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保护零件的最佳盔甲:硬质涂层之“普通硬质涂层”篇
2021年01月22日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:335
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在机械制造加工领域,大量的工件会在接触、碰撞、振动等复杂工况下服役,因此很容易发生各种形式的破坏和失效。不过随着现代科学技术的飞速发展,已经有了可靠的方法提高各类材料及零部件的表面性能,那就是在它们的表面涂覆硬质涂层,不仅可有效改善了工件的性能,还能提高工作效率、延长使用寿命。

硬度涂层的分类

硬质涂层是指具有一定厚度(一般为微米量级)、显微硬度在20GPa以上的涂层。硬质涂层具有高的硬度、低的摩擦因数、良好的耐高温和耐腐蚀性能,在机械加工、模具制造、地质钻探、纺织工业及航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。根据显微硬度不同,硬质涂层可分为两种:一种是显微硬度介于20~40GPa之间的普通硬质涂层;另一种是显微硬度超过40GPa的超硬涂层,今天首先对前者进行总结。

普通硬质涂层

普通硬质涂层材料大多是过渡族金属与非金属构成的化合物、金属间化合物等。这些化合物通常通过金属键、共价键、离子键或离子键和金属键的混合键键合而成,因具有极高的硬度

、优良的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性以及良好的绝缘性能。目前常见的普通硬质涂层主要包括氮化物、硼化物、氧化物和碳化物涂层等。

①氮化物涂层

金属氮化物一般具有熔点和硬度高,热稳定性能、耐腐蚀性能和抗氧化性能优良等特点。钛、铬、钒、铌、锆、铪等过渡族金属的氮化物通常被用作刀具表面的强化涂层。常见的且研究最早、应用最广泛的是钛、铬氮化物涂层。

TiN涂层具有硬度高、韧性好、化学稳定性好和色泽华丽等优点,已在工具行业上成功应用,曾被誉为“工具上的一次革命”。该涂层除了可作为功能涂层外,还可作为装饰涂层;与TiN涂层相比,CrN涂层的摩擦因数更低,耐高温和耐腐蚀性能更好,并且具有较高的溅射产额,有利于大批量的工业生产。此外,CrN涂层的内应力较低,在不同基体上的涂层厚度可达40μm,而TiN涂层的厚度只能达到约10μm。

TiN涂层

②碳化物涂层

碳化物是一类熔点和硬度很高、热稳定性和机械稳定性极高的材料,其在室温下几乎可以耐各种化学试剂的腐蚀,部分碳化物还具有与其母体金属相类似的电、磁性能。碳化物涂层在机械切削、矿物开采、耐磨损和耐高温部件等方面广泛应用。碳化物涂层材料主要有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Cr3C2MoC、WC)等。在上述各种碳化物涂层中,TiC、Cr3C2WC涂层的应用最为广泛。

TiC涂层的性能与TiN的相似,都具有很高的硬度和耐磨性,可用作切削工具、钻头和各种模具的耐磨涂层,但脆性较大,通常在涂层制备过程中加入一些氮形成Ti(C,N)涂层,以改善韧性;铬的碳化物(Cr3C2)具有最强的抗氧化能力,在高温下依然保持着相当高的硬度,在空气中于1100~1400℃才开始发生显著氧化,因此是一种极优异的防腐涂层;与TiC和Cr3C2相比,WC具有更加优异的耐磨性,因此适合用于摩擦、磨损、冲蚀等领域的应用中,被认为是电镀硬铬涂层的理想替代产品。

Ti(C,N)涂层

③氧化物涂层

常见的氧化物涂层材料主要有Al2O3ZrO2Cr2O3TiO2等,它们具有较高的硬度、良好的化学稳定性和热稳定性等,是理想的硬质防护涂层。ZrO2作为热障涂层,广泛用于高温合金的耐热防护方面;Al2O3Cr2O3具有相当高的硬度,且很致密,主要用作耐磨和抗高温氧化腐蚀涂层。

Al2O3不溶于水,微溶于强酸和强碱溶液,是在工业中应用最多的金属氧化物涂层材料,常作为耐磨涂层应用于硬质合金切削刀片以及在高温下工作的机械部件上;ZrO2涂层拥有优秀的高温热稳定性能和隔热性能,是理想的高温耐火材料和热障涂层材料;Cr2O3具有比前两者更高的硬度,还具有极好的化学稳定性、耐高温性能以及低的摩擦因数,通常被用作微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层;TiO2的硬度较低,但其具有非常低的孔隙率,不易发生化学反应,韧性好,易于加工,磨削后的表面粗糙度很低,耐大多数酸、盐等溶剂的腐蚀,是重要的耐蚀、耐磨涂层材料。

④硼化物涂层

过渡族金属硼化物通常是间隙相化合物,硼与硼之间可形成多种复杂的共价键,同时硼原子又可与金属原子形成离子键,其硬度与碳化物的硬度相当,甚至更高,而且惰性更强,化学性能更稳定。其中,ZrB2TiB2等二元硼化物因性能优异而被认为是最有希望得到广泛应用的硼化物,已广泛用作耐磨耐蚀涂层、中子吸收涂层和自熔性合金中的强化硬质相以及超高温涂层等。

总结

虽然在性能上与超硬涂层有些距离,但普通硬质涂层凭借不错的性能、较低的成本依旧在众多领域得到广泛应用。不过随着现代科学技术和工业的迅速发展,部分领域的机械和结构零件需要在比以往更苛刻的条件下工作,因此对材料以及表面防护涂层的性能提出了更高的要求,下一篇中将对硬度更高的“超硬涂层”进行整理总结。

资料来源:

黑鸿君,高洁,贺志勇等.普通硬质涂层和超硬涂层的研究进展[J].机械工程材料,2016,40(5):1-15

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