金属陶瓷涂覆层研究概述

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1、金属陶瓷涂覆层研究概述术刘宗德刘静静华北电力大学微纳米表面技术研究所(102206)摘要概述耐磨材料的应用背景和发展现状，综述金属陶瓷和金属陶瓷涂覆层研究进展，描述了电热爆炸超高速喷涂法反应合成亚微米晶金属陶瓷涂层技术和等离子反应合成碳化物基金属陶瓷熔覆层技术的进展及其应用前景。关键词金属陶瓷金属陶瓷涂覆层研究O引言磨损是机械零件失效的三大方式(磨损、腐蚀、断裂)之一，磨损也是工业材料和能源消耗的主要根源之一，其中麽粒磨损约占各种磨损类型的50％。磨粒磨损通常是指处理砂土、矿石、岩石等物料时，由这类物料造成机件的磨损。这类物料与机件表面相互作用的方式很多，有冲击、滚

2、动、滑动和冲刷等。关于磨粒磨损的分类，当前世界各国广泛认同的是H．S．Avery提出的分类方法，将磨粒磨损分为凿削性碰撞磨损、研碎性高应力磨损，擦伤性低应力磨损等。对于在凿削性碰撞磨损、研碎性高应力磨损工况下工作的耐磨件，目前高铬铸铁是首选的材料。含铬量在12％以上的高铬铸铁开发于20世纪初，1917年获得了美国专利。随后数十年内，由于对高铬铸铁的性能了解不多而限制了其应用范围。20世纪中期，美国国际镍公司研究开发了镍硬系列耐磨铸铁，其中，镍硬4(NiHard4)于1951年获美国专利，并逐渐广泛应用于矿产品加工行业。镍硬4的耐磨性能较好，但因其抗冲击能力欠佳而限制

3、了其在高应力磨粒磨损条件下的应用。20世纪60年代，美国Abex公司为改善高铬铸铁的性能进行了大量的研究工作，系统研究了Ni、Mo、Mn、Si、Cr和C等在高铬铸铁中的作用。随后，美国ClimaxMolybdenum公司又对Mo和Cu在高铬铸铁中的作用进行了系统的研究。20世纪80年代，美国内政部矿业局的研究中心又对高铬铸铁的热处理进行了研究，美国材料试验学会制定的“抗磨铸铁”标准ASTMA532中基本体现了上述研究成果。我国耐磨材料每年消耗约数百万吨，并且以每年15％的速度在增长。在水泥工业生产中，由于各种机械磨损，大量的钢材被消耗掉。据统计，我国水泥产量约13亿

4、吨／年，每年水泥工业消耗钢材在200万吨以上。其中机械磨损消耗钢材占90％以上。在电力行业，针对火电厂制粉系统中速磨煤机制造落后的情况，我国从1980年起先后从西方国家引进了RP、HP、MPS系列磨煤机制造技术，目前已有2000多台国产中速磨煤机在火电厂运行。国内早期使用的磨煤机磨辊和磨盘采用镍硬4(含Cr8％～9％，Ni5．o％～6．5％，C2．6％～3．2％)制造，随后由于降低成本的需要而采用高铬铸铁替代镍硬4。由于用高铬铸铁制造的磨辊和磨盘寿命高于镍硬4，我国已逐步将高铬铸铁取代了镍硬4。在高铬铸铁焊接工艺获得突破后，堆焊耐磨高铬铸铁的技术在磨煤机磨辊和磨盘上

5、得到成功应用，采用堆焊制造和修复的磨辊及磨盘的使用寿命相当于或者高于铸态的高铬铸铁磨辊(最高可达铸态高铬铸铁寿命的1．5倍)。但由于国内煤质较差，无论是铸态还是堆焊的高铬铸铁磨辊的寿命仅为4000～8000h，远达不N20000h以上设计寿命和磨煤机高效稳定运行的要求。在现有耐磨合金耐磨性已接近极限的情况下，迫切需要突破现有耐磨合金材料的局限性，开发新的高耐磨复合材料技术。综上，开发新的耐磨材料和防磨表面技术，对于减少磨损、降低钢材消耗、节约能源、促进水泥和电力等行业可持续发展，具有十分重要的意义。1金属陶瓷发展概述金属陶瓷是一种由金属或合金与一种或几种陶瓷相所组成

6、的非均质复合材料。在金属陶瓷中，陶瓷相体积分数约占15％～90％，这使得金属陶瓷既保持有陶瓷的高强度、高硬度，耐磨损，耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的韧性和塑性。金属陶瓷已成为非常重要的工具材料和结构材料，其用途极其广泛，几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业的发展和生产效率的提高起着重要的推动作用。金属陶瓷中陶瓷相通常是由高熔点氧化物(如Al2O3、ZrO2等)、碳化物(如TiC、SiC、WC等)、硼化物(如TiB2、ZrB2、CrB2等)、氮化物(如TiN、BN、Si，N等)组成。硅化物的熔点虽高，但易与金属反应，所以在金属陶瓷的配

7、方中较少采用。作为金属粘结相的材料主要有Ni、Co、Fe、Mo等，它们可以单独或组合起来使用，也可以是其它金属材料，如不锈钢青铜或高温合金。为了使金属陶瓷同时具有金属和陶瓷的优良特性，需满足以下几个主要条件：(1)金属对陶瓷相的润湿性要好。金属与陶瓷颗粒间的润湿能力是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的主要因素之一，润湿力愈强，则金属形成连续相的可能性愈大，金属陶瓷的性能愈好。(2)金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应。金属陶瓷制备时如果界面反应剧烈，形成化合物，就无法利用金属相改善陶瓷抵抗机械冲击和热震动的性能。(3)金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不可过大。金属陶瓷中的