机械磨损通常包括黏着磨损、磨粒磨损、微动磨损等类型;介质腐蚀泛指在介质中由于物理、化学或电化学作用而引起的材料流失、结构改变等(如溶解、剥落、老化等);磨损与腐蚀的联合作用指力学与化学的交互作用,多数情况下,腐蚀可以加速磨损,磨损也可以加速腐蚀,但也存在少数两者相互抑制的情况。耐磨耐蚀材料必须同时具有耐磨损和耐腐蚀的特性。其主要应用于石油化工、能源交通、冶金、水利水电、矿山、医疗等行业设备中的摩擦副或过流部件,如泵、阀门、水轮机、轴承、齿轮、人工关节等。根据成分,耐磨耐蚀材料可以分为耐磨耐蚀金属材料、耐磨耐蚀陶瓷材料、耐磨耐蚀有机高分子材料、耐磨耐蚀复合材料四大类。
耐磨耐蚀材料
能够抵抗机械磨损、介质腐蚀及其联合作用所引起损伤的一类材料的统称。
- 英文名称
- corrosion-wear resistant material
- 所属学科
- 材料科学与工程
可以分为纯金属、合金及金属间化合物三类。①纯金属材料,由于性能的局限性,应用不广,但是难熔金属(如钨、钼、铌、钽、钒、锆等)以其高熔点、良好的耐腐蚀性能以及较高的高温强度等特性而被用作耐磨耐蚀材料,例如钨被用于制造印刷机械中耐墨水浸蚀的部件。但是难熔金属价格高、比重大,因而多用作涂层材料。另外,难熔金属在高温空气中极易氧化,必须采取保护措施,如使用高温防护涂层等。②耐磨耐蚀合金材料,主要通过合金化、热处理等方法使金属兼具耐磨损和耐腐蚀的性能(见耐磨耐蚀合金)。③金属间化合物,具有金属键和共价键共存的特点,具有耐高温氧化、耐腐蚀、耐磨损等优良性能,是比较理想的耐磨耐蚀金属材料(如NiTi金属间化合物)。
具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蚀等优异性能,常用于摩擦副材料以及喷嘴等过流部件。使用较多的耐磨耐蚀陶瓷有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷。①耐磨耐蚀氧化物陶瓷,包括氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化硅(SiO2)等,具有优异的高温性能及化学稳定性,适于在高温氧化环境下长时间使用,如氧化铝被大量应用于超高音速飞机中的喷管。②耐磨耐蚀碳化物陶瓷,包括碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、碳化硼(B4C)等,具有硬度高、化学稳定性好等特点,可以应用于在强腐蚀性介质中服役的喷嘴、轴承、阀门等部件。③耐磨耐蚀氮化物陶瓷,应用最多的是氮化硅(Si3N4),其硬度高、摩擦系数低、化学稳定性好,具有自润滑、耐磨、耐腐蚀、耐高温的特点,是比较理想的耐磨耐蚀陶瓷材料,常用于泵的密封环、高温轴承、喷嘴等易腐蚀磨损的部件。耐磨耐蚀陶瓷的服役性能与其结构密不可分,例如,陶瓷材料的孔隙率对其力学性能以及耐蚀性能都会有影响,而陶瓷的结构和制备工艺直接相关,常规的陶瓷制备过程为粉体—成型—烧结,任何一个过程都会影响最终的耐磨耐蚀性能,因此,耐磨耐蚀陶瓷优良性能的发挥需要对制备的每个环节进行精确控制。虽然耐磨耐蚀陶瓷具有优良的耐腐蚀磨损性能,但是脆性高、韧性差、加工成型困难、容易发生灾难性破坏的缺点限制了其应用。解决方法是采取第二相增韧制成陶瓷复合材料(如碳化硅增强氧化铝复合陶瓷等)或者直接制成表面涂层,而最常用的是两者相结合,即制备成陶瓷复合涂层,用于改善工件表面的耐磨耐蚀性能。
又称高聚物。具有金属及陶瓷无法比拟的优点,其弹性模量低且易于实现弹流润滑,同时具有抗黏着、化学稳定性好以及一定的耐温性能等特性,在滑动接触的部件中得到广泛应用。常用的耐蚀耐磨有机高分子材料可以分为热塑性、热固性和弹性体三类:①热塑性高分子材料,具有可逆的加热软化、冷却硬化特性,不同种类高聚物分子链的刚韧性不同,其耐磨性和耐蚀性差异较大,其中尼龙和聚四氟乙烯是最常用的耐磨耐蚀热塑性材料,尼龙具有较高的耐磨性,聚四氟乙烯具有优异的高温(260℃左右)稳定性及耐蚀性,同时两者都具有自润滑的特性,因此被广泛应用于耐磨耐蚀及自润滑部件。但是热塑性高分子材料在载荷及摩擦速度超过一定值后会发生软化,使得磨损突然增加,利用纤维、填料增强可以提高它们的耐磨性及尺寸稳定性。②热固性高分子材料,在制造或成型过程的前期为液态,固化后即不溶不熔,也不能再次熔化或软化,其中通常都加入了大量的填料,而且制品是交联完全的体型高聚物结构,具有尺寸稳定和耐磨损的特性,因此可以用于叶轮泵、齿轮等部件,如酚醛纤维状压塑料。③弹性体高分子材料,以橡胶为典型代表,其在受力发生大变形,撤出外力后可以迅速恢复其近似初始形状和尺寸,因而可以有效抵抗介质对材料表面的作用,同时还具有一定的耐酸碱能力,已被广泛应用于轮胎以及化工反应器的衬底等部件。耐磨耐蚀有机高分子材料虽不会在空气中锈蚀,但其热导率比钢低10倍左右,因此在应用过程中摩擦热无法有效散失会带来问题,这在很大程度上限值其应用。另外,有机高分子材料普遍的膨胀系数比金属大得多,增加了同其他金属部件配合使用的困难。
可以充分发挥各组分的优异性能,同时各种组分在性能上互相取长补短,产生协同效应,使其综合性能优于原组成材料,从而弥补单一材料在性能上的不足,以满足各种复杂工况的要求。耐磨耐蚀复合材料由具有耐磨损性能和耐腐蚀性能的两种或多种材料组成(金属、陶瓷和高聚物),由此发展出三大类耐磨耐蚀复合材料:①金属或合金基耐磨耐蚀复合材料。从材料设计的角度讲,金属或合金的耐磨性和耐蚀性往往是相互矛盾的,例如提高钢耐磨性的有效办法是增加其碳化物含量,但是碳含量的增加会使耐蚀性能明显下降。若采用硬质颗粒(如碳化硅、氧化铝颗粒等)对金属或合金基体进行增强,则能在充分发挥金属或合金的耐蚀性好、韧性高等优点的基础上,提高复合材料的耐磨性。常见的金属或合金基耐磨耐蚀复合材料有碳化钨颗粒增强的铜合金基复合材料、氧化铝颗粒增强的铝合金基复合材料等。设计此类复合材料的关键是增强颗粒的选择,既要保证提高复合材料的耐磨性,又不能与基体金属或合金形成腐蚀微电池而使耐蚀性下降。另外,利用石墨具有自润滑的特性设计出的石墨/金属或合金基复合材料(如石墨/纯铜复合材料)同样可以作为耐磨耐蚀复合材料。②陶瓷基耐磨耐蚀复合材料。从性能的角度,陶瓷材料本身便具备耐磨耐蚀性能,但是脆性大和可靠性差等致命弱点严重限制其应用,因此对陶瓷进行增韧是其可用于耐磨耐蚀材料的关键。常用的增韧方法包括纤维增韧(如碳纤维、碳化硅纤维等)、晶须增韧(如氧化铝晶须、氮化硅晶须等)、颗粒增韧(如氧化铝颗粒等)等,已有许多成功案例,如碳纤维/碳化硅陶瓷已成功用于飞机发动机喷嘴。③高聚物基耐磨耐蚀复合材料。常用的高聚物基体有热塑性树脂(如聚乙烯、聚丙烯、尼龙等)和热固性树脂(如酚醛树脂、环氧树脂等),增强体包括纤维(如玻璃纤维、碳纤维等)、颗粒(如陶瓷颗粒等)、晶须和三维泡沫陶瓷。增强体可以有效改善高聚物基体易变形等性能不足,使其具备耐磨耐蚀的综合性能。