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【簡(jiǎn)介】
通過(guò)對(duì)鍍鉻和等離子噴涂的工藝特點(diǎn), 以及對(duì)鍍鉻層和等離子噴涂陶瓷涂層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性的分析, 指出鍍鉻雖可提高金屬零件的耐磨性和耐腐蝕性, 但鍍鉻工藝會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染; 而等離子噴涂陶瓷涂層不但比鍍鉻層具有更高的硬度、更好的耐磨性能和耐腐蝕性能, 而且是一種無(wú)污染或低污染的生產(chǎn)工藝. 根據(jù)陶瓷涂層目前的應(yīng)用狀況, 認(rèn)為用等離子噴涂技術(shù)代替鍍鉻技術(shù)具有良好的發(fā)展前景.
關(guān)鍵詞: 等離子噴涂; 陶瓷涂層; 鍍鉻; 耐磨性能; 耐腐蝕性能
中圖分類號(hào): TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
腐蝕和磨損是金屬材料的主要失效形式, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 世界鋼產(chǎn)量的25%消耗于腐蝕. 美國(guó)每年損失于腐蝕的鋼材就達(dá)3000多萬(wàn)t, 約150 億美元; 英國(guó)每年的腐蝕損失約13.65 億英鎊, 相當(dāng)于英國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的3.5%[1] ; 我國(guó)每年因腐蝕造成的損失約2000 億元人民幣[2]. 腐蝕使大量的金屬材料報(bào)廢, 給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失. 由于零件的腐蝕和磨損都從表面開(kāi)始的, 因此可通過(guò)零件的表面處理, 提高零件的耐腐蝕和抗磨損能力, 延長(zhǎng)零件的使用壽命.
本文中作者通過(guò)對(duì)材料表面鍍鉻和等離子噴涂陶瓷的對(duì)比分析, 指出等離子噴涂陶瓷是一種無(wú)污染或低污染的表面強(qiáng)化處理技術(shù), 其涂層與鍍鉻鍍層相比具有更強(qiáng)的耐磨性和耐腐蝕性, 并根據(jù)目前等離子噴涂陶瓷的應(yīng)用狀況, 認(rèn)為用等離子噴涂代替鍍鉻是完全可行的.
1 鍍鉻與噴涂的工藝特點(diǎn)
1.1 鍍鉻工藝特點(diǎn)
傳統(tǒng)的鍍鉻技術(shù)一直以六價(jià)鉻酸作為主要原料, 六價(jià)鉻鍍層硬度高, 耐磨損和耐腐蝕性能好, 不但工藝簡(jiǎn)單, 維護(hù)方便而且成本較低[3]. 然而, 電鍍鉻過(guò)程中產(chǎn)生的Cr6+會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染, 鍍鉻使用的鉻酸溶液, 在鍍鉻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氫氣, 氫氣泡將鉻酸溶液帶到空氣中, 產(chǎn)生含有Cr6+的致癌酸霧[4]。
電鍍時(shí)鉻的沉積速度慢, 約為25 μm/ h, 如果要鍍厚度為0.3~0.5 mm 的鍍層往往需要10～20 h, 因此電鍍工藝不適合于厚鍍層. 由于鉻的線膨脹系數(shù)( 6.7 ×10-6～8.4 ×10-6) 比碳鋼( 1.0 ×10-5～2.5 ×10-5) 、銅( 1.67 ×10-5) 、鎳( 1.33 ×10- 5) 等金屬的線膨脹系數(shù)要小, 因此在外界溫度的影響下, 鍍鉻層容易產(chǎn)生裂紋[5]。
鍍鉻層不僅具有較好的耐磨性和耐腐蝕性, 而且鍍鉻層呈微藍(lán)的銀白色, 光亮美觀, 在450 ℃以下能長(zhǎng)久保持. 因此, 鍍鉻層不僅能起到保護(hù)材料表面的作用, 而且適用于材料的裝飾。
1.2 等離子噴涂工藝特點(diǎn)
等離子噴涂將噴涂粉末吹入等離子射流中, 利用等離子焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài), 然后高速撞擊工件表面, 涂層與基體的結(jié)合主要是機(jī)械結(jié)合[6] , 與基體的結(jié)合強(qiáng)度一般為30～70 MPa. 采用等離子噴涂的零件變形小, 不但可供噴涂的材料種類多而且噴涂工藝穩(wěn)定, 等離子噴涂特別適用于噴涂硬度高、耐高溫的氧化物陶瓷材料. 在各種陶瓷涂層的制備方法中, 等離子噴涂技術(shù)不需要大規(guī)模的裝置, 具有涂層形成速度快、噴涂材料不受限制等優(yōu)點(diǎn)[7].
2 陶瓷涂層與鍍鉻層的性能比較
2.1 耐腐蝕性能
陶瓷材料一般都具有優(yōu)異的耐腐蝕性能, 由于等離子噴涂可選用多種陶瓷材料, 因此涂層成分比較容易調(diào)整. 通過(guò)合理的涂層成分設(shè)計(jì), 等離子噴涂陶瓷層就能在不同的腐蝕介質(zhì)中, 特別是在高溫氧化、金屬熔體侵蝕、爐渣侵蝕、熔鹽腐蝕、特種腐蝕等環(huán)境中, 顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 甚至是不可替代的[8]. 然而陶瓷涂層中存在1%~10%的孔隙, 因此, 為了避免腐蝕介質(zhì)滲入涂層空隙直接接觸金屬基體, 必須對(duì)陶瓷涂層作封孔處理。
鍍鉻鍍層只有達(dá)到一定厚度后才會(huì)具有較好的耐腐蝕性. 傳統(tǒng)的鍍硬鉻層要求厚度大于20 μm[9] ; 新興的微裂紋鍍鉻技術(shù), 鍍鉻層裂紋微小, 多而密, 分布均勻, 鍍鉻層厚度只要達(dá)到12μm 以上, 就能對(duì)基體起到較好的保護(hù)作用.
電鍍硬鉻層的耐腐蝕性能不僅與所選擇的鍍鉻工藝有關(guān), 而且與鍍層質(zhì)量、基體材料的表面質(zhì)量有很大關(guān)系. 如果鍍鉻層質(zhì)量有缺陷, 基體表面平整性較差, 表面疏松及銹蝕等, 都會(huì)大大降低鍍層的耐腐蝕性能[10]。
2.2 耐磨性能
由于陶瓷涂層具有很高的硬度, 涂層的空隙又具有良好的儲(chǔ)油或潤(rùn)滑劑的功能, 并可選擇具有一定減磨功能的陶瓷材料制作涂層, 因此, 陶瓷涂層除了具有優(yōu)異的耐腐蝕性能外, 還具有突出的耐摩擦、耐磨損性能.
涂層的耐磨性能在很大程度上取決于涂層材料的硬度和涂層的厚度, 鍍鉻層的硬度一般只有800～900HV,等離子噴涂陶瓷涂層的硬度卻高得多. 例如: 常用的等離子噴涂陶瓷層Al2O3, 其硬度可達(dá)1 000～1100HV, Cr2O3的硬度通常有1400～1800HV. 在高溫條件下陶瓷涂層的各項(xiàng)性能基本不受影響; 而鍍鉻層的硬度和耐磨性卻會(huì)隨工作溫度升高而下降, 因此在高溫條件下工件的壽命會(huì)因鍍鉻層嚴(yán)重磨損而大大縮短.
試驗(yàn)研究表明[2], 等離子噴涂WC-Co涂層的抗粘著磨損、磨料磨損性能均優(yōu)于鍍鉻. 根據(jù)ASTMG77 標(biāo)準(zhǔn)的塊" 環(huán)試驗(yàn), 用涂覆塊對(duì)硬化鋼環(huán)做干磨損試驗(yàn), 運(yùn)轉(zhuǎn)1000 r 后等離子噴涂WC-Co 的總磨擦量為80 μm3,而鍍鉻的則為3 600 μm3; 做潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn), 運(yùn)轉(zhuǎn)5400 r 后等離子噴涂WC-Co的總磨擦量為230μm3, 電鍍硬鉻的為440 μm3. 按ASTMG65 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行干砂橡膠輪試驗(yàn)( 50 / 70 硅砂, 轉(zhuǎn)速200 r / min, 載荷133. 36 N) ,運(yùn)轉(zhuǎn)3 000 r, 結(jié)果表明等離子噴涂WC-Co 的磨損率為5. 5mm3 / 1000 r , 而鍍鉻的為8. 0mm3 / 1000 r.
腐蝕磨損是一種常見(jiàn)而又復(fù)雜的磨損形式, 是腐蝕和磨損同時(shí)對(duì)材料產(chǎn)生作用的結(jié)果. 工作環(huán)境對(duì)腐蝕磨損的影響很大, 環(huán)境、溫度、介質(zhì)、載荷大小等稍有變化就有可能使腐蝕磨損發(fā)生很大的變化[11] 66-67. 目前工業(yè)上普遍采用鍍鉻來(lái)預(yù)防腐蝕磨損, 但在惡劣的工況下, 鍍鉻層的耐磨耐腐蝕性能明顯下降. 等離子噴涂陶瓷涂層卻具有較高的硬度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性. 因此, 等離子噴涂陶瓷層已逐步應(yīng)用于航天航空、石油化工、紡織、冶金、機(jī)械等眾多工業(yè)領(lǐng)域, 如化工廠的高壓往復(fù)計(jì)量泵的柱塞, 采用等離子噴涂Al2O3-TiO2陶瓷層的柱塞壽命是原來(lái)鍍鉻柱塞壽命的6 倍[12].
沖蝕磨損是指流體或者固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對(duì)材料進(jìn)行沖擊所造成的磨損. 用煤粉作燃料的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)葉片、石油鉆探時(shí)所用的泥漿泵和雜質(zhì)泵等在工作時(shí)都會(huì)受到?jīng)_蝕磨損的作用[11] 82- 83. 在黃河三門(mén)峽電站安裝的直徑為6 m 的軸流水輪機(jī)上曾分別噴涂WC- M硬面陶瓷和電鍍稀土鉻, 結(jié)果表明: 3 個(gè)洪水期后, WC-M硬面陶瓷依然完好, 而電鍍稀土鉻的鍍層卻損失了20%左右, 充分顯示了WC-M硬面陶瓷涂層良好的抗沖刷磨損性能[2].
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