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保護零件的最佳盔甲:硬質涂層之“普通硬質涂層”篇,中國建材網,cnprofit.com
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保護零件的最佳盔甲:硬質涂層之“普通硬質涂層”篇
2021年01月22日    閱讀量:627    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

在機械制造加工領域,大量的工件會在接觸、碰撞、振動等復雜工況下服役,因此很容易發生各種形式的破壞和失效。不過隨著現代科學技術的飛速發展,已經有了可靠的方法提高各類材料及零部件的表面性能,那就是在它們的表面涂覆硬質涂層,不僅可有效改善了工件的性能,還能提高工作效率、延長使用壽命。

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硬度涂層的分類


硬質涂層是指具有一定厚度(一般為微米量級)、顯微硬度在20GPa以上的涂層中國建材網cnprofit.com。硬質涂層具有高的硬度、低的摩擦因數、良好的耐高溫和耐腐蝕性能,在機械加工、模具制造、地質鉆探、紡織工業及航空航天等領域發揮著越來越重要的作用。根據顯微硬度不同,硬質涂層可分為兩種:一種是顯微硬度介于20~40GPa之間的普通硬質涂層;另一種是顯微硬度超過40GPa的超硬涂層,今天首先對前者進行總結。

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普通硬質涂層


普通硬質涂層材料大多是過渡族金屬與非金屬構成的化合物、金屬間化合物等。這些化合物通常通過金屬鍵、共價鍵、離子鍵或離子鍵和金屬鍵的混合鍵鍵合而成,因具有極高的硬度、優良的耐熱性、抗氧化性、耐腐蝕性以及良好的絕緣性能。目前常見的普通硬質涂層主要包括氮化物、硼化物、氧化物和碳化物涂層等。


①氮化物涂層


金屬氮化物一般具有熔點和硬度高,熱穩定性能、耐腐蝕性能和抗氧化性能優良等特點。鈦、鉻、釩、鈮、鋯、鉿等過渡族金屬的氮化物通常被用作刀具表面的強化涂層。常見的且研究最早、應用最廣泛的是鈦、鉻氮化物涂層。


TiN涂層具有硬度高、韌性好、化學穩定性好和色澤華麗等優點,已在工具行業上成功應用,曾被譽為“工具上的一次革命”。該涂層除了可作為功能涂層外,還可作為裝飾涂層;與TiN涂層相比,CrN涂層的摩擦因數更低,耐高溫和耐腐蝕性能更好,并且具有較高的濺射產額,有利于大批量的工業生產。此外,CrN涂層的內應力較低,在不同基體上的涂層厚度可達40μm,而TiN涂層的厚度只能達到約10μm。

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TiN涂層


②碳化物涂層


碳化物是一類熔點和硬度很高、熱穩定性和機械穩定性極高的材料,其在室溫下幾乎可以耐各種化學試劑的腐蝕,部分碳化物還具有與其母體金屬相類似的電、磁性能。碳化物涂層在機械切削、礦物開采、耐磨損和耐高溫部件等方面廣泛應用?碳化物涂層材料主要有Ⅳ族碳化物(如TiC、ZrC、HfC)、V族碳化物(如VC?NbC?TaC)和VI族碳化物(如Cr3C2、MoC、WC)等?在上述各種碳化物涂層中,TiC、Cr3C2和WC涂層的應用最為廣泛?


TiC涂層的性能與TiN的相似,都具有很高的硬度和耐磨性,可用作切削工具、鉆頭和各種模具的耐磨涂層,但脆性較大,通常在涂層制備過程中加入一些氮形成Ti(C,N)涂層,以改善韌性;鉻的碳化物(Cr3C2)具有最強的抗氧化能力,在高溫下依然保持著相當高的硬度,在空氣中于1100~1400℃才開始發生顯著氧化,因此是一種極優異的防腐涂層;與TiC和Cr3C2相比,WC具有更加優異的耐磨性,因此適合用于摩擦、磨損、沖蝕等領域的應用中,被認為是電鍍硬鉻涂層的理想替代產品。

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Ti(C,N)涂層


③氧化物涂層


常見的氧化物涂層材料主要有Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2等,它們具有較高的硬度、良好的化學穩定性和熱穩定性等,是理想的硬質防護涂層。ZrO2作為熱障涂層,廣泛用于高溫合金的耐熱防護方面;Al2O3和Cr2O3具有相當高的硬度,且很致密,主要用作耐磨和抗高溫氧化腐蝕涂層。


Al2O3不溶于水,微溶于強酸和強堿溶液,是在工業中應用最多的金屬氧化物涂層材料,常作為耐磨涂層應用于硬質合金切削刀片以及在高溫下工作的機械部件上;ZrO2涂層擁有優秀的高溫熱穩定性能和隔熱性能,是理想的高溫耐火材料和熱障涂層材料;Cr2O3具有比前兩者更高的硬度,還具有極好的化學穩定性、耐高溫性能以及低的摩擦因數,通常被用作微電子器件的阻擋層和磨損器件的保護層;TiO2的硬度較低,但其具有非常低的孔隙率,不易發生化學反應,韌性好,易于加工,磨削后的表面粗糙度很低,耐大多數酸、鹽等溶劑的腐蝕,是重要的耐蝕、耐磨涂層材料。


④硼化物涂層


過渡族金屬硼化物通常是間隙相化合物,硼與硼之間可形成多種復雜的共價鍵,同時硼原子又可與金屬原子形成離子鍵,其硬度與碳化物的硬度相當,甚至更高,而且惰性更強,化學性能更穩定。其中,ZrB2、TiB2等二元硼化物因性能優異而被認為是最有希望得到廣泛應用的硼化物,已廣泛用作耐磨耐蝕涂層、中子吸收涂層和自熔性合金中的強化硬質相以及超高溫涂層等。


總結

雖然在性能上與超硬涂層有些距離,但普通硬質涂層憑借不錯的性能、較低的成本依舊在眾多領域得到廣泛應用。不過隨著現代科學技術和工業的迅速發展,部分領域的機械和結構零件需要在比以往更苛刻的條件下工作,因此對材料以及表面防護涂層的性能提出了更高的要求,下一篇中將對硬度更高的“超硬涂層”進行整理總結。


資料來源:

黑鴻君,高潔,賀志勇等.普通硬質涂層和超硬涂層的研究進展[J].機械工程材料,2016,40(5):1-15


標簽:工業涂料,輔料與設備,涂裝應用,技術中心,涂裝
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