2.2高速火焰喷涂
热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化、并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成覆盖层的工艺。该工艺操作简便,灵活高效,涂层材料种类繁多(金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等)。近年来高能、高速火焰喷涂(HVOF)设备的出现,使得热喷涂涂层孔隙多、结合强度不高的弱点得以克服,涂层质量有了质的飞跃,使得热喷涂涂层代替镀硬铬层有了坚实的技术基础。其中的高速火焰喷涂技术(HVOF),涂层的孔隙率小于1%,结合强度大于80MPa,涂层沉积的速度很快[1]。这些特性使得HVOF成为最具有吸引力的替代电镀硬铬层的方法。目前采用热喷涂技术研究了WC2Co、WC210% Co24% Cr、Cr3C22NiCr、Cr2O3、WC2NiCr、WC2Ni、Tribaloy400、NiCrBSi、FeCrMo、CoMoCrSi、CoCrNWi、Fe2Ni2Cr、Al2O32TiO2等多种涂层在球阀、瓦楞棍、网纹棍、起落架、泵、纺织机械、石油化工设备和汽车等方面的应用。从已经获得的结果来看,热喷涂涂层不但能达到镀铬层的镜面光洁度,而且在硬度及耐磨性等方面还大大超过镀铬层,完全可以在一些应用中取代硬铬,特别是有严重磨损并有腐蚀的场合[5-6]。根据SulzerMetco公司的资料,HVOF和镀硬铬工艺特点对比见表1。
HVOF涂层在性能方面也较电镀硬铬镀层优异,两者性能可从耐磨性、耐蚀性以及耐疲劳性三方面进行比较。
(1)涂层耐磨性是一项非常重要的指标,许多研究人员对涂层的各种耐磨性进行了非常详细的研究。结果表明,在涂层耐磨粒磨损试验中只有Ni2Cr2Mo涂层稍逊于电镀硬铬镀层,而WC2Co/Ni2Cr2Mo涂层则是电镀硬铬层耐磨性的2. 5倍多[7]。用HVOF方法喷涂的WC2Co2Cr涂层的磨损量比电镀硬铬平均少80% ~90%[8]。而Ni2Cr2Mo、Fe2Cr2Mo、WC2Co/Ni2Cr2Mo涂层的抗粘着磨损性均优于电镀硬铬,而其中WC2Co/Ni2Cr2Mo涂层的耐磨性最佳。
(2)以4340钢表面的硬铬涂层、HVOF喷涂WC2Co涂层和HVOF喷涂Tribaloy400涂层进行比较,在500 h盐雾试验后, 3种涂层的耐蚀性基本相当[9]。
(3)电镀硬铬镀层中存在拉应力,会对基体的耐疲劳特性产生非常不利的影响,但是对于HVOF涂层来说,可以确保沉积的HVOF涂层处于压应力状态。试验结果表明,HVOF涂层对于基体的耐疲劳性影响非常小,在电镀硬铬试样和HVOF喷涂试样的室温高周和低周疲劳试验中进行比较, 2种试验结果一致,HVOF喷涂试样的疲劳强度略有降低,而电镀硬铬试样有明显降低,说明HVOF涂层对疲劳寿命的影响比电镀硬铬低。
目前热喷涂在很多领域已可以完全替代镀硬铬工艺,在航空工业如飞机的起落架、液压制动器杆,某些设备的液压杆,石油工业中的球阀,海上油田设备,造纸和印刷工业中的柔板印刷用网纹辊、造纸机械用辊,钢铁工业中的磨辊和其他连续工作辊等。高速氧燃料工艺的局限性在于不能用于小直径的内喷涂作业。这种工艺采用非常高的动能,因而撞击角度需尽可能地接近90°,以确保颗粒在撞击时变形。再者,高速氧燃料喷涂工艺的喷涂距离约为300 mm,若加上喷枪的长度就意味着可喷涂的最小内部尺寸为450 mm。
2.3 镀金刚粉
传统的镀铬,以其镀后表层硬度高、光洁度好、耐磨性佳等一系列优点而受人们青睐。而镀金刚粉这一表面处理新工艺的出现,却使镀铬技术相形见绌。
该工艺采用化学镀,将粒径为1~3μm的金刚粉粒子(或陶瓷粒子、碳化硅粒子)均匀适度地分布于镀槽悬浮液中并与镍离子共沉积,最终获得均匀的镀层。该工艺中镀液的选择、粒子的浓度和搅拌是很重要的,该工艺的广泛推广还需进一步摸索和研究工艺参数的控制。
镀金刚粉后的工件,其外层硬度经热处理后远远超过常规镀铬层面所具有的750~1 000维氏硬度值;而其表面磨擦系数达到0. 06~0. 07(加润滑剂时)和0. 14~0. 16(不加润滑剂时),也远低于普通镜面铬镀面的磨擦系数。
这种工艺可采用的基体材料范围很广,包括钢、铸铁、铝、黄铜、钛等固态金属物,所以可广泛用于处理纺织机械、造纸机械、烟草加工机械、注塑挤压成型机械的机件表面以及泵类和阀类的零件表面加工等。
2.4 离子束注入技术
金属离子注入是通过高能金属离子的轰击来改变金属表面性能的工艺。因为该工艺不生成涂层,零件尺寸和整体性能保持不变,注入后的表面不存在附着力、残余应力和不良的显微组织等问题,离子注入的表面耐磨性和耐蚀性均优于镀铬表面,所以是一种处理温度比较低的工艺,可处理塑料、铝和低合金钢等材料。
金属离子注入技术相对于镀硬铬工艺有4个优点:①尺寸不变化,能保证被处理零件有严格的公差;②注入温度通常在150℃以下,一般不需要后处理;③不产生有害的废物,不需要处理废液和废气等;④大多数金属离子注入后可用X射线荧光光谱仪作质量控制;⑤具有灵活性和适应性,可提供多种不同材质的涂层。
金属离子注入技术几乎能处理任何材料,如各种金属、硬质合金、陶瓷、玻璃,大多数塑料、复合材料,一些有机材料等。前处理过程只需要清洗而不需要其它处理过程如酸洗、抛光、磨削、喷砂或热处理等。由于注入后表面尺寸不变化,所以通常也不用夹具。与镀硬铬工艺相比,在某些应用领域,金属离子注入技术可提高材料的耐磨性,提高硬度,减少摩擦,提高耐氧化、腐蚀性,提高光学性能,增加疲劳寿命,降低氢脆性等。采用离子注入取代刀具和成形工具的镀铬,可使其寿命增加2~5倍。用含4% ~5%铜的2014铝合金制造直升飞机的轴台时,通过在该合金表面离子注入铬,其耐点蚀性提高了2~3个量级。ISM的研究人员已经发现在阳极极化以后的铝表面注入锆,可以改善耐磨性。研究表明原因是,锆改变了氧化铝的结构,使它部分变为非晶相,这种非晶相远比没注入锆的合金低得多,从而改善耐磨性。OakRidge国家实验室发现,将低剂量的铬和钛离子注入许多塑料的表面可大大提高其硬度,如聚碳酸脂的硬度为400MPa,当以5×1020离子/m2的剂量注入铬后,硬度可提高到6 000MPa。
镀铬工艺问题之一是氢带入金属基体,从而引起氢脆,限制零件的有效疲劳寿命。金属离子注入可以防止氢的扩散。有研究发现,将铂注入基体表面可作为催化剂加速氢原子重新结合成分子,从而不能扩散进基体表面。
金属离子注入技术的局限性在于必须在真空(真空度达到10-5托)下进行处理,而且它是直射的,最大入射角为45°,所以复杂的零件必须在离子束中作特殊处理,对深径比大于1的孔,内壁不能处理,显然离子注入不能用于厚涂层,如零件的修复等。
3 结语
以上几种新工艺可在不同领域替代镀硬铬传统工艺,与现行镀硬铬技术相比,有许多优点,但也有一定的局限性。因此在进行镀硬铬工艺替代方案中应根据具体的要求,从技术、经济以及环保的角度来综合选择合适的替代新工艺,达到减少或无六价铬生产的目的。
参考文献略
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