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埃尔派知识课堂:机械零件常用的硬质涂层有哪些

2021-01-26
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作者:埃尔派
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机械零件在接触、碰撞、振动等复杂工况下服役很容易发生各种形式的损坏,甚至失效。因此,一般会在零件表面涂覆硬质涂层以提高各类材料及零部件的表面性能,从而提高工作效率,延长使用寿命。...

机械零件在接触、碰撞、振动等复杂工况下服役很容易发生各种形式的损坏,甚至失效。因此,一般会在零件表面涂覆硬质涂层以提高各类材料及零部件的表面性能,从而提高工作效率,延长使用寿命。

硬度涂层的分类

硬质涂层是指具有一定厚度、显微硬度在20Gpa以上的涂层,其具备高硬度、低摩擦因数、耐高温、耐腐蚀等性能。根据显微硬度不同,硬质涂层可分为普通硬质涂层和超硬涂层。

普通硬质涂层材料大多是过渡族金属与非金属构成的化合物、金属间化合物等,这些化合物通常是通过金属键、共价键、离子键或离子键和金属键的混合键键合而成。目前常见的普通硬质涂层主要包括硼化物、碳化物、氮化物和氧化物涂层等。

硼化物涂层

过渡族金属硼化物通常是间隙相化合物,硼与硼之间可形成多种复杂的共价键。同时,硼原子也可与金属原子形成离子键,其硬度接近或高于碳化物的硬度,且惰性更强、化学性能更稳定。其中,硼化锆、二硼化钛等二元硼化物因性能优异而被认为是最有希望得到广泛应用的硼化物,目前已用作耐磨耐蚀涂层、中子吸收涂层、自熔性合金中的强化硬质相以及超高温涂层等。

碳化物涂层

碳化物是一类熔点、硬度、热稳定性和机械稳定性都极高的材料,在室温下几乎耐各种化学试剂的腐蚀,部分碳化物还具有与母体金属相类似的电磁性能。因此,碳化物涂层在机械切削、矿物开采、耐磨损和耐高温部件等领域被广泛应用。

碳化物涂层材料主要有Ⅳ族碳化物、V族碳化物和Ⅵ族碳化物等,其中,碳化钛、碳化铬和碳化钨涂层的应用最为广泛。碳化钛涂层具有很高的硬度和耐磨性,可用作切削工具、钻头和各种模具的耐磨涂层,但脆性较大。碳化铬具有最强的抗氧化能力,在高温下也能够保持着相当高的硬度,是一种极优异的防腐涂层。碳化钨具有更加优异的耐磨性,适用于摩擦、磨损、冲蚀等领域,被认为是电镀硬铬涂层的理想替代产品。

氮化物涂层

金属氮化物热稳定性、耐腐蚀性、抗氧化性优良,且熔点和硬度高。过渡族金属的氮化物常用作刀具表面的强化涂层,常见的且应用最广泛的是钛、铬氮化物涂层。

氮化钛涂层的性能与碳化钛相似,具有硬度高、韧性好、化学稳定性好、色泽华丽等优点,可用作功能涂层和装饰涂层。与氮化钛涂层相比,氮化铬涂层的摩擦因数更低,耐高温和耐腐蚀性能更好,且内应力较低,具有较高的溅射产额,有利于大批量的工业生产。

氧化物涂层

常见的氧化物涂层材料主要有氧化铝、氧化铬、二氧化锆、二氧化钛等,它们具有较高的硬度、良好的化学稳定性和热稳定性等,是理想的硬质防护涂层。氧化铝和氧化铬具有相当高的硬度,主要用作耐磨和抗高温氧化腐蚀涂层。二氧化锆作为热障涂层,广泛用于高温合金的耐热防护方面。二氧化钛硬度较低,但具有非常低的孔隙率,不易发生化学反应,且易于加工,磨削后的表面粗糙度很低,耐大多数酸、盐溶剂的腐蚀,是重要的耐蚀、耐磨涂层材料。

尽管在性能上与超硬涂层有些距离,但普通硬质涂层凭借优良的性能、较低的成本在众多领域得到了广泛应用。随着现代科学技术和工业的迅速发展,部分领域的机械和结构零件需要在更苛刻的条件下工作,因此,对材料以及表面防护涂层的性能要求会更高。

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