高能离子渗镀梯度功能材料简介及其在水泥厂的应用前景

1.简介 　　高能离子渗镀梯度功能材料是一种新型表面处理材料，它具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性，在工程领域将替代各种性优价高的合金钢和钼、镍、钛等金属。因为渗镀过程本身费用并不高，又有很高的性价比，因此在电力、化了、建材、机械等行业有着广泛的应用前景。 　　2.高能离子渗镀梯度材料的生产方法及原理是 　　高能离子渗镀梯度功能材料是采用离子注入法生产的，欲渗材料（靶材）与被修材料（钢基体）均放在桶形阴极内，采用辉光放电原理，使靶村变成离子。离子在电场力作用下向钢基体（阴极）快速运动，在运行中，通过特殊装置获得高能，射向基材，由于辉光放电能量大，靶材和基材都处于高温状态下，射到并聚集在基材表面的高能原子不断沿着基材的晶体缺陷向基体内部快速扩散。最后形成欲渗金属元素在钢基体表面富集，并渗入到基体内一定深度，由表及里，欲渗元素浓度呈梯度递减，其组织结构也呈梯度变化，形成钢基材外表面具有欲渗金属（非金属）的性能，钢基材心部仍保持原来的性能，中间层性能逐渐过度的梯度功能材料。 　　3.高能离子渗镀梯度功能材料的性能及特点 　　3.l高能离子渗镀梯度功能材料的性能 　　高能离子渗镀梯度功能材料的主渗层厚度可在100－600微米间变动。渗镀层被渗元素浓度大于98％，主渗层被渗元素平均浓度大于60％，再向内浓度递减。渗层的性能主要取决于被渗金属或非金属与钢基材生成的固溶体和化合物的性能。材料表面层渗入不同金属或非金属时就具备了不同的物理、化学性能，而且从表及里功能成梯度变化。 　　3.1.l耐热性 　　在耐热钢或高温合金基体上渗进使用条件下需求的金属、合金或非金属，得到不受热力学条件限制，一般冶炼方法无法得到的合金相或金属门化合物，形成比基体材料力学性能更好、更耐高温氧化的渗镀层，可满足各种高温工况条件下对耐热材料的需求。如在碳钢或耐热钢等基体表面脱炭到0。005％以下，在按一定比例，采用单元或多单作渗钨、钼、铬、镍、钡、锆等元素，形成的各种耐热渗层，可耐1000℃以上的高温氧化。 　　3.l.2耐蚀性 　　由于渗层成分可控制，渗层致密无针孔，可在碳钢或耐蚀合金基体上渗镀上抵抗特定腐蚀介质对腐蚀具七“克星” 　　功能的金属、合金或非金属，使基体表面形成性能独特的不锈钢或特殊合金，耐蚀性高于各种成分的不锈钢，可满足各种高温工况条件下对耐蚀材料的需求。如在碳钢或不锈钢等基体表面脱炭到0.01％以下，在按一定比例，采用单元或多单元渗镍、铬、钼、钛等金属，形成类似奥氏体不锈钢、哈氏合金、因考耐尔合金等渗层，能经受各种恶劣腐蚀环境的考验。 　　3.1.3耐磨性 　　在碳钢或工具钢等在面渗入钨、钛、铬等元素，再经渗碳处理。渗层中形成碳化钨、碳化钛、碳化铬等高硬碳化物，维氏硬度高于2000，形成类似硬质含金或高速钢的表面，提高了基体金属的耐磨性和表面强度。耐磨性比碳钢高5倍以上，可用于各种剧烈磨损和强烈磨蚀的场所。 　　3.l.4可焊性 　　在难于焊接的金属或合金基体表面渗镍可改变和解决零件表面的时焊性。 　　3.1.5磁性能和自润滑性能 　　在金属或合金基体上渗入硅、硫等非金属时，可分别提高基体金属的磁性能、白润滑性能。 　　3.2高能离子渗镀梯度功能材料的特点 　　高能离子渗镀梯度功能材料与电镀、化学镀、离子镀、阴极溅射、等离子喷涂等表面工艺处理的材料有着本质上的区别。主要表现在以下几个方面。 　　（1）经镀覆、喷涂等工艺处理的材料表面层与基体没有形成固溶体，两者之间的结合力基本属于机械结合，长期使用会产生层裂。而高能离子渗镀梯度功能材料的被渗金属或非金属与基体形成固溶体和化合物，属于冶金合力，不会产生层裂现象。 　　（2）经镀覆、喷涂等工艺处理的材料表层均存在微孔，可导致耐热和耐蚀性能下降。而高能离了惨镀梯度材料的渗镀层由于高能离子是无孔不入的，不论微观的晶体缺陷，还是宏观的微孔，高能离子都能轰击进去，使渗镀层致密无微孔。因此耐热性和耐蚀性提高。 　　（3）欲渗材料的选择是根据零部件所需性能决定的，如钨、钼、铬、镍、钛、铝、硅、硫、氮、硼等，这些元素可单独渗，也可多元渗，渗时成分可控制。 　　（4）高能离子渗金属或非金属后的产品尺寸精度基本无变化，且被渗零部件形状不受限制，平面、曲面、沟槽都能渗镀，渗镀层外处处均匀致密，这为耐热、耐蚀、耐磨市场的异型产品的生产开辟了一个新的途径。 　　4.高能离子渗镀梯度功能材料在水泥行业的应用实例 　　下面以高能离子渗镀梯度耐磨材料为例予以说明。 　　在水泥行业中需用大量的耐磨材料，目前，这些材料包括高锰、高铬或耐磨铸铁、粘贴陶瓷、衬耐磨橡胶。硬质合金、热喷涂陶瓷等。这些材料过去对提高水泥厂耐磨零部件寿命起到了很好的作用。但这的材料也有不足，如耐磨性提高倍数不理想，重量重，强度和冲击韧性普遍较低等，使水泥厂许多重要的耐磨场合使用效果个理想。而采用碳化钨一钢梯度耐磨材料就可以改善上述情况。碳化钨一钢耐磨材料是在碳钢或合金钢是体上，采用高能离子注入高耐磨的碳化钨而形成的高能离于渗镀梯度耐磨材料，碳化钨与钢是冶金结合，成份呈梯度变化，该梯度耐磨材料表由具有碳化钨的高硬度、高抗磨性，心部具有碳钢或合金钢的高强度和韧性，并有良好的机械加工和焊接性能，是一种硬度、强度、韧性三者兼备的耐磨材料，和其他耐磨材料相比重量轻很多。碳化钨一钢梯度耐磨材料的表面硬化层大于lmm，其中碳化钨富集层为0.3－0.5mm，硬度HRC＞62，与淬硬后的高速钢相当。但它的耐磨性为淬硬高速钢的3－10倍。这主要是由于材质不同了，碳化钨是一种高硬度陶瓷，它与钢基体形成特殊的冶金组织结构，使碳化钨一钢梯度耐磨材料员然沙层厚度在毫米级内，却具有意想不到的耐磨性。碳化钨一钢梯度耐磨材料已在水泥行业的物料粉碎及输送统。燃料燃烧系统等机械上使用，且取得了十分满意的效果。如水泥输送管道的弯头、异径管，多通道燃烧器的喷头等。通过使用后证明，高能渗镀梯度耐磨材料的耐磨效果是出乎意料的。 　　5.高能离子渗镀梯度功能材料在水泥行业的应用前景 　　高能离子渗镀梯度功能材料及其工艺。开辟了金属材料保护和金属材料改良的广阔天地，是表面工程的又一重大突破。因此，高能渗镀梯度功能材料分水泥行业中的输送机械。 　　风机、除尘器、燃烧器、泵、阀、烟道部件、输粉管道等耐磨、耐热、耐蚀的机械设备中将获得越来越多的使用。