无论是摩擦副材料还是过流部件,机械磨损和介质腐蚀多发生于部件或材料的表层、亚表层,因此对其进行耐磨耐蚀表面改性不仅可以满足恶劣工况下的服役要求并保障安全性,还可以降低成本以及避免部件原有性能的快速降低,是一种简单、高效、高性价比的处理技术。通常耐磨耐蚀表面改性技术可以分为表面形变强化、表面热处理、表面涂层和微弧氧化四大类。
耐磨耐蚀表面改性
采用化学或物理方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构,以提高机器零件或材料耐机械磨损和耐介质腐蚀性能的一类处理技术。
- 英文名称
- surface modification for corrosion wear
- 所属学科
- 材料科学与工程
主要利用机械方法使金属表面层发生塑性变形,使得晶粒极大地细化、位错密度增加,同时引入了适当的残余压应力,从而形成高硬高强的硬化层。常用的方法为喷丸处理、表面滚压和孔挤压。表面形变强化方法简单,可用于齿轮等摩擦副材料的耐磨耐蚀表面改性。表面形变强化对耐蚀性能的影响因材料和腐蚀介质不同而有所差异,例如喷丸处理可以提高铝合金耐盐雾腐蚀的能力,但却对镁合金在氯化钠中的耐蚀性不利。因此,采用表面变形强化时应特别注意其对耐蚀性能的影响。
通过对材料表面进行加热、冷却而改变表层的成分、组织、结构的热处理工艺,多用来进行表面强化,提高表面的力学性能,如耐磨性和抗疲劳性能等。通常表面热处理针对金属材料,尤其是钢,包括表面淬火和表面化学热处理两大类:①表面淬火,通过不同的热源对工件进行快速加热,当表层温度达到临界点以上(此时工件心部温度处于临界点以下)时迅速冷却,工件表层发生固态相变,得到了淬硬组织(多数为马氏体组织),可以有效提高工件表面的耐磨性,而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的,要求所用热源具有较高的能量密度,根据加热方法不同,表面淬火可分为感应加热(高频、中频、工频)、火焰加热、电接触加热、激光加热、电子束表面淬火等。可用于齿轮、轴、活塞杆等易磨损部件。②表面化学热处理,将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层,改变表层的组织和化学成分,从而使工件表层具有耐磨耐蚀的特性,多用于金属材料及其合金。表面化学热处理包括三个基本过程:化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程;活性原子或离子被工件表面吸收和固溶的吸收过程;被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。根据渗入元素的不同,表面化学热处理可以分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬等。根据具体工况的性能要求,可以针对性地选择不同的化学热处理工艺,例如渗碳、渗氮可以提高钢件的耐磨性,渗氮可以提高零件的抗大气腐蚀性能,渗铝、渗硅和渗铬可以提高钢件的耐蚀性和耐高温氧化性能。表面化学热处理可用于喷嘴、阀门、泵等部件。
采用表面喷涂技术在工件表面形成一层成分、结构、性能与基体有所不同的连续薄膜,目的是把不够耐磨耐蚀的基体材料与工作环境隔离,而该表层材料具有符合服役工况要求的优良性能。表面涂层技术在耐磨耐蚀材料中应用非常广泛,已成功应用于水煤浆泵、烟气脱硫泵叶轮、锅炉管道等部件。常见的表面涂层有耐磨耐蚀陶瓷涂层、金属/陶瓷复合涂层、耐磨耐蚀有机涂层等。耐磨耐蚀表面涂层技术通常包括热喷涂技术、冷喷涂技术、激光熔覆技术、电镀与化学镀等:①热喷涂技术,一种将涂层材料利用高温高速气流喷射到基体材料表面,用于提高设备或构件表面耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等性能,并能对由于磨损、腐蚀或者加工引起的零件尺寸减小进行修复的一种表面处理工艺。常用的有电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、激光喷涂等。由于其可制备的涂层种类比较多(如金属涂层、陶瓷涂层、有机涂层等),因此是比较常用的制备耐磨耐蚀涂层的方法,已成功应用于航空航天领域的发动机叶片、燃气轮机叶片、火箭头部,以及机械和化工领域的齿轮、凸轮等部件。②冷喷涂技术,又称冷空气动力学喷涂或动能喷涂。是利用低于溶化温度的高压气体将涂层材料用粉末颗粒在完全固态下高速撞击基体,通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。冷喷涂层在高应力下不产生剥落和分层。其应用领域与上述类似。③激光熔覆技术,以不同的添料方式在被涂覆基体表面放置好涂层材料,经激光辐照使之和基底表面一薄层同时熔化,快速凝固后形成稀释度极低且与基底材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基底材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化特性等的表面处理工艺。适于局部易磨损、氧化、腐蚀的部件,已成功应用于不锈钢、铝合金等材料的表面耐蚀耐磨改性,如在不锈钢表面熔覆钴基、镍基耐高温合金以及陶瓷。④电镀与化学镀,利用电流电解或化学反应使镀液中的物质在基体表面沉积并形成完整镀膜的表面处理工艺,用于耐蚀耐磨领域的有金属镍镀层、镍-锡-磷复合镀层、镍-磷-碳化硅复合镀层等,已应用于发电机组蒸汽冷凝管等部件。
将有色金属或合金置于含有电解质的水溶液中,利用等离子体化学和电化学原理,使材料表面产生火花放电,在热力学、电化学和等离子体的共同作用下,原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层的表面处理技术。针对耐磨耐蚀领域,微弧氧化技术一般用于铝合金和镁合金,可以获得具有很高硬度,且耐磨损、耐腐蚀的氧化物陶瓷覆盖层。铝及铝合金经表面微弧氧化处理后,已经应用于建筑、机械、汽车行业中对耐磨耐蚀性能要求较高的铝制部件的表面处理,如汽车中的铝制活塞等。镁合金的微弧氧化处理后,已经应用于火箭等部件。