不锈钢表面金属陶瓷涂层技术.doc

摘要近年来，随着现代化工业的不断进步与发展，人们对于材料的性能规定越来越高，其中较为重要的一点便是材料的耐磨性。众所周知，磨损现象不管在科研实践还是平常生活中都是很常见的，并且若不及时更换调整便极有也许导致严重的安全事故。因此，如何提高易磨损材料的耐磨性能便显得尤为重要。锌锅淹没辊是热浸镀锌设备中一种重要零件，我国锌锅淹没辊的辊轴与辊套需要从国外进口，不仅价格昂贵并且磨损严重，平均一周就需要更换一次设备，导致轧制的成本很高。所以锌锅淹没辊辊轴与辊套的耐磨性是一个越来越受到重视的问题。本设计旨在制备316L不锈钢表面的耐磨陶瓷涂层来缓解锌锅淹没辊的辊轴与辊套过于严重的磨损，以此延长锌锅淹没辊的辊轴与辊套的寿命，提高生产效率。我们通常用表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等方法来提高材料耐磨性。本设计借助钎涂原理，分别以氧化铝和碳化钨作为陶瓷增强相材料，Ni82CrSiB合金为钎料，运用真空钎涂的方法制作出较为耐磨的陶瓷涂层，从而达成提高不锈钢表面耐磨性的规定。实验结果表白：氧化铝与钎料的润湿效果不够抱负，在涂层中没能发现氧化铝相，即以氧化铝作为陶瓷增强相材料无法达成预期目的；而碳化钨颗粒在涂层中分布较均匀，涂层表面光滑，有金属光泽，并且与不锈钢表面冶金结合良好，硬度达成了不锈钢基体的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来、用以表达全文主题内容信息款目的单词或术语。如有也许，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：金属陶瓷涂层；钎涂技术；硬度Brazing Process of Metal-ceramic Coating on Stainless SteelAbstractIn recent years, with the continuous progress and modernization of industrial development, people are increasingly demanding high-performance materials, one of the important points is the wear resistance. As we all know, the wear phenomena both in research and practice is still very common in daily life, and if not timely replacement of adjustments it is very likely result in serious accidents. Therefore, how to improve the wear resistance of the material is particularly important.The zinc pot sink roll is one of the important parts of hot dip galvanizing equipments. The bush of zinc pot sink rolls needs to be imported from abroad, and it is not only expensive but also badly worn., it needs to be replaced once per week, and that would lead to the high cost of rolling. Therefore, the wear resistance of the zinc pot sink roller bearing is a question with more and more attention. This design is in order to prepare the surface of 316L stainless steel wear-resistant ceramic coating to solve the zinc pot sink roll shaft and insert wear too serious problem to extend the life of the equipment and The main methods of improving the wear resistance for material are surface strain hardening, surface alloying, surface coating strengthened and so on. In this design, we use the braze coating principle, and make the Al2O3 and WC as ceramic reinforcement materials, Ni82CrSiB as the brazing. The method of using the vacuum braze coating to produce more wear-resistant ceramic coating, so as to improve wear resistance of the stainless steel surface requirements. The results showed that: The wetting effect of Al2O3 and brazing filler is not satisfactory, and we could not find alumina phase in the coating, that is to say, Al2O3 as the ceramic reinforcement materials can not achieve the desired goal. However, WC particles in the coating are distributed more evenly. The coating surface is smooth, with a metallic luster, and it is a good metallurgical bond with the stainless steel surface. Its hardness is more than 6 times the stainless steel substrate, and it can be required to improve the wear resistance.Key Words：metal-ceramic coating; braze coating process; hardness目录摘要1Abstract2引言11 文献综述21.1 陶瓷涂层的分类21.2 陶瓷涂层的制备方法21.3 钎涂工艺71.4钎涂技术分类91.4.1 按保护气氛分类101.4.2 按加热方式分类121.5 钎涂涂层的研究进展141.5.1 涂层的组织结构141.5.2 涂层的硬度与耐磨性能151.6 课题背景及开展研究的意义181.6.1 课题背景及意义181.6.2 重要研究内容182 实验材料、设备与实验方法192.1 实验材料与成分设计192.2 实验条件212.3 实验环节222.4测试方法233 实验结果与分析243.1 Al2O3涂层243.2 碳化物涂层253.2.1 宏观性能253.2.2 显微组织分析263.2.3 涂层成分与工艺对组织的影响323.2.4 力学性能测试33结论36参 考 文 献37附 录 A（英文文献原文）41附录 B（英文文献译文）47在 学 取 得 成 果57致谢58引言在高新技术快速发展的今天，越来越多的人开始发现，科技的进步是建立在材料发展基础上的。材料的应用十分广泛，小到吃穿住行，大到国防安全，这也就让材料的安全问题显得尤为重要，而提高材料的耐磨损性能则是重中之重。材料的耐磨性即材料抵抗摩擦作用的能力，许多因素影响着材料的这一能力，比如钢材的组织成分、金属材料的硬度等。当前，根据不同耐磨性的影响因素，研究者找到了表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等提高材料耐磨性的方法。随着人们对科学与环境的探索，设备的工作条件越来越苛刻，我们规定材料具有抗震动、抗疲劳、抗氧化、耐高温等性能，所以单纯的金属材料是很难完毕我们预期的工作的1。金属合金在高温下仍然具有很高的强度和韧性，但其抗氧化的能力较差2。而陶瓷材料具有良好的抗氧化性以及耐磨性，因此在金属表面制作既具有金属的强度和韧性又具有陶瓷的抗氧化性与耐磨、耐腐蚀性的涂层正越来越受到人们的欢迎3。本设计即对表面涂层强化进行研究探索，运用氧化铝（Al2O3）和碳化钨（WC）作为陶瓷增强相材料，以钎涂的方法在316L不锈钢表面制作陶瓷 金属复合涂层以提高不锈钢的耐磨性。陶瓷材料与基体的结合良好，耐磨性能与力学性能优异，摩擦系数小4。本设计以陶瓷增强相制作的涂层来提高不锈钢表面的硬度与耐磨性能，预计可以提高不锈钢基体的表面硬度2倍以上，提高耐磨性1倍以上，并可以将此技术投入大批量的生产中，为我国的工业发展做出奉献。1 文献综述1.1 陶瓷涂层的分类陶瓷涂层的种类有很多，我们可以用多种方法将其分类。按制作涂层的工艺方法可分为喷涂涂层、气相沉积及扩散涂层、熔烧涂层、电化学工艺涂层、低温烘烤涂层、溶胶-凝胶涂层及原位反映涂层等，按涂层成分可分为氧化物涂层、非氧化物涂层、硅酸盐系涂层及复合陶瓷涂层等，按涂层的性能与用途可分为温控涂层（涉及温控、隔热、红外辐射涂层等）、摩擦涂层（涉及减磨、耐磨、润滑涂层）、耐热涂层（涉及抗高温氧化、抗腐蚀、热解决保护涂层等）、电性能涂层（涉及导电、绝缘涂层等）、特种性能涂层（涉及电磁波吸取、防原子辐射涂层等）及工艺性能涂层等5。Al2O3具有很高的硬度及抗腐蚀性，所以Al2O3陶瓷涂层在耐腐蚀性及耐磨性环境之中对基体具有一定的保护的作用6。况军等7研究了运用激光熔覆法在45# 钢基体表面制备的Al2O3/Ni涂层的组织和性能。结果表白，加入Al2O3后可以使涂层组织更加均匀，还可以提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性。WC具有高硬度、高熔点及较高的稳定性，WC颗粒与铁基金属的润湿良好，润湿角为零，并且WC与其他陶瓷增强相(如碳化钛等)相比之下更容易制备，所以WC作为陶瓷增强相越来越受到人们的重视，并得到了广泛的应用8。Wu P等9采用激光熔覆法制备了以WC作为增强相的梯度涂层，获得了没有气孔和裂纹的高质量涂层。针对锌锅淹没辊辊轴与辊套的耐磨性问题，本设计分别选用Al2O3与WC两种陶瓷增强相在316L不锈钢表面制备陶瓷涂层以提高基体的硬度和耐磨性。1.2 陶瓷涂层的制备方法陶瓷涂层的制备方法多种多样，例如热喷涂法、溶胶 凝胶法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法、电火花沉积法、气相沉积法等10。下面我们来分别介绍。（1）热喷涂法热喷涂法是由瑞士的M U Se-hoop11在192023发明的，是为了提高基体材料性质，用高温热源将待喷涂的材料熔融，使用高速射流令其雾化，然后再喷在基体上得到涂层的一种技术。它对基体材料规定低，能喷涂的材料有很多，涂层的厚度可以控制，喷涂沉积速度快，经济效益高。假如用热喷涂技术制备陶瓷涂层，可以把陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨等特性与金属的韧性、导电导热性结合起来，获得抱负的成品，已成为当今复合材料研究领域的重要发展方向12。但是，热喷涂也会产生夹杂与孔隙等缺陷，并存在热能运用率较低等问题。热喷涂涉及的方法很多，根据热源不同可分为火焰喷涂、爆炸喷涂、超声速火焰喷涂、等离子喷涂等10。火焰喷涂是以氧 燃料气体火焰作为热源，通过火焰喷枪实现的喷涂方法。应用最广的燃料气体是乙炔气。陈文华等13通过优化热障梯度涂层及过渡层的成分用氧 乙炔火焰法制备了组织致密、冶金结合良好的Al2O3/Fe热障梯度涂层。涂层中Al2O3分布均匀，从基体到表面的化学成分呈梯度分布，涂层表面Al2O3含量接近100%。该涂层比普通的纯Al2O3涂层结合力更高，耐热冲击性和弯曲强度也大大提高。爆炸喷涂是以热能的忽然爆发来加热熔化喷涂材料并使喷涂材料熔粒加速的热喷涂方法。一般用氧 乙炔气体混合由电火花点火发生爆炸，以产生热量和冲击波。该方法可以获得优良的涂层质量，但是喷涂时会产生强烈的噪音，并且会有微粒向周边扩散，影响环境14。柯培玲等15应用了爆炸喷涂技术完毕了镍基高温合金基体上双层结构热障涂层中陶瓷顶层的制备，结果表白涂层的抗热冲击性能很好，但由于在热循环过程中产生的热应力和粘结氧化物生长应力等会引起陶瓷层内部产生裂纹，最后导致涂层失效。超声速火焰喷涂是20世纪80年代初出现的一种新型热喷涂技术，它是在火焰喷涂技术上发展出来的，也叫做高速火焰喷涂16。该方法可以产生3200的高压燃气流，速度可以达成1500m/s，产生结合强度很高的致密涂层17。刘爽等18运用超声速火焰喷涂制备了Fe Al/SiC复合涂层，该涂层具有良好的耐热耐蚀能力，通过150h的涂盐热腐蚀后，涂层的腐蚀增重值大约只有基体的30%。等离子喷涂技术是人们目前制备陶瓷涂层的重要方法之一19。该方法不需要大规模的真空装置，喷涂材料不受限制，涂层形成速度快并且还可以形成高熔点材料的涂层。等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的化学性能比较稳定、硬度较高、导热较差，经常应用于耐磨、耐热、耐腐蚀的涂层，但该方法不易喷涂小管径管道的内壁。冼文锋等20研究了等离子ZrO2涂层在水淬和火焰喷烧下的抗热震性能。结果表白涂层在火焰喷涂条件下的性能优于在水淬，涂层中的孔隙加速了涂层裂纹的扩展。（2）溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法是由湿法化学发展形成的一种陶瓷涂层制备工艺，是一种在低温下制备陶瓷涂层的方法。其基本原理是将金属化合物的前驱体溶于溶剂中，在催化剂的作用下，与溶剂产生水解或醇解反映，生成物聚集成溶胶，以溶胶对基体表面进行涂膜解决，溶胶经凝胶化后得到干凝胶，之后再通过热解决得到陶瓷涂层21。溶胶 凝胶方法工艺简朴，成本低，并且可以在远低于陶瓷烧结温度下获得致密的高质量涂层，但通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长，并且凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中容易产生收缩10。马卉等22在2023年分别用溶胶-凝胶法和料浆法制备了莫来石和氧化铝涂层。运用溶胶 - 凝胶法，当溶胶加热时间为7h，溶胶浓度在0.09410-3mol/ml和0.11710-3mol/ml之间，3/min升温速率下可制做出覆盖完全而致密的莫来石陶瓷膜的涂层，抗热震性实验和抗高温氧化实验表白在950灼烧的涂层与基体结合强度较好。采用料浆法在不锈钢基体上制备陶瓷涂层，料浆中以水玻璃为粘结剂涂覆的陶瓷涂层与不锈钢基体结合良好。（3）激光熔覆法激光熔覆技术兴起于在20世纪80年代末，被视为最有价值的表面强化方法23。该方法是以激光当做热源在基体表面熔接一层材料，使便宜材料表层形成和基体材料成分、组织性能相异的表面熔覆层。激光熔覆可以实现基体与涂层的冶金结合，得到具有特殊性能的涂层，达成表面改性以及表面修复，从而显著改善基体的耐磨、抗氧化、耐热、耐腐蚀等能力，并且冷却速度快，组织细小，固溶度大。但是熔覆层质量不稳定，存在气孔、裂纹、变形、烧损、氧化和表面不平的缺陷，并且激光设备价格昂贵、操作困难，使激光熔覆的成本提高24。王利蕊等25运用了激光熔覆法在42SiMn表面熔覆出了纳米SiC涂层。选用合理的工艺参数即可获得质量较好的涂层，但SiC晶粒尺寸有所增大，并且熔覆过程中存在分解反映。（4）自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(SHS)是运用原料发生放热反映，反映产物沉积在基体上形成涂层的技术10。该技术通常是在基体上预置成分梯度变化的涂层材料，然后局部点火引燃化学反映，化学反映放出的热量可以使反映继续进行，同时基体表面短时间内高温熔化，涂层与金属基体之间通过冶金结合获得高粘结强度的梯度涂层26。当前的SHS涂层工艺中被广泛研究的有SHS铸渗涂层、SHS喷射沉积涂层和气相传输SHS涂层10。该工艺解决了结构陶瓷熔点高、成本高、不易加工等制约因素，在高熔点、高硬度材料涂层的制备上作出了巨大奉献。林峰等27在自蔓延高温合成技术的基础上，结合了氧 乙炔火焰喷涂技术，对SHS反映火焰喷涂技术进行了研究。从理论和工艺两个方面研究了自蔓延高温合成反映火焰喷涂技术的规律和影响因素，并且提出了自蔓延高温合成反映火焰喷涂的基本环节和热喷涂条件下的反映机理。喷涂团聚粉的粒度不同，得到的涂层中产物相以及产物所占比例也不相同，减小粒度可以使涂层的孔隙率下降。（5）电火花沉积法电火花沉积法是一种具有低应力，低变形特点的表面强化工艺，该工艺的基本原理是运用电源存储的电能使旋转电极在与工件接触的短时间内产生高频的火花放电，放电的微波区内产生很高的温度，形成空气电离通道，该高温把作为电极的导电材料迅速熔化，与工件基体表面产生瞬间高温高压的冶金过程；并且在高温和电场的作用下，电极材料通过熔渗、扩散到母材基体中，形成冶金结合的涂层28。使用电火花沉积技术对工件的表面进行解决，可延长设备的寿命，减少资源的消耗，有很高的环保意义10。汪瑞军等29采用电火花沉积法在TC1合金表面制备WC-8Co强化涂层，有效地提高了合金表面的耐磨性能和硬度。（6）气相沉积法气相沉积法分为化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。CVD是在基体表面上借助空间气相化学反映沉积固态薄膜的技术，PVD是采用加热或高能束轰击的方法使待镀材料蒸发成气态并将待镀材料沉淀在工件表面得到涂层的技术10。夏正月等30用等离子体增强CVD制备了氢化非晶硅/二氧化硅多层薄膜，通过两步热退火法获得了可控尺寸的纳米硅/二氧化硅多层结构。QLuo等31运用非平衡磁控溅射技术制备了TiAlCrYN涂层，实验结果表白，Y的加入进一步提高了涂层的高温抗氧化性能。（7）热浸铝工艺热浸镀铝技术（HDA）是一种工业化的技术，它是将通过解决的钢铁材料放入一定温度的铝液中保温适当时间，使固态铁和液态铝之间发生一系列物理化学反映，通过扩散和吸附在钢铁表面形成镀铝层和铁铝扩散层，从而达成表面保护和强化的作用32。钢材的热浸铝过程是铝与铁之间互相润湿、熔化、扩散和生长的过程33，34。钢材经热浸铝解决后，镀铝层厚度较大，并在镀铝层和基材之间形成了Fe Al合金层，镀层与基材之间的结合非常牢固，可以大幅度提高钢材的耐腐蚀性和抗高温氧化性能，可使钢材的使用温度提高或延长高温使用周期。钢基材表面获得镀铝层后，由于Al元素的化学活性高，镀层表面会自然生成一层Al2O3膜，使其耐腐蚀性和抗高温氧化性能得到大幅提高。但在空气中形成Al2O3较薄，分布不均匀，难于满足一些条件比较苛刻的规定，也不能发挥出Al2O3耐磨性的特点。为了获得高质量Al2O3涂层，工业上常采用高温氧化、微弧氧化、电泳沉积等方法法来获得Al2O3涂层。关君实35学者通过无机熔融盐电镀的方法在Q235钢上获得了镀铝层，并对所得镀铝层进行了高温氧化实验。在700获得了Al2O3薄膜，极大地提高了镀铝层表面的硬度。Y. Y. Chang等36将冷轧 9Cr-1Mo 钢片放入熔融 Al-7wt.%Si 中进行热浸镀解决，获得了厚度为25m的镀层，并在850中进行高温氧化解决。实验表白，在氧化开始的1h内，氧化速率不久，之后速率减少，试样表面形成了-Al2O3，呈纳米棒状离散分布。表面-Al2O3与基材之间为多孔状的FeAl合金层，孔洞的形成是由于合金层的 Al 元素与空气中 O 结合生成Al2O3，随着Al元素的不断氧化，孔洞也有增大增多的趋势。1.3 钎涂工艺近年来，我们开发出了一种新的涂层制备工艺，即钎涂技术。钎涂技术是借助钎焊的原理，运用液态钎料合金在基体金属上的润湿和铺展，在基体表面形成一种具有特殊性能涂层的材料表面加工技术。运用钎涂技术既可以制备具有特定性能的金属涂层，也可以通过在涂层材料中添加陶瓷增强相(如碳化物、硼化物、氧化物等)方便地制备陶瓷/金属复合耐磨涂层37。与传统的涂层技术相比，钎涂技术具有如下特点：(1)涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高; (2)涂层中陶瓷相含量范围宽(070%)，且组织均匀、致密、孔隙率低；(3)可制备涂层的厚度范围大，既可制备5060m的薄涂层，也可获得34mm的厚涂层；(4)涂层表面光滑、质量好、加工精度高，对于一般应用只需少量加工甚至无需加工38。因此钎涂是一种很有前程的加工方法。（1）钎涂的原理从实质上来说，钎涂就是一种特殊的钎焊。与常规钎焊不同的是钎涂的材料由两部分组成：一部分是通常所用的钎料，它的熔化温度较低，称为低熔点组分；另一部分是熔点高的硬质合金，称为高熔点组分。理论上来讲，任何一种钎料都可以作为钎涂材料的低熔点组分。但是作为耐磨层，钎料自身要具有一定的硬度。钎料的流动性要好，以形成光滑的表面。对高熔点组分，即硬质合金的规定是：硬度高、不能太脆、稳定性好、容易被钎料湿润。要想得到良好的涂层,作为粘结相的钎料合金与作为硬质相的陶瓷之间必须有较好的润湿性,满足这样条件的合金与陶瓷组合非常有限目前用于钎涂的钎料合金仅限于镍基钎料(BNi82CrBSiB,BNi76CrP),陶瓷相仅限于WC和Cr3C2等39-41。（2）镍基钎料当规定钎焊件在较高的温度下进行的时候，我们一般采用镍基钎料。镍基钎料以金属镍为基体，然后添加能减少熔点且能提高热强度的元素，如硼、铬、硅等。标准镍基钎料的成分和熔化特性列于表1.14。表1.1 标准镍基钎料牌号重要化学成分（质量分数）(%)熔化温度钎焊温度NiCrBSiFeCPBNi74CrSiB余量13152.753.545450.60.9975103810651205BNi75CrSiB余量13152.753.545450.06975107510751205BNi82CrSiB余量682.753.5452.53.50.06970100010101175BNi76CrP余量13150.010.10.20.089.710.58909251040BNi74CrSiB含铬量高，钎焊的时候硼和碳向基体扩散，会使钎缝的重熔温度提高。它有良好的高温性能，应用于在高温下承受大应力的部件。BNi75CrSiB的熔化温度比BNi74CrSiB高，流动性相对差一些。但其含碳量低，能减少碳向基体的扩散，钎料和基体的作用减弱，可用来钎焊比BNi74CrSiB薄一些的工件。BNi75CrSiB也具有很好的高温性能，用途与BNi74CrSiB类似。BNi82CrSiB的熔化温度比以上两种钎料都要低，可以在较低温度下进行钎焊，钎料与基体的作用较弱，可用来钎焊较薄的工件。钎料的熔化温度间隔小，流动性很好。由于该钎料含铬量低，焊接接头的抗氧化性比用BNi75CrSiB焊的稍差。本设计所选用的镍基钎料即为BNi82CrSiB（BNi2）。BNi76CrP是镍基钎料中熔化温度最低的钎料之一，它属于共晶成分，流动性非常好，可以流入缝隙很小的接头，钎料对基体的溶蚀作用也较小。BNi76CrP具有较多的铬，耐热性能较好。但该钎料的高温性能比镍铬硼硅和镍硼硅钎料还是低得多。这种钎料重要用于焊接不锈钢薄件。因该钎料不含硼，也特别合用于核领域4。（3）钎涂工艺根据涂层厚度和制备方法的不同，钎涂可以提成悬浮法和片状法。悬浮法即将细颗粒(直径约15m)的硬质合金以及细颗粒钎料粉用溶剂和黏结剂充足搅拌，直到成为悬浮状。然后将工件浸在悬浮液中，或将悬浮液喷涂在工件上，或用丝网印刷等方法将悬浮液涂抹在工件表面，每次涂抹的厚度为0.05到0.1mm。假如想要得到更厚的涂层，就要先将涂层干燥，再用上述方法继续涂抹，直到达成所规定的涂层厚度。假如要取得0.5到3mm厚度的涂层，就可以用片状法，如图1.1所示。片状法即先将钎料和硬质合金单独做成片状，将细颗粒的球状钎料或细颗粒硬质合金用有机物黏结剂混合均匀，再用常规方法加工到所需厚度。钎料或硬质合金粉末经黏结剂黏结和压力加工后成为树胶的状结合，有一定的强度。然后将制好的片裁成需要的形状，用有机黏结剂粘在工件表面，先放合金片，后放钎料片。在接下来的加热过程中，当温度达成450时，黏结剂挥发，不留下残渣，这样在硬质合金之间形成了空隙，可以起到强烈的毛细作用。当加热温度超过了钎料的熔点后，液体钎料在毛细作用下通过硬质合金的间隙并润湿工件表面，继而填满整个硬质合金颗粒之间的空间，最终完毕钎涂过程。图1.1 片状法钎涂原理1.4钎涂技术分类钎涂技术可以采用的加热方法有很多，制备涂层时的保护气氛也各不相同。所以，钎涂技术可以从保护气氛、加热方法等几方面进行分类。根据保护气氛的不同将钎涂技术提成真空钎涂和保护气氛钎涂两种；按照加热方法的不同可分为：炉中钎涂，感应钎涂，等离子钎涂（喷焊）等等42。1.4.1 按保护气氛分类（1）真空钎涂真空钎涂即在真空条件下的钎涂工艺，该技术可以在金属基体表面制备耐磨、防腐蚀的金属陶瓷涂层，这种涂层有很多优点：无微裂纹和微气孔，是一种连续致密的涂层，其抗氧化及抗腐蚀性能电镀层和热喷涂层要强；涂层的厚度范围较大，薄可认为0.05mm，厚可以达7mm，薄的涂层一般起防腐蚀和抗氧化的作用，厚涂层则用来耐磨和修复工件表面缺陷；涂层的成分可以根据需要来调整，涂层的硬度也可以在一定范围内变化，它的硬度上限可达HRC70 以上，该硬度是其它涂层制备工艺很难达成的，并且该涂层比堆焊层等涂层的硬度分布均匀。真空钎涂的基本过程为：将涂层原料按设计好的成分比例调配后混合均匀，加入有机黏结剂做成料浆，对基材需要制备涂层的表面进行清洗，去除油污和氧化皮，将料浆涂覆或喷涂于基体清洗过的表面上并烘干，挥发掉有机黏结剂中的溶剂，然后在真空条件下将试样快速加热到所需的钎涂温度，保温适当的时间后在真空炉中冷却42。钎涂温度设定在基材的熔点以下，但在涂层固相温度以上，在该温度下合金涂层处在液化状态，使涂层与基材之间发生扩散形成冶金结合。用真空钎涂制备金属陶瓷涂层时，常用料浆法或者喷涂法。料浆法的优点有以下几种：在修理部件时或在摩擦部件内部可进行局部涂覆；工艺性能优良；即使制备多组分的复杂的涂层，也可用较简朴的方法；进行适当的热解决后可以使涂覆部件及部件过热结构复原两个过程同时进行；在大型零件上制备涂层，特别是在需要局部涂覆时，经济效益非常高。用料浆法制备涂层适宜用真空气氛或氢气保护。均匀的复合涂层只能在适当温度下制得，在开始流散的温度下，涂层往往带有缺陷，但在过高的温度下，熔融的钎料会从涂层上流下来。料浆的临界厚度不仅取决于料浆的成分，还取决于温度和金属基体的成分。在料浆中加入铬等难熔物，使之难以液化，就不易沿基体表面流散，便能令涂层最大厚度显著增长。料浆法的缺陷有以下几种：料浆涂覆的方法不够完善，难以在零件上制备厚度均匀的涂层；难以在空心零件内表面上制备涂层；只有采用高分散性粉末才干在扩展面制备涂层。涂层性能在很大限度上取决于操作者的纯熟限度。在厚度及成分相同的条件下，料浆法制备的涂层由于不致密，其抗破裂的能力会比喷涂法制备的涂层低一些。这种缺陷是在干燥料浆中的有机组分时产生的。真空钎涂制备涂层的材料由钴基合金、铁基合金、镍基合金以及陶瓷相组成，真空加热后在涂层中产生硬质陶瓷相化合物，分散在基体中以提高材料的耐磨性和硬度42。用真空钎涂制备的合金涂层多数为弥散强化型合金，其析出相重要有碳化物、硼化物以及硅化物，碳化物、硼化物会起到弥散强化的作用。合金基体及其中的碳化物、硼化物使涂层拥有良好的耐磨、耐热、抗腐蚀和抗氧化的性能。真空钎涂的涂层材料选择受会到加热方式的影响，加热方式不同，涂层材料的选择也不同。假如用炉中电阻丝加热，由于设备的限制，能达成的温度远远低于激光、火焰、等离子、电弧的加热温度。此时选择的涂层材料为熔化温度较低的自熔合金，如铁基、钴基、镍基自熔合金。（2）保护气氛钎涂保护气氛钎涂的过程、涂层材料的选择、涂层厚度的范围等与真空钎涂相同，不同点在于采用了保护性气体。采用保护性气体的目的是防止涂层材料或基体在钎涂过程中氧化。常用的保护性气体重要有43：放热气体或吸热气体：这类气体重要通过天然气等气体与空气混合后燃烧制得。该类气体重要成分是氮、氢、烷、一氧化碳、二氧化碳及水蒸气。分解氨：这类气体是加热纯净的氨气制得的一种气体，其中具有3/4的氢气、1/4的氮及微量的水蒸气。氢气：这种保护气氛广泛地应用于在不锈钢和耐热钢上制备钎涂的涂层。市场上可以买到生产氢的发生器以及装在低温容器中的液化氢。通常在消耗量比较小的情况下使用氢气瓶较为经济。在有些情况下，氢气必须通过干燥，以减少氢气中的水蒸气。惰性气体：惰性气体氩广泛应用于炉中钎涂的某些情况。氩只能以气态或液态装入罐中供应。氦虽然非常适合用于钎涂保护气体，但其应用并不广泛，由于供应量较小。氦是一种密度很小的气体，并对所有的金属都显示出惰性。其它气体：某些氮混合气体对金属基体和涂层材料有较强的还原性，也可以用于钎涂。1.4.2 按加热方式分类（1）炉中钎涂炉中钎涂所用的设备为钎焊炉，所用装置如图1.2所示。炉中钎涂法不限于某种金属基体，也不限于某种钎涂材料，而是取决于多种因素。钎焊炉可以是由电热、燃油、燃气或等离子加热的。选择的炉子也必须有合适的结构，能对温度、时间和保护气体提供所需要的控制，还要对温度和保护气体有适当的校准控制的装置。在传送带类型的炉子中，工件在炉中的速度必须加以控制，由于它控制着工件的保温时间。图1.2 炉中钎涂设备示意图炉中钎涂法重要涉及涂层材料的预涂覆和加热钎涂两个过程。预涂覆是采用喷涂等方法把涂层材料涂在清洗过的基体表面，加热钎涂过程是把涂覆着涂层原材料的工件放在加热炉中，按一定的方法加热，运用炉内的高温使涂层材料熔化，使之润湿并铺展到基体表面，最终形成与基体冶金结合的涂层。炉内钎涂具有加热、冷却和气氛保护的优点，适合平板组件、薄的涂层、不规则的工件和大批量生产的工件。由于加热和冷却可以精确地控制，所以由膨胀引起的缺陷可以减至最小，同时也可以保持工件原先的边棱。（2）感应钎涂感应钎涂就是通过特定的设备，运用感应快速集肤致热原理把各种自熔合金基金属陶瓷原材料熔化、涂覆于工件表面，制备出冶金结合的涂层。假如用感应钎涂制备涂层，必须仔细考虑设备、感应圈设计、基体金属、涂层材料的熔点等。每一个因素及多个因素的联合作用都是很重要的。将这些因素做适当的调节，就可以在多种金属基体上进行钎涂。感应钎涂用的电源设备重要有三种类型，分别为间隙电火花装置、电动机发电机组和真空管振荡器。按频率高低分类，可以把电动发生器当作是低频（10000Hz 以下），间隙电火花装置为中频（20230Hz300000Hz），真空管振荡器为中频到高频（202300500000Hz）。感应加热设备的一个重要部件是感应线圈，又称为工作圈。大部分的工作圈结构都比较简朴，可以由用户自行制造。工作圈一般由铜管做成，但也可以做成感应块，在它内部制出冷却水的通道。在钎涂过程中要冷却工作圈，通常用循环水的方法。容量为0.75 kW的小型真空管设备可以采用空冷工作圈。工作圈的制做要使零件的加热取得最大的热效率。在有效功率的范围内，可以用更大尺寸的通用型工作圈以适合多种焊接接头形式。铜管的匝数或者感应块的厚度取决于加热区范围的大小。工作圈的设计还要考虑到加热区域表面的不规则性以及零件的拐角影响这两点。工作圈和待加热零件之间间隙的大小称为耦合量。通过改变零件不同部位的耦合量，从紧耦合变成松耦合，可以调节零件各部分的热输入量。这一点对于截面厚薄不均的工件是十分重要的，通过调节使每个截面都得到对的的耦合量，可以使零件各部位同时达成均匀的温度。通过高频或者中频感应，运用工件和涂层中产生的感应电流加热熔化涂层的方法熔化涂层的效率高，费用低。针对涂层的厚度，通过改变感应的频率，可以调节熔透深度，以获得满意的熔化效果，并且可以在不预热工件的情况下熔化涂层。通过感应器的设计，可对平面涂层、圆柱形表面涂层、内孔表面涂层或其他特殊形状的涂层进行熔化解决。但该方法不易用于不规则形状的工件，同时也存在加热不均匀而引起热应力，使涂层与基体剥离或使基体变形的问题。（3）等离子钎涂等离子钎涂也叫做等离子喷熔或等离子喷焊，是用等离子弧为重要热源，在金属表面制备涂层的工艺。等离子钎涂有喷涂和熔融两个过程，这两个过程是同时进行的，不分先后。在喷涂过程中，可以均匀地加热进入弧柱的粉末。粉末随着等离子射流喷射到熔池中。由于用的是柔性弧，喷涂距离也很短，所以粉末颗粒的速度并不高，一般只呈半熔状态沉积在工件上。熔融过程是粉末颗粒沉积到工件上之后进行的。落入熔池的粉末进入转移弧的阳极区，受到高温而迅速熔化，然后将热量传递给基体。电弧由于液态合金熔池的阻挡无法穿透基体材料，因而虽然转移弧的温度高，热量集中，但是工件的熔深却不大，这使得基体材料对合金的稀释率较低。与火焰钎涂不同的是，电弧对熔池有很强的搅拌作用，这使冶金过程更充足，熔池中的气体和熔渣能充足排出，所以容易避免涂层产生缺陷或留下残渣。等离子钎涂的缺陷是设备投资大，能耗很高，局部高温容易使材料的微观结构发生变化，同时容易在涂层中产生应力而使涂层与基体剥离。1.5 钎涂涂层的研究进展1.5.1 涂层的组织结构对于钎涂涂层的组织结构，前人已有过许多研究。例如自熔合金的组织结构特性是在韧性的固溶体合金基体上均匀分布着大小不等的硬质颗粒的多相组织，其相组成重要有基体相和硬质相，其中硬质相的含量可以任意调整。如M. R. Dustoor 等人44通过钎涂技术制备了硬质相含量分别为WC-6%Co 粒子、球形WC-12%Co 粒子以及球形WC-12%Co 粒子+粒径为25m 的细小均匀WC 粒子构成的涂层。其中WC-12%Co 涂层的断裂强度最大。一般地，钎涂涂层成层状分布，如图1.3，国内外许多人发现了这种情况。并且他们还报道说在碳化物与涂层材料界面之间，涂层材料与基体界面之间都存在扩散现象，如图1.4 。合金的扩散表现为以下几方面：不仅发生了从涂层向母材方向的C、Ni 元素的扩散，并且还发生了母材向涂层中Fe 元素的扩散（事实上也有B、Si、Cr 等元素的扩散）；元素W 没有发生扩散，到过渡区后，随白色硬质相消失，W 曲线的变化消失；元素Ni、Fe 在过渡区的扩散曲线比较平缓。钎涂涂层除了层状分布的外，也有涂