【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 淀在工件表面得到 涂層的技術(shù) [10]。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 夏正月等 [30]用等離子體增強(qiáng) CVD 制備了氫化非晶硅 /二氧化硅多層 薄膜，通過(guò)兩步熱退火 法獲得了可控 尺寸 的納米硅 /二氧化硅多層結(jié)構(gòu)。 Q Luo 等 [31]利 用非平衡磁控濺射技術(shù)制備了 TiAlCrYN 涂層， 試驗(yàn) 結(jié)果表明， Y 的加入進(jìn)一步提高了涂層的高溫抗氧化性能。 （ 7） 熱浸鋁工藝 熱浸鍍鋁技術(shù) （ HDA） 是一種工業(yè)化的技術(shù)，它是將經(jīng)過(guò)處理的鋼鐵材料放入一定溫度的鋁液中保溫適當(dāng)時(shí)間，使固態(tài)鐵和液態(tài)鋁之間發(fā)生一系列 物理化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)擴(kuò)散和吸附在鋼鐵表面形成鍍鋁層和鐵鋁擴(kuò)散層，從而達(dá)到表面保護(hù)和強(qiáng)化的作用 [32]。 鋼材的熱浸鋁過(guò)程是鋁與鐵之間相互潤(rùn)濕、熔化、擴(kuò)散和生長(zhǎng)的過(guò)程 [33， 34]。 鋼材經(jīng)熱浸鋁處理后，鍍鋁層厚度較大，并在鍍鋁層和基材之間形成了 Fe – Al 合金層，鍍層與基材之間的結(jié)合非常牢靠，能夠大幅度提高鋼材的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能，可使鋼材的使用溫度提高或延長(zhǎng)高溫使用周期。 鋼基材表面獲得鍍鋁層后，由于 Al 元素的化學(xué)活性高，鍍層表面會(huì)自然生成一層Al2O3 膜，使其耐腐蝕性和抗高溫氧化性能得到大幅提高。但 在空氣中形成 Al2O3 較薄，分布不均勻，難于滿足一些條件比較苛刻的要求，也不能發(fā)揮出 Al2O3 耐磨性的特點(diǎn)。為了獲得高質(zhì)量 Al2O3 涂層，工業(yè)上常采用高溫氧化、微弧氧化、電泳沉積等方法法來(lái)獲得 Al2O3 涂層。 關(guān)君實(shí) [35]學(xué)者通過(guò) 無(wú)機(jī)熔融鹽電鍍的方法在 Q235 鋼上獲得了鍍鋁層，并對(duì)所得鍍鋁層進(jìn)行了高溫氧化實(shí)驗(yàn)。在 700℃獲得了 Al2O3 薄膜，極大地提高了鍍鋁層表面的硬度。 Y. Y. Chang 等 [36]將冷軋 9Cr1Mo 鋼片放入熔融 Al7wt.%Si 中進(jìn)行熱浸鍍處理，獲得了厚度為 25μ m的鍍 層，并在 850℃中進(jìn)行高溫氧化處理。實(shí)驗(yàn)表明，在氧化開(kāi)始的 1h 內(nèi)，氧化速率很快，之后速率降低，試樣表面形成了γ Al2O3，呈納米棒狀離散分布。表面γ Al2O3 與基材之間為多孔狀的 FeAl合金層，孔洞的形成是由于合金層的 Al 元素與空氣中 O 結(jié)合生成 Al2O3，隨著 Al 元素的不斷氧化，孔洞也有增大增多的趨勢(shì)。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 釬涂工藝 近年來(lái)，我們開(kāi)發(fā)出了一種新的涂層制備工藝，即釬涂技術(shù)。 釬涂技術(shù)是借助釬焊的原理 ， 利用液態(tài)釬料合金在基體金屬上的潤(rùn)濕和鋪展 ， 在基體表面形成一種具有特殊性能涂層的材料表面加工技術(shù)。 利用釬涂技術(shù)既可以制備具有特定性能的金屬涂層 ， 也可以通過(guò)在涂層材料中添加陶瓷增強(qiáng)相 (如碳化物、硼化物、氧化物等 )方便地制備陶瓷 /金屬?gòu)?fù)合耐磨涂層 [37]。與傳統(tǒng)的涂層技術(shù)相比 ， 釬涂技術(shù)具有如下特點(diǎn) ： (1)涂層與基體之間為冶金結(jié)合 ， 結(jié)合強(qiáng)度高 。 (2)涂層中陶瓷相含量范圍寬 (0~70%)， 且組織均勻、致密、孔隙率低 ； (3)可制備涂層的厚度范圍大 ， 既可制備 50~60μ m的薄涂層 ， 也可獲得 3~4mm的厚涂層 ； (4)涂層表面光滑、質(zhì)量好、加工精度高 ， 對(duì)于一般應(yīng)用只需少量加工甚至無(wú)需加工 [38]。 因此釬涂是一種很有 前途的加工方法。 （ 1） 釬涂的原理 從實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)，釬涂就是一種特殊的釬焊。與常規(guī)釬焊不同的是釬涂 的 材料由兩部分組成：一部分是通常 所用 的釬料，它 的熔化溫度較低，稱為低熔點(diǎn)組分；另一部分是熔點(diǎn)高的硬質(zhì)合金， 稱為高熔點(diǎn)組分。 理論上來(lái)講，任何一種釬料都可以 作為 釬涂材料的低熔點(diǎn)組分。但是作為耐 磨層，釬料本身要具有一定的硬度。 釬料的流動(dòng)性要好，以形成光滑的表面。對(duì)高熔點(diǎn)組分，即硬質(zhì)合金的要求是：硬度高、不能太脆、穩(wěn)定性好、容易被釬料濕潤(rùn)。 要想得到良好的涂層 ,作為粘結(jié)相的釬料合金與作為硬質(zhì)相的陶瓷之間必須有較好的潤(rùn)濕 性 ,滿足這樣條件的合金與陶瓷組合非常有限目前用于釬涂的釬料合金僅限于鎳基釬料 (BNi82CrBSiB,BNi76CrP),陶瓷相僅限于 WC 和 Cr3C2 等 [3941]。 （ 2） 鎳基釬料 當(dāng)要求釬焊件在 較高的溫度下進(jìn)行的時(shí)候，我們一般 采用鎳基釬料。鎳基釬料以 金屬鎳為基體，然后添加能降低熔點(diǎn)且能提高熱強(qiáng)度的元素 ，如硼、鉻、硅等。標(biāo)準(zhǔn)鎳基釬料的成分和熔化特性列于表 [4]。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 標(biāo)準(zhǔn)鎳基釬料 牌號(hào) 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%) 熔化溫度℃ 釬焊溫度℃ Ni Cr B Si Fe C P BNi74CrSiB 余量 13~15 ~ 4~5 4~5 ~ — 975~1038 1065~1205 BNi75CrSiB 余量 13~15 ~ 4~5 4~5 — 975~1075 1075~1205 BNi82CrSiB 余量 6~8 ~ 4~5 ~ — 970~1000 1010~1175 BNi76CrP 余量 13~15 ~ 890 925~1040 BNi74CrSiB 含鉻量高，釬焊 的 時(shí) 候 硼和碳向 基體擴(kuò)散，會(huì)使釬縫的重熔溫度提升 。它 有良好的高溫性能，應(yīng) 用于在高溫下 承 受大應(yīng)力的部件。 BNi75CrSiB 的熔化溫度比 BNi74CrSiB 高，流動(dòng)性相對(duì) 差 一些 。但 其 含碳量低， 能減少碳向 基體的擴(kuò)散，釬料和基體 的作用 減弱，可 用來(lái) 釬焊比 BNi74CrSiB 薄一些的工件。 BNi75CrSiB 也具有很 好的高溫性能，用途與 BNi74CrSiB 類 似。 BNi82CrSiB 的熔化溫度比 以上 兩種釬料都 要 低，可 以 在較低溫度下 進(jìn)行釬焊，釬料與基體的作用較 弱，可 用來(lái) 釬焊較薄的工 件。 釬料的熔化溫度間隔小， 流動(dòng)性 很好 。由于 該釬料 含鉻量低，焊 接 接頭的抗氧化性比 用 BNi75CrSiB 焊的稍差。 本設(shè)計(jì)所選用的鎳基釬料即為 BNi82CrSiB（ BNi2）。 BNi76CrP 是鎳基釬料中熔化溫度最低的釬料 之一，它 屬于共晶成分，流動(dòng)性非常好， 可以 流入 縫隙很小 的接頭，釬料對(duì) 基體 的溶蝕作用 也較小 。 BN i76CrP 含 有較多的鉻， 耐熱性 能較 好。但 該 釬料的高溫性能比鎳鉻硼硅和鎳硼硅釬料 還是低得 多。這 種釬料主要用于 焊 接 不銹鋼薄件。因 該 釬料不含硼，也特別適用于核領(lǐng)域 [4]。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 3） 釬涂工藝 根據(jù) 涂層厚度和 制 備方法 的 不同，釬涂可 以分成懸浮法和片狀法 。懸浮法 即 將細(xì)顆粒 (直徑約 15μ m)的硬質(zhì)合金 以及 細(xì) 顆粒 釬料粉用溶劑 和黏結(jié)劑 充分?jǐn)嚢?，直?成為懸浮狀。 然后將工 件 浸在 懸浮液 中 ， 或 將懸 浮液噴 涂在工件上，或用絲網(wǎng)印刷等方法將懸浮液涂抹在工件表面 ， 每次涂抹 的厚度為 到 。如果 想要 得 到 更厚的涂層，就要 先將涂層干燥，再用上述方法繼續(xù)涂抹，直到達(dá)到所要求的涂層厚度。 如果要 取得 到 3mm厚度的涂層， 就 可 以 用片狀法，如圖 所示。片狀法即 先將釬料和硬質(zhì)合金單獨(dú) 做 成片狀，將細(xì)顆粒 的 球狀釬料或細(xì)顆粒硬質(zhì)合金用有機(jī)物 黏 結(jié)劑混合 均勻，再 用 常規(guī)方法加工到所需 厚度。釬料或硬質(zhì)合金粉末經(jīng) 黏結(jié)劑黏 結(jié)和壓力加工后成 為 樹(shù)膠 的狀結(jié)合， 有一定的強(qiáng)度。然后將 制好的 片裁成 需要的形狀，用有機(jī) 黏結(jié)劑粘在工件表面，先放合金片，后放釬料片。在接下來(lái)的 加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到450℃時(shí)， 黏 結(jié)劑揮發(fā)，不留下殘?jiān)@樣在硬質(zhì)合金之間形成 了 空隙， 可以起到強(qiáng)烈的毛細(xì)作用。 當(dāng)加熱溫度超過(guò) 了 釬料 的熔點(diǎn)后，液體釬料在毛細(xì)作用下通過(guò)硬質(zhì)合金的間隙并潤(rùn)濕工件表面，繼而 填滿整個(gè)硬質(zhì)合金顆粒之間的空間， 最終 完成釬涂過(guò)程。 圖 片狀法釬涂原理 釬涂技術(shù)分類 釬涂技術(shù) 可以采用的加熱方法有 很多，制備涂層時(shí) 的 保護(hù)氣氛 也各不相同。所以，釬涂技術(shù)可以從保護(hù)氣氛、加熱方法等幾方面進(jìn)行分類 。根據(jù) 保護(hù)氣氛 的不同 將釬涂技術(shù)分 成 真空釬涂和保護(hù)氣氛 釬涂 兩種；按照加熱方法的不同可 分 為：爐中釬涂， 感應(yīng)釬涂 ，等離子釬涂（噴焊） 等等 [42]。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 按保護(hù)氣氛分類 （ 1） 真空釬涂 真空釬涂 即在真空條件下的釬涂工藝，該技術(shù)可以在金屬基體表面制備 耐磨 、防腐蝕的金屬 陶瓷涂層，這種涂層有很多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)微裂紋和微氣孔，是一種連續(xù)致密 的涂層，其 抗氧化及抗腐 蝕性 能 電鍍層和熱噴涂層 要強(qiáng)；涂層的厚度范圍 較大，薄可以為，厚可 以達(dá) 7mm，薄 的涂層一般起防腐蝕和抗氧化的作用，厚涂層則用來(lái)耐磨和修復(fù)工件表面缺陷； 涂層的成分可 以 根據(jù)需要 來(lái) 調(diào)整，涂層 的 硬度 也 可 以在一定范圍內(nèi)變化，它的 硬度上限可達(dá) HRC70 以上，該硬度是 其它涂層 制備工藝很難 達(dá)到的， 而且 該 涂層 比堆焊層等涂層的 硬度分布均勻。 真空釬涂的基本過(guò)程為： 將涂層原料按設(shè)計(jì)好的 成分比例 調(diào)配后 混合均勻，加入有機(jī) 黏結(jié)劑做成料漿， 對(duì)基材需要制備涂層的表面進(jìn)行清洗， 去除油污和氧化皮， 將料漿涂 覆或噴涂 于 基體清洗過(guò)的表面上并 烘干，揮發(fā)掉 有機(jī)黏 結(jié) 劑中的溶劑 ，然后在真 空 條件 下將試樣快速加熱到 所需的 釬涂溫度，保溫適當(dāng) 的時(shí)間后在真空爐中冷卻 [42]。 釬涂溫度設(shè)定在基材 的熔點(diǎn)以下，但 在涂層固相溫度以上，在該溫度下合金涂層處于 液化 狀態(tài)，使涂層與基材之間 發(fā)生擴(kuò)散 形成冶金結(jié)合。 用真空釬涂制備金屬陶瓷涂層時(shí)，常用料漿法或者噴涂法 。料漿法的優(yōu)點(diǎn) 有以下幾種 ：① 在修理 部件 時(shí)或在摩擦部件內(nèi) 部可進(jìn)行局部涂覆；②工藝性能優(yōu)良 ；③ 即使制備多組分的復(fù)雜的涂層，也可用較簡(jiǎn)單的方法；④進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢允雇扛膊考安考^(guò)熱結(jié)構(gòu)復(fù)原兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行 ；⑤在大型零件上制備涂層，特別是在需要局部涂覆時(shí)，經(jīng) 濟(jì)效益非常 高。 用 料漿法 制備 涂層 適宜 用 真空 氣氛 或氫氣 保護(hù)。 均勻 的復(fù)合涂層只能在適當(dāng)溫度下制得， 在開(kāi)始流散的溫度下，涂層 往往 帶有 缺陷，但在過(guò)高的溫度下， 熔融 的釬料會(huì) 從涂層上流下來(lái)。料漿的臨界厚度不僅取決于料漿的成分， 還取決于溫度和金屬基體的成分 。在料漿 中加入鉻等難熔物，使之難以液化，就不易 沿基體表面流散， 便能令涂層最大厚度顯著增加。料漿法的缺點(diǎn)有以下幾種： ① 料漿涂 覆 的方法不夠完善，難以在 零件上 制備 厚度均勻 的 涂層 ； ②難以 在空 心 零件內(nèi)表面上 制備 涂層； ③只有采用高分散性粉末才能在 擴(kuò)展面 制 備 涂層。涂層性能在很大程度上 取 決 于操作者 的北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 熟練 程度。在厚度 及成分 相同 的條件下，料漿法 制備的 涂層由于不致密， 其 抗破裂的能力 會(huì) 比 噴涂 法 制備的涂層低一些。這種缺陷是在干燥 料漿中的有機(jī)組分時(shí)產(chǎn)生的。 真空釬涂 制備 涂層的材料 由 鈷基合金、鐵基合金 、鎳基合金以及 陶瓷相組 成， 真空加熱 后 在涂層 中產(chǎn)生 硬質(zhì)陶瓷相化合物，分散在 基體中以 提高材料的 耐磨性 和硬度 [42]。用 真空釬涂 制備的合金涂層多數(shù) 為彌散強(qiáng)化型合金， 其 析出相主要有碳化物 、 硼化物 以及 硅化物， 碳化物 、硼化物會(huì) 起 到 彌散強(qiáng)化 的作用。合金基體及 其中的 碳化物 、硼化物使涂層擁 有良好的耐磨、耐熱 、抗腐 蝕 和抗氧化 的 性能。 真空釬涂 的涂層材料 選擇受 會(huì) 到加熱方式 的影響，加熱方式不同，涂層材料的選擇也不同。如果用爐中電阻絲加熱，由于設(shè)備的限制，能達(dá)到的 溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 激光 、 火焰、 等離子 、電弧的加熱溫度。此時(shí)選擇的涂層材料為 熔化溫度較低的自熔合金 ，如 鐵基、鈷基 、 鎳 基自熔合金。 （ 2） 保護(hù)氣氛釬涂 保護(hù)氣氛釬涂的 過(guò)程、涂層材料 的 選擇、涂層厚度 的范圍等與真空釬涂相同，不同點(diǎn)在于采用了保護(hù)性氣體。采用保護(hù)性氣體的目的是防止涂層材料或基體在釬涂過(guò)程中氧化。常用 的 保護(hù)性 氣體 主要有 [43]： ①放熱氣體或吸熱氣體：這類氣體主要通過(guò) 天然氣 等 氣 體與空氣 混合后燃燒制得。該類氣體 主要成分是氮、氫、烷、 一 氧化碳、 二 氧化碳 及 水蒸氣。 ②分解氨： 這類氣體 是 加熱純凈的氨氣 制得的一種氣體，其中含有 3/4 的 氫 氣 、 1/4的 氮及微量 的 水蒸氣。 ③ 氫 氣 ：這種 保護(hù) 氣氛廣泛地 應(yīng)用于 在不銹鋼和耐熱鋼上制備釬涂 的涂層。市場(chǎng)上可以買到生產(chǎn)氫的發(fā)生器以及 裝在低溫容器中的液化氫。通常在消耗量 比較小的情況下使用氫氣瓶較為 經(jīng)濟(jì)。在有些情況下，氫 氣必須經(jīng)過(guò)干燥，以減少氫氣中的 水蒸氣。 ④ 惰性氣體： 惰性氣體 氬廣泛 應(yīng)用于爐中釬涂的某些情況。氬只能以氣態(tài)或液態(tài)裝入罐中供應(yīng)。氦雖然非常適合用于 釬 涂保護(hù)氣體，但其應(yīng)用并不廣泛，因?yàn)楣?yīng)量較小。 氦是一種 密度很小 的氣體，并對(duì)所有 的 金屬都 顯示出 惰性。 ⑤ 其它氣體：某些氮混合氣體 對(duì)金屬 基體 和涂層材料有 較強(qiáng) 的還原性， 也 可以北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）