃左右(铝青铜加热到450℃左右)保温扩散,最表层是抗咬合性能良好的锡基固溶体,其下是Cu3Sn和Cu4Sn,硬度450HV(锡青铜)或600HV(含铅黄铜)左右,提高了铜合金工件的抗咬合、抗擦伤、抗磨料磨损和黏着磨损性能,并提高表面接触疲劳强度和耐蚀能力

(2)在渗铝前进行镀镍、镀铂(有时渗铂、渗铌)可以在金属表面形成一层扩散屏障,以阻滞在高温条件下铝的二次扩散,提高渗层的使用寿命。如527铁基合金先镀镍,然后进行750℃×(6~8)h的粉末渗铝,形成40~70μm的镀镍渗铝层(由FeAl3、Fe2Al5、Ni2Al3组成),硬度850~1000HV;若采用铝铬共渗,则层厚为25~35μm。800℃×100h氧化试验,未经处理表面、渗铝、镀镍+渗铝、镀镍+铝铬共渗的增重依次为:37.8g/m2、5.6g/m2、1.9g/m2和2.8g/m2。铝铬共渗前渗钽用于镍基和钴基合金,可有效防止铝铬共渗层的再扩散,明显提高渗层的高温疲劳强度和抗高温氧化、硫蚀性能

(3)铜、青铜和黄铜进行镀锡镉(或锑)热扩散复合处理。一般镀7~10μm Sn、Cd或Sb,铝青铜基体加厚至10~12μm,在空气中加热至410~430℃,保温8~14h,表面呈抗咬死性能良好的Cu-Sn-Cd合金薄层,其下是Cu2Sn、Cu4Sn等化合物,硬度为480~600HV,镀渗层厚度约30μm,在大气、海水及矿物油中耐蚀。在Felex摩擦磨损试验机上进行摩擦学性能试验:铜合金销子与经渗碳、淬火、回火的15CrNi3A钢V形块之间摩擦速度为0.1m/s,经镀锡镉(或锑)扩散处理的QSn12和HPb59-2的摩擦学性能显著提高,同时提高了接触疲劳强度

含激光

处理的

复合

强化

与激光相变硬化相复合表面处理:为了修复严重磨损的轴头,先用D132焊条(含C 0.34%,Cr 3.00%,Mo 1.40%)进行堆焊,后再进行激光相变硬化处理,并比较了高频感应加热淬火、激光强化、堆焊后激光强化三种试样的接触疲劳寿命。其中单纯激光强化采用的优化参数为:激光功率P=2000W,扫描速度v=300mm/min,光斑直径D=5mm;堆焊后的激光强化所采用的优化参数为:P=2000W,v=600mm/min;D=5mm。结果证明,堆焊后激光强化试样在各种接触应力下的接触疲劳寿命均最高[轴头为履带重载车辆悬挂装置的细长零件扭力轴(长2.18m),由45CrNiMoVA钢制造,轴头热处理硬度不低于50HRC,与支座中的滚柱直接接触。由于工作条件恶劣,轴头容易磨损]

① KSCN和NaSCN分别为硫氰化钾和硫氰化钠。

陶瓷涂层

陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为原料,用各种方法涂敷在金属等基材表面而使之具有耐热、耐蚀、耐磨以及某些光、电等特性的一类涂层。它的主要用途是作金属等基材的高温防护涂层。

陶瓷涂层的分类和选用

陶瓷涂层的分类

陶瓷涂层的选用

1.按涂层物质分

2.按涂敷方法分

3.按使用性能分

必须考虑下列因素

1)玻璃质涂层。包括以玻璃为基与金属或金属间化合物组成的涂层、微晶搪瓷等

2)氧化物陶瓷涂层

3)金属陶瓷涂层

4)无机胶黏物质黏结的陶瓷涂层

5)有机胶黏剂黏结的陶瓷涂层

6)复合涂层

1)高温熔烧涂层

2)高温喷涂涂层。包括火焰喷涂、等离子喷涂、爆震喷涂涂层等

3)热扩散涂层。包括固体粉末包渗、气相沉积渗、流化床渗、料浆渗涂层等

4)低温烘烤涂层

5)热解沉积涂层

1)高温抗氧化涂层

2)高温隔热涂层

3)耐磨涂层

4)热处理保护涂层

5)红外辐射涂层

6)变色示温涂层

7)热控涂层

1)涂层与基材的相容性和结合力

2)涂层抵御周围环境影响的必要能力

3)在高温长时间使用时,涂层与基材的相互作用和扩散应避免基材性能的恶化,同时要考虑选择能适应基材蠕变性能的涂层

4)高温瞬时使用的涂层应避免急冷急热条件下发生破碎或剥落

5)选择最适合的涂敷方法

6)选择最佳的适用厚度

7)确定允许的储存期和储运方法

8)涂层的再修补能力

陶瓷涂层的工艺

类  型

特    点

几种典型涂层

(一)熔烧

釉浆法

搪瓷是其典型代表。该方法的优点是涂层成分变化广泛,质地致密,与基材结合良好;缺点是基材要承受较高温度,有些涂层需在真空或惰性气氛中熔烧

溶液陶

瓷法

它是将涂层成分中各种氧化物先配制成金属硝酸盐或有机化合物的水溶液(或溶胶),喷涂在一定温度的基材上,经高温熔烧形成约1μm厚的玻璃质涂层;如需加厚,可重复多次涂烧。其优点是熔烧温度比釉浆法低,但涂层薄,并且局限于复合氧化物组成

(二)

高温喷涂

火焰喷涂法

它是用氧-乙炔火焰将条棒或粉末原料熔融,依靠气流将陶瓷熔滴喷涂在基材表面形成涂层。其优点是设备投资小,基材不必承受高温,但涂层多孔,涂层原料的熔点不能高于2700℃,涂层与基材结合较差

火焰喷涂氧化铝涂层

涂层原料:质量分数为98%的Al2O3,f 2.5mm,棒料

喷涂工艺参数:O2,0.12~0.20MPa;C2H2,0.1~0.15MPa;空气,0.4~0.6MPa性能:涂层气孔率8%~9.5%;涂层抗折强度31~33MPa;涂层热导率(6.4~7.0)×10-3W/(cm·℃)(在400~750℃范围);涂层线胀系数7.4×10-6℃-1(在20~1000℃范围);氧化气氛中长期使用最高温度1200℃,瞬时温度低于2000℃

用途:隔热、防热、耐磨零部件,如柴油机活塞、阀门、汽缸盖,熔炼金属用坩埚内表面,铸造合金泵、柱塞、高温滚筒等

等离子喷涂法

它是用等离子喷枪产生的1500~8000℃高温,以高速射流将粉末原料喷涂到工件表面;也可将整个喷涂过程置于真空室中进行,以提高涂层与基材的结合力和减少涂层的气孔率。它适用于任何可熔而不分解、不升华的原料,基材不必承受高温,喷涂速度较快,但设备投资较大,又不太适用于形状复杂的小零件,工艺条件对涂层性能有较大影响

等离子喷涂涂层

1)Al2O3涂层:用于耐磨、耐蚀、硬度较高、电绝缘、低热导、抗急冷急热性零部件

2)Cr2O3涂层:用于高温耐磨、耐蚀零部件

3)Al2O3+TiO2涂层:用于耐磨、耐蚀零部件

4)WC+Co涂层:用于高温耐磨、耐蚀零部件

5)Cr3C2+NiCr涂层:用于高温耐磨、耐蚀零部件

6)TiO2+ZrO2+Nb2O5涂层:用于红外加热元件的涂层

7)ZrO2+NiO+Cr2O3涂层:用于红外加热元件的涂层

8)ZrO2+金属涂层:用于低热导、抗急冷急热的零部件

9)ZrO2涂层:用于隔热、抗金属熔体侵蚀的零部件,也可用于一些生物体的表面层

10)生物玻璃涂层:用于生物体的表面层

11)羟基磷灰石涂层:用于生物体的表面层

12)NiCr、NiAl、NiCrAly涂层:常用于金属基材与陶瓷涂层之间的过渡层

爆震喷涂法

它是用一定混合比的氧-乙炔气体在爆震喷枪上脉冲点火爆震,即以脉冲的高温(约3300℃)冲击波,夹带熔融或半熔融的粉末原料,高速(800m/s)喷涂在基材表面。其优点是涂层致密,与基材结合牢固,但涂层性能随工艺条件变化大,设备庞大,噪声达150dB,对形状复杂的工件喷涂较困难

爆震喷涂涂层

(1)Al2O3涂层

气孔率1%~2%;抗折强度132MPa;线胀系数7.0×10-6℃-1(70~1800℃范围);显微硬度1000~1200HV(载荷2.95N);与1Cr18Ni9不锈钢基材结合强度23.1MPa;氧气氛中最高使用温度1000℃。用于耐磨、耐蚀、抗氧化零部件

(2)WC+(13%~15%)Co金属陶瓷涂层

气孔率0.5%~1.0%;抗折强度590~657MPa;线胀系数8.1×10-6℃-1(70~1000℃范围);显微硬度1150~1250HV(载荷2.95N);氧气氛中最高使用温度500~550℃。用于耐磨、抗冲击、抗急冷急热性的零部件

(三)

热扩

气相或

化学蒸

气沉积

扩散法

它是将涂层原料的金属蒸气或金属卤化物经热分解还原而成的金属蒸气,在一定温度的基材上沉积并与之反应扩散形成涂层。其优点是可以得到均匀而致密的涂层,但工艺过程需在真空或控制气氛下进行

热扩散涂层

它主要是难熔金属及其合金的硅化物涂层和高温合金的铝化物涂层,共同特点是防护金属基材而使之具有高温抗氧化性。例如

(1)钼及钼合金的二硅化钼涂层

钼及含钛的钼合金,用气相热扩散法,在1000~1250℃含质量分数为40%的SiCl4的氢气中热扩散10~240min,基材表面形成MoSi2涂层

(2)铌合金的热扩散硅化物涂层

Nb-10W-25Zr的铌合金用S-20Cr-20Fe料浆在真空(0.1Pa)、137℃热扩散1h,得到厚约90μm的多元硅化物涂层;外层的NbSi2为主相,中间层为复杂硅物相,内层以Nb5Si3为主相

(3)钽合金的热扩散硅化物涂层

Ta-10W合金用Si-20Ti-10Mo料浆在真空(0.1Pa)、1370~1400℃热扩散1h,得到厚约100μm的硅化物涂层

(4)铁基合金的铝化物涂层

铁锰铝铸造合金(Fe基,其他合金的质量分数为:Al3.3%,Mn30%,W+Mo+V+Nb5.95%,C0.4%,B0.1%,RE0.15%,Si<0.35%,P+S<0.035%)采用40铁铝粉(Fe50%、Al50%)、10%Al、50%Al2O3料浆(外加2%硝化纤维素,与适量的稀释剂丙酮-酒精,一起球磨混合50h),在氩气包箱内经700℃、10h热扩散,得到20~25μm的多元铝化物涂层,外层以FeAl3相为主,中间层以FeAl和Fe3Al为主相,内层以Fe3Al相为主

(5)K3镍基高温合金的铝化物涂层

K3镍基高温合金(Ni67%,Al5.6%,Cr10.4%,Ti2.7%,Fe0.22%)用50%Al、50%Fe的铁铝粉(加质量分数为1%~3%的NH4Cl)在氩气包箱中950℃热扩散90min,这样的粉末包埋渗涂法处理后得到厚约20~40μm的铝化物涂层。它是单一层,以Ni2Al3及NiAl为主相

(6)钢和不锈钢的热扩散铝化物涂层

可用粉末包埋热扩散、液相热扩散、喷涂铝后的热扩散等方法得到不同厚度的铝化物涂层,用于各种耐温、耐蚀零部件

固相热

扩散法

(粉末包埋渗

镀法)

是将原料粉末与活化剂、惰性填充剂混合后装填在反应器内的工件周围,一起置于高温下,使原料经活化、还原而沉积在工件表面,再经反应扩散形成涂层。其优点是设备简单,与基材结合良好,但涂层组成受扩散过程限制

液相扩

渗法

它是将工件浸入低熔点金属熔体内,或将工件上的涂层原料加热到熔融或半熔融状态,使原料与基材之间发生反应扩散而形成涂层。其优点是适合于形状复杂的工件,能大量生产,但涂层组成有一定的限制,需进行热扩散及表面处理附加工艺

流化

床法

它是涂层原料在带有卤素蒸气的惰性气体流吹动下悬浮于吊挂在反应器内的工件周围,形成流化床,并在一定温度下,原料均匀地沉积在工件表面,与之反应扩散,形成涂层。流化床加静电场还可进一步提高涂层的均匀性。这种方法的优点是工件受热迅速、均匀,涂层较厚、均匀,对形状复杂的工件也适用。其缺点是需消耗大量保护气体,涂层组成也受一定的限制

(四)低温

烘烤

它是将涂层原料预先混合,再与无机黏结剂或有机黏结剂及稀释剂等一起球磨成涂料,用喷涂、浸涂或涂刷等方法涂敷在工件表面,然后自然干燥或在300℃以下低温烘烤成涂层。其优点是设备、工艺简单,化学组成广泛,基材不承受高温,基材与涂层之间有一定的化学作用而结合较牢固,但含无机黏结剂的涂层一般多孔,表面易沾污,含有机黏结剂的涂层一般耐高温性能较差

低温烘烤陶瓷涂层(又称陶瓷涂料)

(1)热处理保护陶瓷涂料

例如1306高抗氧化防脱碳陶瓷涂料,是用氧化铝粉(约45份)、氧化硅粉(约45份)、碳化硅粉(约10份)、硅酸钾(约10份)与水球磨混合成涂料,用喷、浸、刷等方法涂敷在去锈脱脂的干燥工件表面,形成厚0.1~0.3mm的涂层

(2)高温隔热陶瓷涂料

例如用刚玉、镁砂、氧化铬等粉末作陶瓷基料,加磷酸铝黏结剂和水,混合后涂敷于玻璃钢表面,在100~200℃固化成涂层,能在2000℃下瞬时使用

(3)示温变色陶瓷涂料

有单变色型、脱水变色型、多变色型等。例如用镉红、锶黄、氧化铝、偏硼酸钠、碳酸钡、三氧化二钴作基料,加环氧改性有机硅树脂(黏结剂)和二甲苯或二甲苯与异丁醇(稀释剂),配成多变色型陶瓷涂料,220℃时绿变棕;550℃时红棕变红黄;550~600℃时红黄变青黄;600~700℃时青黄变浅棕;700~800℃时浅棕变浅绿;800~900℃时浅绿变蓝绿

(4)红外辐射陶瓷涂料

它以红外波发射率较高的陶瓷粉末为基料,以水玻璃或有机硅树脂为黏结剂,水或有机溶液为稀释剂,均匀混合形成涂料,涂敷于金属、陶瓷或耐火材料表面。这种涂层有明显的节能效果。具体配方较多,下表为某些因素对红外辐射涂料性能的影响

(五)热解

沉积

它是将原料的蒸气和气体在基材表面上高温分解和化学反应形成新的化合物,定向沉积形成涂层。其优点是涂层与基材结合良好,涂层致密,但基材需加热到高温,仅适用于耐热结构基材,并且涂层内应力高,需退火

某些因素对红

外辐射涂料性

能的影响

黏结剂含量对涂

料性能的影响

(基料为氧化铁)

氧化铁∶水玻璃∶水

(质量比)

400℃时法向发射率(红外分波段)ε

全辐射

1~14μm

1~8μm

1~4μm

1∶1∶0

0.88

0.89

0.86

0.79

 

4∶3∶0

5∶2.5∶1

20∶5∶9

0.83

0.80

0.76

0.82

0.77

0.72

0.80

0.74

0.69

0.67

0.59

0.47

基料种类对涂料性能的影响(黏结剂为水玻璃)

碳化硅

0.87

0.87

0.86

0.78

氧化铁

0.85

0.84

0.82

0.78

氧化铁经1000℃

煤气充分接触热处理

0.95

0.94

0.93

0.92

涂层厚度对ε的影响

层厚30μm,ε约0.80;层厚60μm,ε约0.86;层厚>70μm,ε约0.88

注:陶瓷涂层种类很多,应用广泛,此处仅简略介绍几种典型的高温无机涂层。

表面(复合表面)技术设计选择的一般原则

表面技术种类很多,特点各异,但使用某些不同表面技术却能达到同一目的,因此,对于具体的工件,如何在众多可用的表面技术中选择一种或加以复合的几种,对工件表面进行处理,获得最佳的技术经济效果,是设计首先要解决的问题。

原则

内  容  要  求

明确工件特点和设计要求

工件的特点和技术要求

工件形状、尺寸大小、厚薄、长短,是否有薄壁或细长件等易变形件,材料热处理状态,表面成分、组织、硬度、加工精度、相应位置精度、表面粗糙度等要求,以及受热的适应程度

工件的工作条件

载荷性质和大小、相对运动速度、润滑条件、工作温度、压力、湿度以及介质等情况

工件的失效情况

失效形式、损坏部位、程度及范围,如磨损量大小,磨损面积、深度,裂纹形式及尺寸,断裂性质及断口形貌,腐蚀部位、尺寸、形貌,表面层状态及腐蚀产物等

工件的制造(或修复)工艺过程

当使用表面技术只是作为工件制造(或修复)工艺流程中的一个或一组工序时,要明确它在其中所处的位置、与前后工序衔接的要求及应采用的工艺措施

工件涂层设计要求

根据涂层受力状态如冲击、振动、滑动及其载荷大小,摩擦与润滑状态,工作介质如氧化气氛,腐蚀介质的成分、含量、温度及其变化状况,可能发生的失效类型等,设计涂层(表面)应具有的耐磨、耐蚀、耐氧化、绝热、绝缘或其他性能,同时设计选择涂层厚度、结合强度、尺寸精度、表面粗糙度等参数

熟悉表面技术相关资料

①表面技术的原理和工艺过程;②采用的材料及所获得的涂层性能(包括耐磨、耐蚀、耐高温、抗疲劳等使用性能以及硬度、应力状态、孔隙率、涂层缺陷等);③涂层与工件的结合形式及结合强度;④工艺对工件的热影响程度;⑤能制备的涂层的厚度范围;⑥对前后处理(加工)的要求与影响

涂覆(改性)工艺和涂层与工件应有良好的适应性

涂层与工件材料

二者的热膨胀系数、热处理状态等物理、化学性能应有良好的匹配性

涂层与工件表面的结合力

涂层与工件表面要有足够的结合力、不起皱、不鼓泡、不剥离;不加速相互间的腐蚀和磨损;不同表面技术中,离子注入层和表面合金元素扩散层没有明显界面;各种堆焊层、熔接层、激光熔覆层和激光合金化涂层、电火花强化层具有较高的结合强度;热喷涂层和黏结涂层结合强度相对较低。参见表涂覆层界面结合的类型、原理和特点

涂层厚度

不同表面技术获得的涂层(或改性层)厚度差别很大,而厚度将影响其使用寿命、结合力及工件和涂层的性能,因此涂层厚度应适应工件及表面技术工艺的要求与可能。例如,离子注入虽然能显著改善表面的耐磨、耐蚀等性能,但在应用中往往嫌其厚度不足,一些重防腐表面多要求具有一定厚度,单一电镀层常显得不够;对于修复还要考虑恢复到所要求的尺寸的可能性,单独使用薄膜技术一般难以满足恢复尺寸的要求。选择可参见表电镀、化学镀不同金属镀层厚度系列和应用范围、表常用转化膜层的厚度系列和应用范围

表面技术工艺影响

所选表面技术的工艺对工件尺寸、性能等影响应不超过允许范围。如采用一些高温工艺,如堆焊、熔接(1000℃左右)、CVD(800~1200℃)等,会因受热过高引起工件变形(对细长、薄壁件尤甚)、工件组织或热处理性能改变;一些电镀工艺会降低材料的疲劳性能或产生氢脆性;镀镉需防止产生镉脆

工艺实施的可行性

考虑表面技术工艺的实施可行性,如工件过大,设备是否配套;与镀膜相关的前后处理工序实施的可能性等

涂层与工作条件、基材、环境的匹配性

1.适应工作条件

1)处于摩擦状态的表面,必须考虑与对偶件的匹配性。多种材料表面与不同对偶组成摩擦副时,呈现出的摩擦学特性和润滑效果是不同的,如匹配不当,摩擦因数会很大,耐磨性会很差,并将发生黏着磨损等现象。在对偶摩擦表面的黏着性倾向方面,经验表明,塑性材料比脆性材料大;单相金属比多相金属大;互溶性大的材料(相同的金属或晶格类型和电化学性能接近)比互溶性小的材料大;金属中单相固溶体比化合物大;金属-金属组成的摩擦副比金属-非金属摩擦副大

2)在与滚珠、滚柱直接接触的轴颈表面,属于具有较高接触应力的工作表面,就不宜采用热喷涂层(一般不适宜在较高接触应力下使用),而应采用适宜在高接触应力下工作的表面热处理层、表面化学热处理层及合金化熔覆层

3)要求高耐磨、高耐蚀及高温等条件下工作的表面或具有高综合性能的表面,由于单一表面技术的局限性往往就需设计或选用适宜的复合表面技术。如在海水全浸或海水飞溅条件下的钢结构表面,采用喷铝+封闭+涂装方法进行保护可获得10年以上的寿命

4)不同涂层的致密程度有较大差别,如粉末火焰喷涂层的孔隙率约为5%~20%,因其具有储油性,可用作一般油润滑摩擦面,但用作要求致密度高的表面必须进行后续处理

2.涂层与基材匹配

在延展性较好的基材表面涂敷耐磨、减摩涂层时,涂层与基材在弹性模量、热膨胀系数、化学和结构上的合理匹配,不仅能使镀层内和界面区的应力减小,而且会增大涂层与基体的结合强度

当涂(膜)层-基体受外力作用时,膜-基体系在弹性模量上的差异将导致其界面应力的不连续。若涂层的弹性模量比基材大,涂层内将会产生较大的应力,如高速钢基材的弹性模量比TiC镀层的小,在加载时会产生较大的应力,而WC基材的弹性模量比TiC涂层的大,故在加载时涂层中产生的应力小

涂层的热膨胀系数应稍大于基材,使其在温度升高时不造成太大的张应力。若基材的热膨胀系数比涂层大,张应力会随温度的升高而增大;相反,则随着温度的升高,压应力会增大

涂层与基材在结构和化学上的合理匹配,能得到较低的界面能和较高的结合强度。理论上分析,涂层与基材的结合强度是两者的内聚能与界面能之差。两者的内聚能越大,结合强度越高。如果涂层与基材在结构上的一致性好,化学结合力大,则两者结构匹配、界面能低、结合强度高。如TiC与WC可以生成无限固溶体,因而TiC镀层与WC基材间有很强的结合力。TiC和Al2O3的化学亲和性也很强,所以通常用TiC作为Al2O3镀层与WC基材的中间层

复合表面技术中的梯度涂层、多层涂层和复合涂层能有效改善单一涂层的硬度与韧性的矛盾,以及膜-基结合强度不高等缺陷。为解决匹配性差的问题,可选用有互溶性的材料相结合,如TiN、TiC及Al2O3。亦可用具有结合界面而使层间得到足够强度的键合的材料相组合,如TiC或TiN和TiB2。在多层涂层中最内层应与基材结合良好,中间层应有足够的硬度和强度,表层则起到耐磨和减摩的作用。在复合镀层中存在大量的低能界面,因而其结合强度、韧性和耐磨性均比单相镀层好

3.性能组合原则

运用复合镀、热喷镀、表面粘涂等方法可制备各种功能的复合材料。复合材料具有优异的综合性能。例如碳纤维与树脂通过复合,不仅可以获得比铝合金和普通钢高得多的比强度和比弹性模量,而且保持了碳和树脂的耐蚀、减摩、耐磨和自润滑特性。按强化相存在的形态,复合材料分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架状复合材料等。按不同方向的性能差异程度可分为多向同性和多向异性复合材料。多种材料的科学组合将同时影响磨损、腐蚀机理及其相应性能

高聚物复合材料通常是硬相分布于软塑料基体中,各组成相的性能及摩擦的工况条件对复合材料的磨损机理起着决定性作用。当硬相对塑料基体的犁沟和切削作用不大时,复合材料的耐磨性与硬度符合混合规律。其体积磨损率,满足以下公式:

/(Hαfα+Hβfβ)

式中,σ为正应力;Hα、Hβ分别为αβ相的硬度值;fα、fβ分别为αβ相占有的体积分数;K为磨损系数,通常受塑性变形、犁沟和切削作用、微裂纹成核传播等因素的影响

当硬相为网状脆性组织时,硬相对基体起着支撑作用,能阻止软相的变形和犁沟与被切削,可使复合材料的耐磨性接近硬相的水平。当硬相为弥散粒子时,正应力小于临界断裂应力,在犁沟宽度小于粒子尺寸时,也会有好的耐磨性

强化相中纤维强化的耐磨性优于颗粒强化,长纤维(纤维纵向尺寸与横向尺寸之比大于20~100)强化的耐磨性优于短纤维,此时复合材料的耐磨性与组织结构的各相异性有密切关系。对耐磨性好的基体组元,强化相的作用不大,而对易磨损的基体组元(如PTFE等),强化相可使磨损率大大降低

金属基复合材料通常也是硬相分布于软基体中,但耐磨性却不一定符合混合规律。其原因有内部存在残余应力,强化相与基体界面上存在着相互作用,强化相尺寸、形貌等不一致。由于磨损机理主要是薄层的塑性变形和断裂,所以影响其耐磨性的主要因素往往不是材料的硬度(有时硬度过高反而会降低材料的耐磨性),而是硬颗粒与基体界面的结合强度。金属基纤维增强复合材料的磨损和摩擦因数也有明显的方向性。纤维轴向与滑动方向一致时的摩擦因数最小,垂直时最大,如B纤维强化的Pb基复合材料。复合材料的致密性对磨损也有影响,如在研究TiB2纤维强化的Fe基复合材料时发现,在磨料磨损的条件下,含5%孔隙率的材料的磨损为无孔隙的2.7倍

金属基复合材料的摩擦学特性和物理、化学、力学性能受强化相与基体界面作用的影响十分明显。例如化学镀Ni-P合金的结构与P含量有关,晶态的低P合金具有较高的耐磨性,而非晶态的高P合金的耐磨性差。这是因为非晶态结构原子间的结合力小。如果将化学沉积Ni-P合金镀层在低于或(和)高于390℃的温度下加热处理到相同的硬度,发现低于390℃处理后的磨损体积明显大于390℃以上处理的磨损体积。低P的Ni-P合金镀层在加热时,晶态固溶体硬度增加,耐磨性也随之变好,至390℃时耐磨性为最好;高P镀层加热时除了固溶体外,还有化合物Ni3P析出,成为机械混合物。在390℃以下加热时,硬度虽然降低,但由于Ni3P相的尺寸变大,耐磨性却有所提高。实践证明,Ni3P相的尺寸较大的组织具有较好的耐磨性。在相同硬度下两相机械混合物组织的耐磨性比单相固溶体好

4.协同效应

单质固体润滑剂中加入另一种(或几种)固体润滑剂,甚至加入非润滑剂物质后,能明显改善其摩擦学性能,这种增强了的润滑效果称为协同效应

例如当石墨与MoS2的质量比为5∶1时,其体系的磨损率最低。如果再加入ZnS和CaF2,则磨损率更低。LaF3与MoS2间同样存在协同效应,这是由于LaF3具有抑制MoS2氧化的作用,可以形成MoS2·nLaF3结构,夺去了MoS2与氧和水键合的机会,但又不破坏MoS2的层状结构。二正丁基磷酸铈(BuC)与MoS2、石墨间也存在协同效应,BuC可阻止空气与MoS2的作用,同时也使石墨与被BuC钝化的金属表面的电化学作用受到了抑制,从而可大大改善润滑膜的摩擦学性能和耐蚀性能。在PTFE中加30%的极性石墨可使其磨损率下降到纯PTFE的1/100~1/80,但摩擦因数增大了;在Pb-石墨体系中加入少量的强氧化剂KMnO4,该体系便具有良好的润滑性能;在石墨系润滑剂中加入NaF能使其在高温下具有良好的耐磨性。一些氧化物与氟化物复合具有协同效应,如NiO-CaF2和ZrO2-CaF2的等离子喷涂涂层在500~930℃的范围内都具有良好的摩擦学性能

耐久性原

则(指使

用寿命)

使用寿命随其使用目的不同,有不同的度量方法。除断裂、变形等工件本体失效外,因磨损、疲劳、腐蚀、高温氧化等表面失效而导致的寿命终结也各有其本身的评价和度量方法:①因磨损失效的机器零件,常用相对耐磨性来评价表面技术的使用效果,即对比其耐久性;②因腐蚀失效的零件,常用其在使用环境下的腐蚀速率来比较其耐久性;③因高温氧化失效的零件常用高温氧化速率来度量其耐高温氧化性能。这些度量与评价方法可参考专门资料。在不同环境下经表面强化的零件的使用寿命的有关资料有待进一步丰富和完善

经济性

原则

分析技术经济性时要综合考虑表面涂敷或改性处理成本和采用表面技术所产生的经济效益与环境效益,即要按照绿色设计与绿色制造的要求,考虑零部件的可再制造性,在材料和工艺上为其多次修复与表面强化创造条件,当其报废时,要便于回收和进行资源化处理

涂覆层界面结合的类型、原理和特点

覆层的冶金结合

覆材与基材的熔化冶金结合

原理

是将覆层材料(覆材)和基体材料(基材)表面加热至熔化状态,通过液-固相作用后,再冷却结晶形成覆层。电弧堆焊是这类结合的典型代表。堆焊时,堆焊材料与基体材料受电弧加热进行熔池冶炼,电弧移开后,熔池冷却结晶形成堆焊层(覆层或焊缝)

特点

焊缝的结晶属于外延结晶。这种由外延结晶形成的覆层的冶金结合,其本质是靠形成的金属键的价键力而结合,具有很高的结合强度。一些拉伸试验表明,覆材与基材的结合强度常会大于覆层的强度

等离子堆焊由于采用温度高、热量集中的等离子弧为热源,可控制基材的熔深,降低稀释率

激光合金化是用高能激光束辐照,使基材表面和覆层合金熔化,凝固后形成新的合金表层

激光熔敷只将基材熔到刚刚足以确保覆层能很好地结合,即激光束使工件上非常薄的表层熔化,该薄液层与液态熔敷合金相混合,并伴随着扩散作用冷凝成合金覆层

电火花熔敷是利用电极与工件之间的电火花放电,使电极和工件材料局部产生熔化,并相互作用而形成合金覆层

上述工艺在熔敷过程中,基材表面的熔化程度和范围有着较大的差别,但其覆层与基体的结合都属于异种材料的冶金结合,都遵循覆材与基材受热熔化与冷却结晶的规律。因为基材的熔化是局部的,所以合金覆层与基材之间都存在一定的半熔化(过渡)区和热影响区,其大小和结构随材料成分、加热方法和速度等而异。它们的工件表面冷却速度变化范围很大。加大冷却速度,可细化晶粒,改变显微组织,形成特殊结构的硬化层。在足够快的冷却速度下(一般为106℃/s以上),将抑制熔化材料的结晶过程,内部原子冻结在接近熔点的液体状态,从而形成类似于玻璃结构的非晶态硬化层。用激光束使金属表层快速熔化并离开,造成与基体间足够大的温度梯度,可形成超细化晶体结构或非晶态金属玻璃

属这类的

表面技术

手工电弧堆焊、埋弧自动堆焊、二氧化碳保护堆焊、等离子堆焊、激光合金化、激光熔敷、电火花涂覆等

熔融覆材和基材的扩散冶金结合

原理

熔结喷涂时,覆材熔化,基材基本不熔化,两者间产生液-固相之间的相互作用,即充分的相互溶解与扩散,形成覆层。其中的主要过程是界面区扩散

特点

氧-乙炔火焰喷熔和真空熔结等熔结技术中,熔融的合金涂料与固态基材表面经历了较为充分的相互溶解与扩散,界面区扩散是其中的主要过程,其结合称为扩散冶金结合。由于也可形成金属键,因而覆层结合牢固。熔结过程一般包括喷涂和熔结两个步骤

所用涂料通常为含有硅和硼的自熔性合金,因此,合金的熔点比大多数钢的熔点低370~430℃。在熔结时,熔融涂料与基材表面之间在热作用下,形成一条狭窄的扩散互溶区,产生类似硬钎焊的扩散冶金结合。与其相近,热浸镀也可得到类似软钎焊的带有冶金结合的覆层

热喷涂是以高速气流将熔融涂料雾化后,喷到工件表面并迅速冷凝而成的。某些涂料,如Al/Ni、Ni/Al合金,熔滴到达基材表面后,放热反应还可持续数微秒,可得到一定程度的扩散冶金结合,但多数涂层是以机械嵌合为主的。故热喷涂层的结合强度约比堆焊、熔结涂层低一个数量级

属这类的

表面技术

各种熔结技术和多种热喷涂技术

采用不同的工艺方法和加热热源可以得到各种不同结合性质的表面覆层。目前常用的热源在正常规范下的温度和能量密度如下表所示。其中激光束等高密度热源可方便地进行上述各种熔敷工艺

几种热源

的温度和

能量密度

热源种类

氧-乙炔焰

手工电弧焊(埋弧焊)

钨极氩弧

等离子弧

电子束

激光束

正常规范下的温度/K

3500

6000(6400)

8000

15000~30000

   

最大能量密度/W·cm-2

2×103

104(2×104)

1.5×104

105~106

108~109

(聚焦)

107~109

(聚焦)

化学溶液沉积镀层结合

原理

是在化学溶液中利用电极反应或化学物质的相互作用,在制件表面沉积成镀层的

特点

电镀、电刷镀、特种电镀如复合电镀、珩磨镀、非金属上电镀是当电流通过电解液时,在阴极基材上沉积金属的过程;阳极氧化是当电流通过电解液时,在阳极基材上形成氧化膜的过程,如铝及铝合金的氧化;化学镀是含有镀膜金属离子的溶液在还原剂的作用下,在具有催化作用的基材表面上沉积成膜的过程;化学转化膜处理是基材表面原子与溶液中阴离子反应,在基材表面形成化合物膜的过程,如氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜等。化学镀和转化膜处理都是在无外电流通过的情况下进行的。与熔池(熔滴)凝固过程相似,电镀等溶液沉积过程,也遵循形核和晶体长大规律,形成具有晶体结构的沉积膜。所不同的是,前者以过冷度为形核生长的动力学条件,后者以阴极极化等为动力学条件。化学溶液沉积在某些条件下亦可形成非晶态沉积膜。一定沉积条件下的镀层不仅可以和基材金属形成金属键连接,而且可以顺着基材金属的晶粒生长,形成外延结晶。因而理想的沉积镀层具有较高的结合强度

属这类的

表面技术

电镀、电刷镀、特种电镀、化学镀、阳极氧化、化学转化膜处理等

气相沉积膜层结合

原理

是在真空条件下镀制薄膜的技术。其中真空蒸镀是将膜材加热蒸发成气体后,在基材表面沉积成膜;溅射镀是利用荷能粒子轰击靶材表面,使溅射出来的粒子在附近的基材上沉积成膜;离子镀是在气体离子或蒸发物离子的轰击作用下进行蒸发镀膜的

CVD是一种化学气相生长法。它把含有构成元素的一种或几种化合物、单质元素供给基材,借助气体作用或在基材表面上的化学反应生成要求的薄膜

特点

真空蒸镀沉积粒子的能量仅为01eV左右,其沉积的薄膜附着能力和密度一般。溅射镀和离子镀是借助电磁场的作用,在气体放电形成的等离子体环境中激活沉积粒子,使其以几电子伏至几百电子伏的能量轰击基体,这样形成的薄膜,其结合性能等得到了明显提高。PVD技术的处理温度较低,基体一般无受热变形或材料变质问题

CVD的反应有热分解、还原、置换等类型,其反应温度多在1000℃左右。许多基材由于难以经受其高温,使其应用大受限制。因为存在着反应气体、反应产物和基材的相互扩散,CVD镀膜可以获得好的附着强度。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)近年来发展很快,它借助于气体辉光放电产生的低温等离子体增强反应物质的活性,促进气体间的化学反应,从而在较低温度下也能沉积出具有好的结合性能的均匀而致密的薄膜

气相沉积成膜过程与熔池凝固过程相似,也遵循形核与晶体长大的结晶规律,沉积成具有晶体结构的薄膜。改变工艺方法和生成条件,可制备出各种单晶、多晶和非晶态固体膜

属这类的

表面技术

物理气相沉积(PVD,包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀三种基本方法)、化学气相沉积(CVD)等

高分子涂层结合

原理

利用胶黏剂对被粘物进行连接的技术称为粘接(胶接)技术。表面粘涂技术是粘接技术的一个新的分支。它是将特殊功能胶黏剂(在胶黏剂中加入特殊的填料)直接涂敷于零件表面上,使其具有所需功能的一种表面强化技术

粘接(粘涂)层是通过高分子材料的固化反应而形成的。粘接过程是一个复杂的物理化学过程。目前,有关胶黏剂与被粘物界面产生结合力的理论,有机械结合、吸附、化学键、扩散等理论

涂装层(涂膜)是有机高分子涂料涂敷于基材表面后,干燥而成的膜层

从涂料与胶黏剂的组成来看,粘接层和涂装层与基体的连接是具有共同本质的

特点

胶黏剂大多由黏料、固化剂等多组分组成。合成高分子化合物是量最多、性能最好的黏料。固化剂用于使胶黏剂固化,并可改变黏料的自身结构

涂料由成膜物质(基料)、分散介质(溶剂和水)、填料(功能填料和着色填料)和助剂等组成

环氧树脂、酚醛树脂、有机硅等树脂作为主要成膜物质(黏料或基料)已在两种涂层(粘涂和涂装)中得到广泛应用。在主要成膜物质中加入不同功能填料形成的耐磨、耐蚀及其他功能性涂层已使粘涂层和涂装层难以区分

胶黏涂层与基体的结合强度与热喷涂层的结合强度大致相近,其抗拉强度一般为30~80MPa

属这类的

表面技术

普遍采用的涂装(涂料)层、胶黏涂层、黏结固体润滑层(干膜)及一些特殊功能高分子涂层等。这类涂层包含的范围很广

镀层和不同材料相互接触时的接触腐蚀等级

接触材料

金、银、

铂、铑、

铜、黄铜

、青铜

铜镀

锌、

钝化

处理

钢①

钢①

锡(焊

料)

钢①

钢镀

镉、

钝化

处理

钢镀

锌、

钝化

处理

铝、

氧化

处理

锌合

金、

钝化

处理

镁合

金、

钝化

处理

硬铝

氧化

处理

铝镀

锌、

钝化

处理

铝④

钛与

其合

涂料

覆盖

金、银、铂、铑、钯

0

铜、黄铜、青铜

1

0

铜镀镍

0~1

0

0

铜镀锡

1

1

0~1

0

铜镀银

0

0

0~1

1

0

铜镀镉

1~2

2

2

2

0

铜镀锌、钝化处理

2

2

2

1~2

2

0

不锈钢

0

0~1

0

0~1

0

2

2

0

钢镀铬①

0

1

0~1

1

0~1

2

2

0

0

钢镀镍②

1

0~1

0

0~1

0~1

1~2

1~2

0

0

0

2

1

1

0~1

1

1

2

1

1

0~1

0

锡(焊料)

2

1

1

0

0~1

0

1

1

1

0~1

0

0

钢③和铸铁

2

1

1~2

2

2

1~2

2

1

1~2

1~2

1

1~2

0

钢镀镉、钝化处理

2

1~2

1~2

2⑦

2

0

1~2⑤

2

1~2

1

0~1

2

0

钢镀锌、钝化处理

2

2

2

2⑥

2

0

2

2

1~2

1

0~1

2

2⑦

0

2

2

1~2

0~1

2

0~1

0~1

2

2

1~2

1~2

0~1

2

0~1

0~1

0

铝、氧化处理

2

2

1

0~1

2

0~1

0~1

1

1

1

1

0

2

0

0~1

0

0

锌合金、钝化处理

2

2

1

0~1

2

0~1

0~1

2

2

1~2

1

0

2

0

0~1

0~1

0

0

镁合金、钝化处理

2

2

2

0~1

2

1~2

0~1

2

2

2

1

0~1

2

1~2

0~1

1~2

1

0~1

0

硬铝、氧化处理

2

1

0~1

2

1

0~1

0

铝镀锌、钝化处理

2

1

0

铝镀铜④

0

2

2

0

钛与其合金

0

0

0

0

2

0

0

0

2

2

1

1

0

炭刷

1

2

2

0

涂料履盖层

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

①铜、镍、铬复合镀层。②铜、镍复合镀层。③碳素钢和低合金钢。④锌、铜复合镀层。⑤1Cr18Ni9Ti的不锈铜。⑥沿海地区(无工业大气影响)属1级。⑦沿海地区(无工业大气影响)属0~1级。

镀层使用条件分类

镀层的种类及厚度随其使用条件和应用场合不同有很大差别。

分类

代号

使  用  特  征

举       例

良好

L

相对湿度小于或等于70%,不暴露在大气中,无工业气体、燃料废气、介质蒸气及其他腐蚀性介质

密封仪表(气密的仪器)的内部、与液压油直接接触的部位、卫星内部

一般

Y

相对湿度小于或等于95%,不受阳光、雨雪、沿海海雾、工业气体、燃料废气及其他腐蚀性介质直接影响,或者温度、湿度变化较大的环境的影响

飞机舱内、导弹非密封仪器舱内、舰船驾驶舱内、无空气调节装置的室内及车厢内部

恶劣

E

相对湿度大于95%,受风、砂、雨、雪、海水等直接侵害,有少量工业气体、燃料废气、介质蒸气和海雾的一般大气条件

飞机外部、导弹外罩、火炮、雷达天线等部位

海上

H

直接与海水接触或经常处于饱和海雾中

舰船舷侧及甲板、水上飞机外部

特殊

T

除要求防护和装饰性外,还要求具有某些特殊性能

要求耐磨、减摩、导电、隔热、绝缘、防高温黏结、防氧化、黏结橡胶等

电镀、化学镀不同金属镀层厚度系列和应用范围

镀层种类

零件材料

使用条件

厚度/μm

应用范围

锌镀层

钢、铜及铜合金

L

Y

3~5

5~8

① 螺距(P)≤0.8mm的螺纹零件

② 有IT6、IT7精度等级的零件

L

Y

5~8

8~12

① P>0.8mm的螺纹零件

② 有IT6、IT7精度等级的零件

L

Y

E

8~12

12~18

18~25

25~30

① 主要用于外观和物理性能无特殊要求的耐大气腐蚀的零件

② 与铝、铝合金、镁合金或橡胶接触的零件

③ 煤油、汽油或双氧水中的零件(锌层应无孔)

铝及铝合金

T

8~12

12~18

18~25

 

镉镀层

钢、铜及铜合金

L

Y

3~5

5~8

① P≤0.8mm的螺纹零件

② 有IT6、IT7精度等级的零件

③ 小于0.5mm厚的薄片,或直径D<1mm的弹簧丝零件

L

Y

5~8

8~12

① P>0.8mm的螺纹零件

② 有IT6、IT7精度等级的零件

L

Y

8~12

12~18

① 海水、海雾直接作用的零件

② 在压缩空气、氧、过氧化氢、酒精、高锰酸钾盐及高于60℃的水中工作的零件

镍镀层

钢、不锈钢

L

Y

3~5

5~8

① 螺距P≤0.8mm的螺纹零件

② 改善不锈钢钎焊性能和温控性能

L

5~8

P≥0.8mm的螺纹零件

Y

8~12

T

18~25

防止零件在300~600℃下氧化

L

Cu 8~12

Ni 8~12

16~24

① 要求防护和装饰的电器、仪表零件

② 承受轻度摩擦的零件

Y

Cu 12~18

Ni 8~12

20~30

黑镍镀层

镉镀层

钢、铜及铜合金

L

E

H

Zn3~5

Zn5~8

黑镍不规定

18~25

25~30

① 要求黑色外观的零件

② 电器、仪表等零件的消除反光和防护、装饰

③ 弹簧和有渗碳面的零件,直径D≥10mm的30CrMnSiA钢螺栓

④ 与铝及铝合金、镁合金接触的零件

⑤ 抗拉强度超过1240MPa低氢脆镀镉

铜镀层

T

3~5

5~8

① 防止精密零件冷作硬化

② 防止钢和耐热钢制螺纹(P≤0.8mm)在较高温度下工作时相互黏结

③ 挤压成形或绕制弹簧时的润滑

5~8

8~12

防止钢和耐热钢制螺纹(P≤0.8mm)在较高温度下工作时相互黏结

12~18

① 提高黑色金属导电性,用于需浸锡或钎焊的零件

② 要求黑色外观零件(需氧化)

③ 防止松动零件在较高温度时黏结和冷作硬化

20~30

① 要求减摩的零件

② 防止恶劣条件下工作的零件在高温时黏结

25~40

用于渗碳保护

不锈钢

 

12~18

冷墩时的润滑

铝及铝合金

 

18~25

① 便于铝合金的钎焊

② 作为铝及铝合金镀锡前的底层,便于钎焊

钛及钛合金

T

5~8

① 减摩

② 便于钎焊

镍镀层

钢、不锈钢

Y

Cu12~18

Ni12~18

24~36

① 减摩

② 便于钎焊

E、T

Cu25~30

Ni18~25

43~55

铜及铜合金

L

3~5

5~8

① 要求防护或装饰的零件

② 作为氧气系统的防护层

Y

8~12

E

12~18

铝及铝合金

T

18~25

防燃气腐蚀

钛及钛合金

5~8

改善导电性和钎焊性

黑镍镀层

钢、铜及铜合金

Y

Zn8~12

黑镍不规定

① 要求黑色外观的零件

② 电器、仪表等零件的消除反光和防护、装饰

硬铬及装

饰铬镀层

T

1~3

3~5

① 精密仪表零件

② 在润滑条件下承受轻微摩擦的零件

5~10

10~20

① 有IT6、IT7精度等级的模具零件

② 定期润滑条件下受摩擦不大的零件

③ 润滑条件下要求耐磨的零件

④ 无润滑条件下受轻微摩擦的零件

20~40

① 定期润滑条件下受摩擦较大的零件

② 无润滑条件下受摩擦不大的零件

40~60

60~80

无润滑条件下受摩擦较大的零件

15~50

150~200

一些特殊用途,如枪管等

<200

修复零件尺寸

铜及铜合金

1~3

3~5

① 小模数齿轮零件的耐磨

② 润滑条件下受摩擦较小的零件

5~10

润滑条件下受摩擦较大的零件

10~20

无润滑条件下受摩擦较大的零件

铝及铝合金

20~40

40~80

承受滑动摩擦零件

钛及钛合金

10~20

无润滑条件下受摩擦较大的零件

Y

Cu20~25

Ni10~15

Cr0.5

① 要求具有较高反射率的零件

② 表面需要装饰的零件

③ 在飞机、导弹外部使用的要求气动性良好的零件

E

Cu30~35

Ni15~20

Cr0.5~2

乳白铬镀层

Y、E

10~20

20~40

40~60

① 负荷不大的零件的耐磨与防护

② 300~600℃下零件的防护

③ 作为防护、耐磨硬铬镀层的底层

松孔铬镀层

T

80~160

要求吸附润滑油的耐磨零件,如涨圈等

100~250

要求吸附润滑油并在较高压力下工作的耐磨零件,如汽缸等

黑铬镀层

钢、铜及铜合金

Y、E、T

底层厚度同硬铬黑铬厚度不规定

① 要求黑色外观的零件

② 消光零件

③ 作标志用

黄铜镀层

T

3~5

黏结橡胶的零件

L

5~8

需要特殊装饰与防护的零件

Y

8~12

防零件在300~500℃下工作时氧化;需要特殊装饰与防护的零件

铅锡合

金镀层

铜及铜合金

T

3~5

受力较小零件的减摩

5~8

减摩、改善磨合、改善钎焊性能

15~30

要求减摩和抗化学腐蚀零件

铅铟扩

散镀层

铜及铜合金

L、T

Pb3~5

铟不规定

改善和提高钎焊性能

常在润滑油、脂作用下的轴瓦和衬套之类零件的耐磨与防护,并增加磨合性

锡铋合

金镀层

L

Y

3~5

5~8

8~12

12~18

要求钎焊性能好的零件

氧气系统的零件

T

5~10

防止渗氮

铜及铜合金

 

3~5

5~8

8~12

12~18

要求改善钎焊性能的零件

防止导电零件表面氧化

氧气系统的零件

锌镍合

金镀层

钢、铜及铜合金

L、T

3~5

5~8

8~12

耐大气和海洋气候腐蚀的零件

与铝及铝合金、镁合金接触的零件

镉钛合

金镀层

高强度钢

Y

8~12

高强度钢(30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA等)制零件;弹性零件

E、T

18~25

镍镉扩

散镀层

钢、不锈钢

Y

Ni5~8

Cd3~5

250~500℃下钢零件的防护

要求一定耐磨性零件的防护

E

Ni8~12

Cd3~5

锡镀层

L

T

Cu4~7,

Sn7~12,

总11~19

要求钎焊性好的零件;需热熔的零件

Cu7~12,

Sn7~12,

总14~24

与含硫非金属橡胶垫片等,如接触的零件

Cu7~12,

Sn12~18,

总19~30

100℃下的导电零件;氧气系统的零件

铜及铜合金

T

5~10

防止渗氮

T

4~7

7~12

12~18

改善钎焊性零件;氧气系统的零件

防导电零件表面氧化

防导线在橡胶硫的作用下对铜的腐蚀

铅镀层

钢、不锈钢、

铜及铜合金

T

8~12

较低温度下改善零件磨合和封严作用,以防润滑油氧化产物的腐蚀

18~25

硫化物中工作的零件

减摩和防润滑油氧化产物腐蚀的零件

银镀层

L

3~5

螺距P≤0.8mm的螺纹零件;防高温黏结

L

T

5~8

8~12

P>0.8mm的螺纹零件;防高温黏结

T

100~250

一般摩擦下的减摩

250~500

受力较大摩擦下的减摩

L、T

Cu3~5,

Ag5~8,

总8~13

需要高温钎焊、高频焊接或导电的零件

Y、T

Cu5~8,

Ag8~12,

总13~20

E、T

Cu8~12,

Ag12~18,

总20~30

银镀层

铜及铜合金

L、T

5~8

①提高导电性,稳定接触电阻和要求高度反射率零件

②要求插拔、耐磨零件

Y、T

8~12

E、T

12~18

导电且受较大摩擦零件;高频导电零件

铝及铝合金

Y、T

12~18

高频导电零件

E、T

18~25

金及硬

金镀层

铜及铜合金

T

1~3

电器上减少接触电阻的零件

3~5

波导管和多导线接线柱的接点

5~8

耐磨导电零件,如电器回路条等

8~12

耐蚀和耐磨的导电零件

钯镀层

Ag8~12,

Pd1~2

防银变色;提高无线电元件和波导管耐磨性

Ag8~12,

Pd2~3

提高电接触元件接触可靠性;防氧化和烧伤

铑镀层

硬金2~3,

Rh1~2

硬金3~5

Rh2~3

①提高电接触元件接触可靠性、耐磨性,适于低摩擦力矩零件

②防止铜及铜合金电器接触簧片烧伤和黏结

Ag8~12,

Rh2~3

防液体电门在氯化锂介质中腐蚀

化学镀镍层

钢、不锈钢、

铜及铜合金

L、T

5~8

形状复杂和要求得到均匀镀层零件的防护与耐磨

Y、T

8~12

E、T

12~18

零件的防护与耐磨;300~600℃下零件的耐氧化

化学镀锡层

铜及铜合金

L、Y

1~3

形状复杂和要求镀层均匀而又不易电镀的弹性零件

常用转化膜层的厚度系列和应用范围

膜层种类

零件材料

使用条件

厚度/μm

应用范围

磷化膜层

L、Y、T

不规定

① 作涂装和乳化处理的底层

② 冷镦时的润滑

③ 要求绝缘和在润滑油下工作的零件

④ 高强度钢(30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA等)零件的防护

⑤ 不允许电镀部位的防护

⑥ 导管内腔和形状复杂零件的防护

钝化膜层

铜及铜合金

L、Y、E

① 本色钝化用于需进行钎焊零件的防护

② 彩色钝化用于涂装底层或不要求电镀零件的防护

不锈钢

T

成品件:导管及容器

化学氧

化膜层

L、Y、T

① 在200℃下润滑油中工作的尺寸精度高的零件

② 要求黑色外观而又不能用其他镀覆层的零件

③ 点火系统零件的抗氧化防护

铜及铜合金

① 要求黑色外观的零件

② 仪表内部零件

③ 要求散热的零件

化学氧

化膜层

铝及铝合金

L、Y、E

不规定

① 形状复杂零件的防护

② 铆钉、垫片零件的防护

③ 涂漆(电冰箱等)的底层

④ 库存材料的防护

⑤ 点焊或胶接点焊组件的防护

镁合金

① 有机涂层的底层

② 工序间防锈

阳极化膜层

Y、E

10~20

20~40

40~60

① 要求耐磨性较高、形状比较简单的零件

② 涂漆的底层

钛及钛合金

E、T

不规定

① 转动配合中耐磨、耐擦伤,尤其与碳化钨制品转动配合的零件

② 用于胶接或涂装的底层

③ 提高与铝合金、不锈钢等多种金属材料接触的耐蚀能力

④ 要求绝缘的零件

钛及钛合金

硫酸硼

阳极化膜层

铝及铝合金

L、Y、E、T

不规定

① 一般性防护,在海上和恶劣条件下还需涂漆保护

② 气孔率不超过3级的铸件及形状简单对接气焊件

③ 作涂装底层

④ 作识别标记或特殊颜色的零件

⑤ 要求具有装饰或外观光亮并有一定耐磨性的零件

铬酸

T

① 疲劳性能要求较高的零件

② 气孔率超过3级的零件

③ 搭接、铆接、焊接,有孔、槽、缝或形状复杂的零件

④ 精度高、表面粗糙度低的零件防护

⑤ 要求检查材料晶粒度或锻、铸加工表面质量的零件

绝缘

① 要求有较高绝缘性能的仪表零件

② 要求有较高硬度和良好耐磨性的仪器仪表零件

硬质

20~40

① 受力较小的耐磨零件

② 耐气流冲刷的零件

③ 要求绝缘(需补充浸电绝缘清漆)的零件

40~60

要求具有高硬度和良好耐磨性的零件

60~80

需隔热的零件

磁质

不规定

① 精密仪器仪表零件的防护与装饰

② 需保持原表面尺寸精度和表面粗糙度,又要求有表面硬度和电绝缘性的零件

硫酸

1~3

① 对疲劳性能要求较高的零件

② 气孔率超过3级的零件

③ 搭接、铆接、焊接,有孔、槽、缝或形状复杂的零件

④ 精度高、表面粗糙度低的零件

磷酸

不规定

① 需要胶接的铝合金零件的防护

② 铝合金电镀的底层

不同金属及合金基体材料的镀覆层的选择

目     的

镀   覆   层

铁基合金基材

铝及铝合金基材

铜及铜合金基材

钛及钛合金基材

常温大气中

镀锌、镉、双层镀镍、镀乳白铬

硫酸阳极氧化并封闭

镀锌、铬、镉

 

500℃以下的热大气中

镀镍、黄铜、乳白铬、镍镉扩散镀层

     

油中

氧化(发蓝)

 

钝化

 

60℃以上水中

镀镉

     

海水和海雾中

镀镉、锌镍合金

     

低氢脆、阻滞吸氢脆裂

镀镉钛、松孔镀镉

   

阳极氧化

减、防接触腐蚀

   

镀镉、锌

阳极氧化

防缝隙腐蚀

     

镀钯、铜、银

防热盐应力腐蚀

     

化学镀镍

防气体污染

     

阳极氧化

防着火

     

镀铜、镍、钝化

氧气系统防护

镀锡、锡铋合金

 

镀锡、锡铋合金

 

防护装饰

复合镀铜镍铬、青铜铬、镍铬、铜镍、镍封铬

     

装饰

 

瓷质阳极氧化、缎面或纱面阳极氧化

镀镍、镍铬

 

染色

 

硫酸阳极氧化后着色

   

涂料的底层

磷化

化学氧化、铬酸或硫酸阳极氧化

   

耐磨

镀硬铬、松孔铬、化学镀镍

硬质阳极氧化、镀硬铬或化学镀镍

化学镀镍、镀硬铬

镀硬铬

减少摩擦

镀硬铬、铅锡合金、铅铟合金、银

 

镀铅、铅锡合金、铅铟合金

 

插拔耐磨

   

镀银后镀硬金、镀银后镀钯、镀铑

 

保持较高抗疲劳性能

 

铬酸阳极氧化、化学氧化或硫酸、硼酸复合阳极氧化

   

防黏结、防烧伤

镀银、铜、磷化

 

镀锡后镀金

 

绝缘

磷化

草酸或硬质阳极氧化

   

导电

镀铜、银、金

镀铜、锡或化学氧化

镀银、金

 

电磁屏蔽

 

化学镀镍

   

反射热

镀金

     

消光

 

黑色阳极氧化或喷砂后阳极氧化

黑色氧化、镀黑镍、黑铬

 

胶接

 

磷酸、铬酸或薄层硫酸阳极氧化

   

便于黏结橡胶

镀黄铜

     

便于钎焊

镀铜、锡、镍、银、铅锡合金

化学镀镍或铜

镀锡、银、铅锡合金、锡铋合金、化学镀锡

 

防渗碳、防渗氮

镀锡、镍

     

识别标志

镀黑铬、黑镍、黑色磷化、氧化

硫酸阳极氧化后着色

   

金属镀覆和化学处理的表示方法

GB/T 13911—1992规定了金属镀覆和化学处理的表示方法,适用于金属和非金属制件上进行电镀、化学镀、化学处理和电化学处理的表示。对金属镀覆和化学处理有本标准未予规定的要求时,允许在有关的技术文件中加以说明。

表示方法

1-453

①基体材料在图样或有关的技术文件中有明确规定时,允许省略

②由多种镀覆方法形成镀层时,当某一镀覆层的镀覆方法不同于最左侧标注的“镀覆方法”时,应在该镀覆层名称的前面标出其镀覆方法符号及间隔符号“·”

镀覆层特征、镀覆层厚度或后处理无具体要求时或对化学处理或电化学处理的处理特征、后处理或颜色无具体要求时,允许省略。见例1~例7

③合金镀覆层的名称以组成该合金的各化学元素符号和含量表示。合金元素之间用连字符“-”相连接。合金含量为质量百分数的上限值,用阿拉伯数字表示,写在相应的化学元素符号之后,并加上圆括号。含量多的元素成分排在前面。二元合金标出一种元素成分的含量,三元合金标出二种元素成分的含量,依次类推。合金成分含量无需表示或不便表示时,允许不标注。见例8、9

如果需要表示某种金属镀覆层的金属纯度时,可在该金属的元素符号后用括号(  )列出质量百分数,精确至小数点后一位,见例10

进行多层镀覆时,按镀覆先后,自左至右顺序标出每层的名称、厚度和特征,每层的标记之间应空出一个字母的宽度。也可只标出最后镀覆层的名称与总厚度,并在镀覆层名称外加圆括号,以与单层镀覆层相区别,但必须在有关技术文件中加以规定或说明。见例1、3、4及11

④镀覆层厚度用阿拉伯数字表示,单位为μm。厚度数字标在镀覆层名称之后,该数值为镀覆层厚度范围的下限。必要时,可以标注镀层厚度范围,见例12

⑤轻金属及其合金电化学阳极氧化后进行套色时,按套色顺序列出颜色代码,并在其中间插入加号“+”表示

轻金属及其合金电化学阳极氧化后着色的色泽以及电化学阳极氧化后套色的要求应以加工样品为依据

颜色字母代码用括号(  )标在后处理“着色”符号之后。见例1、13

标注示例:

例1 Fe/Ep·Cu10Ni15bCr0.3mc

(钢材,电镀铜10μm以上,光亮镍15μm以上,微裂纹铬0.3μm以上)

例2 Fe/Ep·Zn7·c2C

(钢材,电镀锌7μm以上,彩虹铬酸盐处理2级C型)

例3 Fe/Ep·Cu20Ap·Ni10Cr0.3cf

(钢材,电镀铜20μm以上,化学镀镍10μm以上,电镀无裂纹铬0.3μm以上)

例4 PL/Ep·Cu10bNi15bCr0.3

(塑料,电镀光亮铜10μm以上,光亮镍15μm以上,普通铬0.3μm以上。普通铬符号r省略)

例5 Al/Et·A·Cl(BK)

(铝材,电化学处理,阳极氧化,着黑色,对阳极氧化方法无特定要求)

例6 Cu/Ct·P

(铜材,化学处理,钝化)

例7 Al/Et·Ec

(铝材,电化学处理,电解着色)

例8 Cu/Ep·Sn(60)-Pb15·Fm

(铜材,电镀含锡60%的锡铅合金15μm以上,热熔)

例9 Cu/Ep·Au-Cu1~3

(铜材,电镀金铜合金1~3μm)

例10 Ti/Ep·Au(99.9)3

(钛材,电镀纯度达99.9%的金3μm以上)

例11 Fe/Ep·(Cr)25b

(钢材,表面电镀铬,组合镀覆层特征为光亮,总厚度25μm以上,中间镀覆层按有关规定执行)

例12 Cu/Ep·Ni5Au1~3

(铜材,电镀镍5μm以上,金1~3μm)

例13 Al/Et·A(s)·Cl(BK+RD+GD)

(铝材,电化学处理,硫酸阳极氧化,套色颜色顺序为黑、红、金黄)

例14 Fe/SD

(钢材,有机溶剂除油)

金属镀覆和化学处理的表示符号

常用基体材料

镀覆、处理方法

镀覆层特征、处理特征

名称

符号

名  称

符号

名  称

符号

名称

符号

名称

符号

铁、钢

Fe

电镀

Ep

磷化

磷酸

盐处理

磷酸锰锌盐处理

MnZnPh

光亮

b

松孔

p

铜及铜合金

Cu

化学镀

Ap

半光亮

s

花纹

pt

铝及铝合金

Al

电化学处理

Et

磷酸锌钙盐处理

ZnCaPh

m

黑色

bk

锌及锌合金

Zn

化学处理

Ct

硫酸阳极氧化

A(S)

缎面

st

乳色

O

镁及镁合金

Mg

钝化

P

双层

d

密封②

se

钛及钛合金

Ti

氧化

O

铬酸阳极氧化

A(Cr)

三层

d

复合

cp

塑料

PL

电解着色

Ec

普通①

r

硬质

hd

硅酸盐材料

(陶瓷、玻璃等)

CE

磷化

磷酸

盐处理

磷酸锰

盐处理

MnPh

磷酸阳极氧化

A(P)

微孔

mp

瓷质

pc

微裂纹

mc

导电

cd

其他非金属

NM

磷酸锌

盐处理

ZnPh

草酸阳极氧化

A(O)

无裂纹

cf

绝缘

i

(1)后处理;(2)电镀锌和电镀镉后铬酸盐处理

颜  色

独立加工工序

(1)名称

符号

(1)名称

符号

分级

类型

颜色

符号

颜色

符号

名称

符号

名称

符号

钝化

P

封闭

S

   

BK

灰、蓝灰

GY

有机溶

剂除油

SD

机械

抛光

MP

磷化(磷酸盐处理)

Ph

防变色

At

   

BN

WH

化学除油

CD

喷砂

SB

氧  化

O

铬酸盐封闭

Cs

   

RD

粉红

PK

电解除油

ED

喷丸

SHB

乳  化

E

(2)名称

符号

分级

类型

OG

金黄

GD

化学酸洗

CP

滚光

BB

着  色

CI

光亮铬

酸盐处理

C

1

A

YE

青绿

TQ

电解酸洗

EP

刷光

BR

热  熔

Fm

漂白铬

酸盐处理

B

绿

GN

银白

SR

化学碱洗

AC

磨光

CR

扩  散

Di

彩虹铬酸

盐处理

2

C

蓝、浅蓝

BU

   

电化学抛光

ECP

振动

擦光

VI

涂  装

Pt

深色铬酸

盐处理

D

紫、紫红

VT

   

化学抛光

CHP

   

①无特别指定的要求,可省略不标注,如常规镀铬。

②指弥散镀方式获得的镀覆层,如镍密封。

注:对磷化及阳极氧化无特定要求时,允许只标注Ph(磷酸盐处理符号)或A(阳极氧化符号)。

表面涂料涂覆的表示方法(GB/T 4054—1983)

适用于金属、非金属制品表面涂料涂覆的标记。

表示方法

1-0590

①涂覆符号用“涂”字汉语拼音第一个字母“T”表示。

②涂料颜色(或代号)、型号(或名称),一般是指面涂层涂料。

③涂料颜色按GB 3181—2008《漆膜颜色标准样本》的规定。

④涂料型号按GB 2705—1981《涂料产品分类、命名和型号》的规定。

⑤外观等级分为四级,用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示。使用环境条件分为一般、恶劣、海洋、特殊等四种,用汉语拼音字母Y、E、H、T分别表示。见表表面涂料涂覆的表示代号。

⑥如果被涂制品内、外面涂层的涂覆要求不同时,则不同部分用横线“-”区分,线上为外表面涂层的涂覆要求,线下为内表面涂层的涂覆要求。见例2、3。

⑦施涂前处理若必须表示时,以斜线“/”将前处理表示方法与涂料涂覆标记隔开。斜线左面为前处理表示方法,右面为涂料涂覆标记。前处理表示方法按GB 1238—1976《金属镀层及化学处理表示方法》的规定。见例4、5。

⑧复合涂层的层次一般不应在涂覆标记中反映。必要时,允许将需要表示的层次按施涂顺序表示。层次间用斜线“/”隔开。

⑨若对涂料涂覆有特殊要求,用上述方法不能清楚地表达时,允许用文字说明。

标注示例:

例1:T·深绿A04-9·Ⅲ·Y

[使用于一般环境条件下的制品,表面涂深绿色(G05)A04-9氨基烘干磁漆、并按Ⅲ级外观等级加工]

例2:

[外表面涂层处于一般环境条件,内表面涂层处于需要耐油的特殊环境使用的制品,外表面涂淡灰色(B03)G04-9过氯乙烯磁漆,并按Ⅱ级外观等级加工;内表面涂铁红色(R01)C54-31醇酸耐油漆、并按Ⅳ级外观等级加工]

例3:

[使用于一般环境条件下的制品,表面涂淡黄色(Y06)C04-42醇酸磁漆,外表面按Ⅱ级外观等级加工,内表面按Ⅳ级外观等级加工]

例4:PS/T·(PB10)G52-31·Ⅲ·H

[使用于海洋环境的制品,内、外表面均涂天蓝色(PB10)G52-31过氯乙烯防腐漆,并按Ⅲ级外观等级加工。前处理采用喷砂,并必须表示时]

例5:D·Y·GF/T·白B04-9/B01-3·Ⅱ·E

[使用于恶劣环境下的制品,内、外表面均涂奶油色(Y03)B04-9丙烯酸磁漆,用B01-3丙烯酸清漆罩光,并按Ⅱ级外观等级加工。前处理采用电化学氧化后铬酸盐封闭,并必须表示时]

表面涂料涂覆的表示代号(GB 4054—1983)

项目

等级

代号

特   征

一级

涂料表面丰满、光亮(无光、半光涂料除外)、平整、光滑、色泽一致,美观,几何形状修饰精细。基本无机械杂质,无修整痕迹及其他缺陷。美术涂覆还应纹理清晰、分布均匀,特征突出,具有强烈的美术效果

用于高级精饰要求的制品涂覆

二级

涂膜基本平整、光滑,色泽基本一致,几何形状修饰较好,机械杂质较少,无显著的修整痕迹及其他缺陷,无影响防护性能的疵病。美术涂覆还应纹理清晰、分布比较均匀,具有美术特点

用于装饰性要求较高的制品涂覆

三级

涂膜完整,色泽无显著的差异。表面允许有少量细小的机械杂质、修整痕迹及其他缺陷。无影响防护性能的疵病。美术涂覆还应具有美术特点

用于装饰性要求一般的制品涂覆

四级

涂膜完整。允许有不影响防护性能的缺陷

用于无装饰性要求的制品涂覆

项目

条件

代号

特   征

使

一般

Y

温度在-40~55℃之间

当温度高于30℃时,相对湿度不超过90%;当相对湿度超过90%时,温度应低于30℃

不受雨、雪、海水等的直接影响,没有或仅有少量工业气体、海雾及日照影响的工作环境。如在机房或试验室(化学试验室除外)内的工作环境;在室外条件下不受雨、雪、海雾、日照等的直接影响的工作环境等

恶劣

E

温度在55~85℃之间,或-40~-55℃之间,或-40~55℃之间温差剧变的条件

相对湿度可达90%以上,同时温度高于30℃

受雨、雪、风砂、日照等直接影响的工作环境。如在室外暴露条件下的工作环境等

海洋

H

受海水的直接影响或处于海洋气候条件下的工作环境。如在海水中或舰船甲板上的工作环境等

特殊

T

直接受水(特别是高温水)的连续或周期性影响

有酸、碱溶液或酸性、碱性气体的直接影响

有85~155℃高温的连续影响或155℃以上高温的直接影响,或者-55℃以下低温的直接影响

有电弧和放电的短期影响

有射线辐射影响等的特殊工作环境

如耐水涂覆;耐酸、耐碱涂覆;耐油和汽油涂覆;耐高温、耐低温涂覆;绝缘涂覆;防辐射涂覆;其他特殊作用的涂覆等

铝及铝合金阳极氧化的分类、特点和应用

类   别

特   点

应   用

保护-装饰性阳极化

硫酸阳极化

氧化膜较厚(10~35μm);有较高的硬度和耐磨性;经封闭后有良好的防护性能,就防护上的应用来说,适用于所有类型的铝合金;对装饰上的应用,如选用纯铝或均相的铝合金,可得到无色透明的膜层,能接受各种着色处理。是应用最广、成本较低的一种工艺方法

可作所有铝合金的防护膜,以及适于要求表面着色装饰的制件。但不适于铆接、搭接件的处理(因接缝处残留的微量硫酸会产生腐蚀)

铬酸阳极化

氧化膜较薄(2~10μm),呈浅灰色,也能接受染色,抗蚀性好,不影响疲劳强度,有足够的电绝缘性,可防止接触别种金属的电偶腐蚀。因此,对承受应力和在结构上不易清洗残留电解液的零件或组合件特别适宜。膜一般不封闭(但封闭有利于提高耐蚀性)

广泛用于飞机、舰船零件及其他机械零件的防护,特别适于要表面光洁、精度高的工件,以及铆接、搭接件的处理。但不适于含铜>5%的铝合金(因铜溶于铬酸)。一般仅作防护,很少作装饰

草酸阳极化

氧化膜较厚(10~60μm),呈军绿或黄色,具有很好的耐蚀性、耐磨性和电绝缘性。调整工艺参数可得硬度较高或韧性较好的不同膜层;经添加铊、锆或钛盐可获特殊仿瓷装饰外观的膜层

韧性膜广泛用于铝线材和带材的处理;硬性膜适于摩擦件的防护;也用作要求绝缘性的精密仪器仪表零件的防护

电绝缘性阳极化

磷酸阳极化与硼酸阳极化

氧化膜薄而致密,电绝缘性高

主要用作电容器和电解电容器的绝缘膜

抗磨性阳极化(硬阳极化)

常用硫酸、草酸、丙二酸、苹果酸及其他一些有机酸作硬质阳极化的溶液。但往往某种铝合金要与某种溶液相配

氧化膜具有高的硬度,当膜厚>50μm时,硬度达HV4~5MPa,如经适当处理可达HV6~1000MPa以上。因此,硬氧化膜耐磨性和耐蚀性都很好,且有很高的耐热性,可耐15000~2000℃瞬时高温。但膜层脆性较大,且对基体的疲劳强度有一定影响

硬氧化膜一般不进行封闭处理

硬阳极化可以采用直流电源、交流电源、交直流叠加电源及脉冲电源作外电源。其中,以直流电源、加压缩空气搅拌、低温硫酸电解液的方法因液槽成分简单、稳定、操作方便、成本低而应用较广。脉冲阳极化可在室温操作,成膜速度快、膜层的硬度、耐蚀性、韧性及厚度均匀性则较好

用于要求硬度高、耐磨性好的各种零件的防护,并可用于修复受磨损的铝合金件的尺寸

铝及铝合金的着色

着色方法

着  色  机  理

特  点

将在硫酸溶液中常规阳极氧化后的铝及铝合金在金属盐的着色液体中电解着色,使金属离子在氧化膜孔的底部电沉积,利用光在沉积金属粒子表面产生光散射而发色

工业生产上应用最多的是锡盐和镍盐电解液,产生古铜色系列。另外,也可用铜、硒盐、钼酸盐、银盐等电解液产生紫红、亮金、蓝、土黄等颜色。如先后在两种金属盐中连续着色,可产生紫色(先银盐后镍盐)、深褐色(先银盐后铜盐)等多种着色效果。还可采用电解着色和有机染料吸附着色两者的复合着色,可获金、红、蓝、黄等各种色调

电解着色的氧化膜具有古朴典雅的装饰效果,有极好的耐晒性,且能耗小(仅为整体着色法的40%),工艺条件易于控制

电解着色一般采用纯铝系、铝-锰系、铝-镁系及铝-锰-硅系的合金。而铝-铜系及铝-硅系的合金很难进行电解着色

是目前工业上应用广泛的着色方法

是由电解着色法发展起来的,也称三步法。即先进行硫酸阳极化,然后磷酸阳极化,最后电解着色。磷酸阳极化的作用是改变氧化膜孔的结构,使氧化膜孔底部的孔径增大,再通过沉积一层很薄的金属取得光干涉效果,使在同一种着色液中产生多种不同颜色的着色膜,扩大了建筑用铝材的着色范围

干涉着色的条件,见干涉着色的条件

干涉着色膜与电解着色膜一样具有很好的耐光性和耐蚀性。但耐磨性比电解着色膜稍差

它进一步扩大了电解着色法的着色范围

注:传统染色法目前已不流行;整体着色法已逐渐为电解着色所代替,故未列入。

干涉着色的条件

硫酸阳极化

磷酸阳极化

电解着色

着色时间/min

2

3

4

5

6

8

12

16

20

24

硫酸    165g/L

温度    20℃

时间    30min

电流密度  1.5A/dm2

磷酸    120g/L

草酸    30g/L

温度    32℃

时间    8min

电压(DC)  25V

Sn-Ni着色液

温度    20℃

pH     7

电压(AC)  15V

 

 

绿

   

硫酸    165g/L

温度    20℃

时间    30min

电流密度  1.5A/dm2

磷酸    100g/L

温度    20℃

时间    4min

电压(AC)  10V

Ni盐着色液

温度    24℃

pH     5.6

电压(AC)  11.5V

 

绿

绿

       

硫酸    165g/L

温度    20℃

时间    30min

电流密度  1.5A/dm2

磷酸    120g/L

温度    25℃

时间    10min

电压(DC)  10V

Co盐着色液

温度    20℃

pH     6

电压(AC)  9V

   

 

绿

绿

硫酸    165g/L

温度    20℃

时间    30min

电压(DC)  17.5V

磷酸    100g/L

温度    22℃

时间    4min

电压(AC)  10V

Ni-Sn着色液

温度    22℃

pH     1.5

电压(AC)  20V

20S

 

绿

 

10min

     

硫酸    165g/L

温度    20℃

时间    30min

电压(DC)  17.5V

磷酸    100g/L

温度    20℃

时间    4min

电压(AC)  10V

Sn盐着色液

温度    22℃

pH     0.5

电压(AC)  10V

           

铝及铝合金氧化膜的封闭

封闭方法

说   明

应   用

因氧化膜呈多孔结构,腐蚀介质易渗入膜孔而腐蚀基体,所以必须进行封闭处理。使膜孔闭合以提高膜的防护性能和经久保持膜的着色效果

除有特殊要求,作功能性用途的硬氧化膜及磷酸阳极氧化膜外,一般的阳极氧化膜及着色氧化膜都应封闭

蒸汽封闭

在压力容器中进行,饱和蒸汽温度为100~200℃。方法是把工件放入容器,抽真空放置20min后通蒸汽封闭

适于处理罐、箱、塔和管子类大型制件的内表面

热水封闭

常用98~100℃,比电导不超过10μS/cm、pH6~7的蒸馏水封闭30~60min。应用广泛

一般阳极氧化膜的封闭,特别适于染料着色后的封闭

镍盐、钴盐封闭

用镍盐、钴盐或混合二者的水溶液为介质的封闭。既有水合作用,也有镍或钴盐在膜孔内生成氢氧化物沉淀的水解反应。对避免染料被湿气漂洗褪色有良好效果。工作温度为98~100℃,时间为30~60min

用于防护性阳极化膜,特别适于着色阳极化膜的封闭处理

重铬酸盐溶液封闭

重铬酸盐对铝及铝合金有缓蚀作用,可阻滞阳极化时留在制件缝隙内的残液对基体的腐蚀,也可阻滞膜层轻微受损部位腐蚀的发生。工作温度为98~100℃,时间为30~60min

是防护性阳极化膜的流行封闭方法。耐蚀性好。但膜封闭后呈草黄色,不适于装饰用膜的封闭

两步封闭法

先在1.5%的醋酸钴溶液中在35~70℃温度下浸渍3~10min,然后在80℃的重铬酸盐溶液中进行2~4min的封闭

提高重铬酸盐封闭的防护效果

镁合金的表面处理

工艺流程

一般为:清洗(机械清洗和化学清洗,主要是去除表面油污)→预处理(主要是活化表面)→表面处理→清洗→封孔处理

激光表面处理

激光表面处理是材料表面在高能量激光流的作用下熔化,在纳秒范围内脉冲激光产生高达1010℃/s的冷却速度,使金属表面快速凝固,在合金表面形成亚稳态结构固溶体,使表面合金晶粒细化,减少了阴极相的面积,从而提高镁合金耐蚀性

通常用作镁合金激光表面处理的金属涂层有:Al、Ca、Cu、Mo、Ni、Si、W、Al+Cu、Al+Mo、Al+Ni和Al+Si等,其中耐蚀性最好的是通过Al形成MgAl2O4尖晶石的镁基铝合金。该方法有

1) 激光表面重熔。可以获得均匀细小或非晶的耐蚀性组织,提高镁合金的耐蚀性能

2) 激光表面合金化。可以在镁合金表面制备高耐蚀性的合金层

3) 激光熔敷(又称激光涂敷)。即在合金表面涂敷一层耐蚀性的金属涂层,提高镁合金的耐蚀性。如纯镁表面激光熔敷Mg-Al合金层,改性合金层的组成相为α(Al)和β(Mg5Al8),界面上生成共晶层,与纯镁相比,激光改性层的腐蚀电位正移了约0.7V,钝化区间加大,耐蚀性能优于纯镁。Mg/SiC复合材料进行表面激光涂敷Cu60Zn40后,涂敷层Cu60Zn40与Mg/SiC基体结合良好,材料的腐蚀电位(Ecorr)比未处理时提高3.7倍

气相沉积

利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和等离子体辅助沉积(IBAD)等技术,可以获得具有一定耐蚀性的防护膜层气相沉积涂层材料选择原则有:①可提高电位的元素;②可用作牺牲阳极的元素;③可形成具有耐蚀性的薄膜(如尖晶石结构)的元素。常用的涂层材料有:Al、Cr、Mn、V、Ti等,此外,玻璃搪瓷也可以用于镁合金的防护和装饰

离子注入技术

是将一高能离子在真空条件下加速注入固体表面的方法,该方法可以注入任何离子。离子注入的深度与离子的能量和靶的状态有关,一般为50~500nm。注入的离子在固溶体中处于置换或间隙位置,形成非平衡相的均匀组织表面层,提高合金的耐蚀性。其优点是可在表面形成新的合金层,改变表面状态,解决了其他工艺制备的涂层表面与基体的结合强度问题。提高合金的耐蚀性与注入离子的种类有关。如注入耐蚀元素Cr,可提高合金的耐蚀性;在纯镁表面注入硼,可使Mg的开路电位正移200mV,扩大钝化区电位范围,降低临界钝化电流密度

保护膜与涂层处理

镁合金表面的保护膜与涂层处理,通常采用的方法有:化学转化、阳极氧化、有机涂装与金属镀层保护。是提高镁合金耐蚀性能最常用最有效的方法。涂层方法和防护效果,可以根据其服役环境和处理成本进行选择

(1)化学转化膜处理

又叫化学氧化法,是使金属工件表面与处理液发生化学反应,生成一层保护性钝化膜,比自然形成的保护膜有更好的保护效果。同阳极氧化膜相比,化学转化膜比较薄(0.5~3μm),硬度和耐蚀性稍低,适用于在特定的环境下的防护,如运输和储存过程中镁的防护、镁合金机械加工表面后的长期防护。该工艺具有设备简单、投资少、处理成本低等优点。但是在恶劣环境下工作的镁合金部件,化学转化处理必须和其他保护方法联合使用

镁合金的化学转化膜处理,常用的成膜剂有铬酸盐成膜剂和磷酸盐成膜剂两大类

常用镁合金化学转化膜处理方法及特点

化学处理液组成

特点

膜的主要组成和厚度

重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O):120~180g/L

氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2):2.5g/L

水∶余量

所有镁合金的涂装底层,室内储存、中性环境中独立保护

铬酸盐和Mg(OH)2

8~11μm

重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O):100g/L

硫酸锰(MnSO4·2H2O):50g/L

水∶余量

镁锌合金的涂装底层

铬酸盐2~5μm

铬酐(CrO3):180g/L

硝酸铁[Fe(NO3)3·9H2O]:40g/L

KF:3.5g/L

H2O:余量

所有镁合金的涂装底层,室内存放或中性环境保护

铬酸盐0.5~5μm

磷酸铵(NH4H2PO4):100g/L

高锰酸钾(KMnO4):20g/L

磷酸(H3PO4):调溶液pH值为3.5

所有镁合金的涂装底层

Mg3(PO4)2和Al、Mn等

磷化物1~6μm

氢氧化钠(NaOH):9.95g/L

锡酸钾(K2SnO3·H2O):49.87g/L

乙酸钠(NaC2H3O2·H2O):9.95g/L

焦磷酸钠(Na4P2O7):49.87g/L

所有镁合金的涂装底层

MgSnO3、Mg(OH)2

2~5μm

(2)阳极氧化处理

其工艺根据氧化处理液的成分分为酸性氧化液和碱性氧化液两种类型。主要以磷酸盐、高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化物为主的阳极氧化,具体工艺参数如下表

阳极氧化处理比大多数化学转化处理的成本高,主要用在一些特殊性能要求的场合,如耐磨或苛刻条件下的涂装前处理。镁合金阳极处理膜中不仅包含了合金元素的氧化膜,还包含了溶液中通过热分解沉积到工件表面的其他氧化物,如B2O3、P2O3或Al2O3等。其阳极氧化膜具有不同程度的孔隙率、双层结构,内层为较薄的致密层,外层为较厚的多孔层。因此,必须进行着色与封孔处理。着色与封孔用的处理液需根据阳极氧化处理的工艺不同而不同

镁合金阳极氧化处理的主要工艺参数

阳极氧化处理液组成/g·L-1

处理条件 膜的性质

CrO3:25

H3PO4(85%):50

NH4OH(30%):

160~180mL/L

温度:75~95℃

电流密度:16A/cm2

电压:350V(AC)

无光泽的深绿色膜

KOH:250~300

Na2SiO3:25~45

C6H5OH:2~5

温度:77~93℃

电流密度:20~32A/cm2

电压:4~8V

无光泽的白色软膜

KF:35

Na3PO4:35

Al(OH)3:35

KOH:165

K2MnO4或

KMnO4:20

温度:≤20℃

电流密度:1.5~2.5A/cm2

薄膜 电压:65~70V

时间:7~10min

厚膜 电压:80~90V

时间:60~90min(AC)

厚5~40μm,棕黄色氧化膜

NH4HF2:225~450

Na2Cr2O7·2H2O:

50~125

H3PO4(85%):

50~110mL/L

温度:70~80℃

电流密度:0.5~5A/cm2

薄膜 电压:65~70V

时间:4~5min

厚膜 电压:90~100V

时间:25min

厚6~30μm,暗绿色复合膜

NH4F:450

(NH4)2HPO4:25

温度:20~25℃

电流密度:48~100mA/cm2

电压:190V

无光泽的白色硬膜

K2Cr2O7:25

(NH4)2SO4:25

pH值:5.5

温度:20℃±1℃

时间:60min

电流密度:0.8~2.4mA/cm2

电压密度:1.2~3.6mA/cm2

黑色膜

(3)等离子微弧阳极氧化处理

又称等离子阳极氧化或阳极火花沉积。它是利用电化学方法将材料置于脉冲电场环境的电解质溶液中用高电压大电流在材料表面微孔中产生火花放电斑点,在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下原位生长成陶瓷膜层的阳极氧化方法。应用金属有Al、Mg、Ti、Zr、Nb、Ta等金属或合金

微弧氧化过程一般认为分4个阶段:第1阶段,表面生成氧化膜;第2阶段,氧化膜被击穿,并发生等离子微弧放电;第3阶段,氧化进一步向深层渗透;第4阶段,为氧化、熔融,凝固平衡阶段。在微弧氧化过程中,当电压增大至某一值时,镁合金表面微孔中产生火花放电,使表面局部温度高达1000℃以上,从而使金属表面生成一层陶瓷质的氧化膜,其显微硬度在1000HV以上,最高可达2500~3000HV;而且氧化时间越长,电压越高,生成的氧化膜越厚。但电压过高,将导致氧化膜大块脱落,并在膜表面形成一些小坑,降低氧化膜性质

微弧氧化膜与普通氧化膜一样,具有两层结构:致密层和疏松层,但微弧氧化膜的孔隙小,孔隙率低,生成的膜与基体结合紧密,质地坚硬,分布均匀,从而有更高的耐蚀性和耐磨性。其工艺比普通阳极氧化更简单,成本低,效率高,而且无污染。由于它具有比普通氧化膜更好的性能又兼有陶瓷喷涂层的优点,因而是镁合金阳极氧化的主要发展方向

可根据需要,应用微弧氧化技术,制备耐蚀膜层、耐磨膜层、装饰膜层、电防护膜层、光学膜层、功能性膜层等,应用于航空航天、汽车、机械、化工、电工、医疗、建筑装饰等领域

镁合金常用微弧氧化工艺 电解液体系

电压/V

电流密度/A·dm-2

温度/℃

时间/min

膜厚度/μm

六偏磷酸盐系 ≤340 2~10 15~30

15~120

30~100
硅酸盐系 300 5~15 10~20 10~95
磷酸盐系 ≤300   15~30 10~100
偏铝酸盐系 ≤340 15 20~40 20~105
磷酸盐与硅 ≤300 2~10 15~30 10~100
酸盐的复合系        

(4)表面渗层处理

1) 氮化处理。是将氮气解离,用高压加速装置把氮离子植入镁合金的表面,以提高表面耐蚀性

2) 渗铝处理。是通过化学热处理或其他热扩散方法,在镁合金表面形成扩散型的富Al层,氧化时在镁合金的表面生成致密的Al2O3或MgAl2O3层,从而提高镁合金的表面硬度和耐蚀性、耐磨性

(5)金属涂层处理

一般采用电镀、化学镀和喷涂方法制备金属涂层。电镀、化学镀是利用化学还原法或电化学还原法在镁合金表面沉积所需金属元素,并与表面的镁形成结合牢固的致密层。但镁合金表面电镀或化学镀比较困难,一般采用化学转化镀金属。电镀一般选用Cu、Ni-Cr-Cu涂层

(6)溶胶-凝胶法

该技术的反应条件温和(室温或稍高温度、常压),合成手段灵活多样的;它制备的金属涂层材料具有耐热、耐蚀及光、电、磁等功能。是开发多功能无机-有机复合膜材料的新的研究方向

(7)有机涂层及特殊涂层

是保护镁合金表面常用的方法,应用的有机物涂层很多,如环氧树脂、乙烯树脂、聚氨酯以及橡胶等。涂装方法有喷涂、浸涂、刷涂、电泳涂或粉末静电涂装。这种防护只能用作短期保护,表面涂覆油、油脂、油漆、蜡和沥青等也可作短时保护

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