履捞重载车辆悬挂装置的细长零件扭力轴(长2.18m)由4.5CrNiMoVA钢制造,其轴头热处理硬度≥50HRC,与支座中的滚柱直接接触。由于工作条件恶劣,轴头容易磨损。为了修复严重磨损的轴头,某部先用D132焊条(含C 0.34%,Cr 3.00%,Mo 1.40%)进行堆焊,而后再进行激光处理,并比较了高频淬火、激光强化、堆焊后激光强化三种试样的接触疲劳寿命。结果证明,堆焊后激光强化试样在各种接触应力下的接触疲劳寿命均最高。
一种在铸铁表面激光熔敷FeCrNiSiB自熔性合金的耐磨性试验得出,涂层的耐磨性比基体提高了4-5倍。
在铝合金上进行激光表面复合处理的效果也很明显。如在ZL109表面先涂覆Si,WC,Al203,MoS2等涂层,而后进行激光熔覆,在铝合金表面形成了具有高硬度的抗磨或减摩层,其耐磨性可提高2—6倍。
(6)其他表面技术的复合
1.电刷镀与喷熔相复合
当喷熔工艺用在难喷熔材料或用在同一零部件上含异种金属的基体材料时,为解决粉末在喷熔过程呈水珠状的不浸润问题,采用电刷镀改善基材的表面性能,是使喷熔顺利进行的有效办法。如在38CrMoAl柱塞、5Cr21Mn9Ni4N和69A焊条的异种金属排气门、1Crl8Ni9Ti阀座上,分别用Ni02、Co8002、Fe8001合金粉末喷熔,都不同程度地出现冒泡等不浸润现象。用短时间的多次交替活化,在基材表面刷镀一定厚度的镍镀层,而后再喷熔相应合金粉末,由于在1100℃喷熔中界面元素的扩散和Fe—Ni、Ni—Co等固溶体的形成,在基材表面得到了牢固的熔覆层。运用该复合工艺已成功地修复了数百根柱塞。
2.电刷镀与离子注入复合
目前使用最多的镍及镍合金刷镀层的硬度一般不超过60HRC。为了进一步提高其硬度和耐磨性,以适应更高耐磨性的要求,在厚度0.1mm阶快速镍、碱钢和镍一钨50刷镀层上进行氮离子注入。测试得出,注入后的快速镍和碱铜镀层的显微硬度均为未注入镀层的1.7倍,镍一钨50镀层为1.43倍;在SKODA—SAVIN磨损试验机上测得,注入的快速镍、碱铜、镍一钨50镀层的耐磨性分别为未注入镀层的1.3、1.7和1.3倍。
此外,还有喷丸、滚压等表面形变强化与电镀、热处理等技术的复合,导电胶粘涂与电刷镀的复合,焊补、修光与电刷镀的复合,气相沉积与激光技术的复合等。
2、增强耐腐蚀性的复合表面技术
由于零件表面性能主要取决于它的材料构成及其组织结构特性,因而运用前面介绍的一些复合表面技术,几乎均可设计并制备出所需高耐腐蚀性能的表面。下面再补充几个例子。
(1)多层镍/电镀
现今多层镍/铬镀层已成为在严酷环境下使用的钢铁零件的防护装饰性镀层,在摩托车、汽车等户外交通工具上得到越来越广泛的应用。多层镍/铬体系具有优良的耐蚀性和外观。从单层镍到双层镍、三层镍体系,其耐蚀性和外观依次得以改善。单层镍体系在铬层缺陷处开始针孔腐蚀,并迅速穿透镍层至基体;双层镍体系腐蚀向横向伸展,腐蚀坑呈“平底”特征;三层镍体系腐蚀点较小,当其中的铬层为微孔铬时,磨蚀呈分散状,延缓了腐蚀向纵深发展。目前常采用的多层镍/铬组成类型有:半光亮镍/光亮镍/铬;半光亮镍/光亮镍/镍封/铬;半光亮镍/高硫镍/光亮镍/铬;半光亮镍/高硫镍/光亮镍/镍封/铬。
在多层镍体系中,半光亮镍镀层电位较正,耐蚀性较高,光亮镍电位较负,耐蚀性较低。将半光亮镍作底层,其上镀光亮镍,则相对半光亮镍,光亮镍是一个阳极性镀层。若光亮镍镀层中有孔隙并进入水电解质,就形成了以光亮镍镀层为阳极、半光亮镍为阴极的微电池,使腐蚀沿横向在光亮镍镀层中扩展,保护了半光亮镍镀层和底层。在铬、镍微电池中,镍为阳极。为分散腐蚀电流,使腐蚀不向纵深发展,宜镀微孔或微裂纹铬,而要形成这种铬层,常先镀一层复合镍层,称为镍封闭,该层是镍与一些惰性颗粒(Si02等)的共沉积层。多层镍/铬镀层不仅大大提高了防护装饰性,而且因可以采用较薄镀层而节约了金属。目前国际标准中已对该体系做出了相应的规定。
(2)非晶态镀加后续处理
非晶态合金镀层一般具有优异的耐蚀性能,如化学镀Ni—Cu—P非晶合金镀层在10%HCl介质中的耐蚀性是18—8不锈钢的63倍;Ni—W—P非晶态合金镀层在10%—20%H2S04介质中,因能形成一层致密的W03、NiS、WS2等化合物组成的钝化膜,表现出极好的耐蚀性;Ni—Mo—P非晶态合金镀层的耐蚀性也非常好,是理想的薄膜电阻材料。化学镀Ni—Cu—P,Ni—Mo—P等非晶态镀层,经后续600℃左右温度的热处理之后,其耐蚀性还会显著增强,这是一般晶态镀所不能比拟的。非晶态Fe—W镀层在酸溶液中具有高的耐蚀性能,但在个性或碱性溶液中的耐蚀性能却较差,尤其经不起C1—的侵蚀,将其浸人常温3%(重量)NaCl溶液,不到l小时表面就会出现大锈斑;水滴在表面也会产生锈蚀。将Fe—W非晶镀层在铬酸盐体系中进行钝化处理,使之形成铬钝化膜,显著提高了在NaCl溶液中的耐蚀性能。例如,钝化后镀层在3%(重量)NaCl溶液中的孔蚀电位较钝化前正移1.68V,年腐蚀速率为钝化前的1/54。
(3)复合机械镀锌
机械镀因具有镀层无氢脆、耗能小、污染少、生产效率高、成本低等优点,在国外应用相当普遍。机械镀是把冲击介质(如玻璃球)、促进剂、光亮平整剂、金属粉和工件一起放入镀敷用的滚桶中,并通过滚筒滚动时产生的动能,把金属粉冷压到工件表面上而形成镀层的工艺。适合于机械镀的多是软金属,常用的是锌、镉、锡及其合金。普通机械镀锌外观不如电镀层平滑、光亮,存在微小的凹凸及厚度不均匀等问题,从而影响了镀层的致密性和耐蚀性。一种在机械镀过程中添加少许惰性聚合物颗粒的复合机械镀工艺,使镀层表观及性能得到了改善。其主要工艺步骤仍然是:脱脂+漂洗+酸洗+漂洗+闪镀+镀锌+分离+漂洗+干燥。唯一不同的就是在镀锌过程中,随着锌粉的加入,添加一定量的惰性聚合物微粒(如聚乙烯)。该微粒粒径在0.5—5μm,加入量为锌粉的5%—10%。微粒的加入可起到润
滑和填充作用,能有效地提高锌粉的利用率,显著增加镀层的耐腐蚀性和耐磨性。
(4)聚乙烯复合防腐膜
聚乙烯(PE)等塑料具有优良的耐蚀性,室温下几乎不溶于任何有机溶剂,能耐多种酸、碱和盐类的腐蚀,但PE是一种典型的难粘结材料。为了满足防腐工程的需要,一种金属一塑料复合膜具有较好的开发应用前景。该复合膜是事先用金属粉末(如铁粉)和PE粉末按顺序撤布并一起加热制成的,膜的一边是金属粉末过渡层,另一边是耐腐蚀的塑料层。由于金属材料间粘结性好,施工时,将复合膜金属粉一面用胶粘剂粘贴到金属基体上,再用热风焊等方法对膜的接缝处进行焊合,即可方便地实现对强腐蚀介质下的大型槽、罐等容器贴制防护衬里。上述的金属粉一聚乙烯复合膜中金属粉与聚乙烯之间的结合强度不够高,贮存中有的金属粉易生锈。为克服这些不足,改进的方法是事先用偶联剂对金属粉进行表面处理,然后再用粉末共热的方法制膜。测试表明,改进的复合膜的剥离强度有较大提高,而且它的界面对盐水介质的渗透表现出优良的稳定性。
另一种玻璃纤维一聚乙烯复合防腐膜是用玻璃纤维(GF)布取代了金属粉,即用浸渍偶联剂的GF布与加热熔融的PE粉层压成复合膜。由于GF布对多种胶粘剂有着良好的浸润性,因而利用玻璃纤维布作过渡层可解决PE在防腐工程上存在的难粘接问题。该复合膜在10%HCl水溶液、20%H2S04水溶液、20%NaOH水溶液及水等介质中浸渍500h,均未出现剥落、起泡、变色、失光等现象。
(5)自蔓延钢基陶瓷复合覆层技术
自蔓延高温合成(简称SHS技术)是利用高温放热反应的热量使化学反应自动持续下去的一种技术。由于该技术具有生产过程简单、反应迅速、消耗外部能源少等优点,因而在材料制备中获得较多应用。目前用这项技术已能合成数百种陶瓷、金属间化合物等多种耐高温无机材料。用SHS技术制作钢基陶瓷复合衬管的具体方法是离心铝热剂法(即C—T法)。C—T法的基本原理为:将装有铝热剂粉末(如铝粉、Fe304粉及各种添加剂粉)的管子(或中空零部件)置于旋转装置上,在其一端点火后,依靠反应自身所放出的热量,使燃烧波从一端传播至另一端,从而在装有粉末的整个管道上得到所需的覆层。
这种反应的温度可达3000℃以上,足以使反应物和生成物熔化。在旋转所产生的离心力的作用下,使得密度具有显著差异的不同液态产物分离,结果形成以钢为基体,Fe为过渡层,耐蚀、耐热、耐磨的A1203为表层的复合衬管。对于复合管三层组织的两个结合界面而言,选择合适的离心力可使陶瓷与Fe层的界面产生参差不齐的机械结合;选择合适的参数及铝热剂成分,可使铁层与基体达到理想的冶金结合。试验指出,用C—T法制作复合管时,在粉末中加入一定的添加剂(如氧化硅、氮化硅、氧化镁、锰化合物及稀土合金等)可降低气孔率,提高陶瓷层的韧性、耐蚀性和耐磨性。有的单位又成功的对氧化铝表层进行了无渗透釉层处理,使得衬层在强酸、强碱水溶液中的浸泡失重率比同条件下的不锈钢小了4个数量级。
(6)几种耐高温复合涂层
据研究报导,Co十Cr203复合镀(喷涂)层(体积百分数:25%Cr203),与基体结合强度高,700℃时硬度不变,耐烧蚀,抗高温磨损性能大大高于镍铬高温合金,适于做大功率发动机活塞顶、增压叶片等表面的耐高温防护层;在直流PCVD制备TiN膜时引入Si原子,部分替代Ti一N晶格点阵上的Ti原子形成(Ti一Si)N的固溶体,一定量的Si减少了镀层的缺陷,镀层抗高温氧化性能得到明显提高;在HCD法镀制TiN膜时引入Al原子,部分置换TiN中的Ti原子,所形成的(TiAl)N膜具有优异的耐高温氧化性能,用其镀制的高速钢钻头在高速钻削时的使用寿命比未镀钻头提高了11倍;在HCD法镀制的几种多层膜的对比试验中,TiC/Ti(CN)/TiN/Ti(CN)多层膜在常温和高温下的耐磨性均非常优异;用一种PVD的电弧等离子沉积(APD)新装置,在DZ22合金(CoCrWlTi合金)上沉积NiCrALY涂层,在1000℃时的耐高温氧化周期比原基材提高250倍,在900℃时的耐热腐蚀性能提高180倍。
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