關(guān)注陶瓷材料在汽車上的熱噴涂新技術(shù)

肖九梅

(湖北武漢化工材料公司,武漢 430055)

關(guān)注陶瓷材料在汽車上的熱噴涂新技術(shù)

肖九梅

(湖北武漢化工材料公司,武漢 430055)

摘要:陶瓷材料熱噴涂是一項(xiàng)具有廣泛實(shí)用性的新型表面處理和表面強(qiáng)化的專業(yè)技術(shù)，具有許多金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，所以發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。目前已在汽車及其他許多領(lǐng)域中成功應(yīng)用，其技術(shù)的開發(fā)有著非常廣闊的前景。針對(duì)陶瓷材料的噴涂新技術(shù)展露頭角，介紹了陶瓷涂料的熱噴涂技術(shù)及其工藝特點(diǎn)，分析了全新的陶瓷涂料及納米陶瓷涂料的性能，研究了熱噴涂工藝種類、特性和適用范圍，同時(shí)指出了陶瓷熱噴涂技術(shù)在汽車上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:陶瓷材料;汽車應(yīng)用;熱噴涂技術(shù);工藝性能

涂料是一類與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)各部門配套的重要工程材料，是指涂布于物體表面在一定的條件下能形成薄膜而起保護(hù)、裝潢或其他特殊功能(絕緣、防銹、防霉、耐熱等)的一類液體或固體材料。陶瓷涂料相對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)、搪瓷燒制工藝而言,可低溫成釉、節(jié)約能源,且成品合格率大幅提高。陶瓷涂料是綠色環(huán)保節(jié)能型高性能涂料,應(yīng)用于汽車、地鐵及高鐵站臺(tái)裝飾項(xiàng)目中,并逐步向建筑幕墻領(lǐng)域開拓陶瓷涂料。

1陶瓷材料的噴涂新技術(shù)展露頭角

由于陶瓷材料具有較高的硬度、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和較低的摩擦系數(shù),因而在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。新技術(shù)、新工藝的興起和發(fā)展推動(dòng)了陶瓷材料性能的完善和提高,工程陶瓷材料受到人們愈來(lái)愈多的關(guān)注。陶瓷涂層是一種工藝技術(shù)。它采用多種工藝方法在金屬基體表面上沉積陶瓷涂層,用這種方法制造出來(lái)的復(fù)合材料既具有陶瓷的耐高溫、耐磨、耐蝕的特性,同時(shí)又具備金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性和導(dǎo)電導(dǎo)熱特性。

據(jù)媒體報(bào)道，在第十二屆中國(guó)西部國(guó)際裝備制造業(yè)博覽會(huì)期間，一種超強(qiáng)防腐、耐高溫、壽命長(zhǎng)，且可常溫固化的新材料——銀圭納米陶瓷涂料引起了觀眾的興趣。由青島銀圭新材料科技有限公司自主研發(fā)的這種陶瓷涂料，在國(guó)際上率先解決了工業(yè)防腐過(guò)程中必需加溫固化的技術(shù)難題。據(jù)介紹，陶瓷涂料耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、絕緣、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高，是理想的防護(hù)涂料。但傳統(tǒng)陶瓷涂料噴涂工藝復(fù)雜，需在200～900℃條件下高溫固化，且涂層表面出現(xiàn)的崩裂等瑕疵無(wú)法修補(bǔ)，不但加大了施工難度，也增加了施工能耗及加工成本，嚴(yán)重限制了陶瓷涂料的應(yīng)用和發(fā)展。在陶瓷涂料基礎(chǔ)上研發(fā)的純無(wú)機(jī)水溶性納米涂料，它既保持了陶瓷涂料固有的各種特性，還實(shí)現(xiàn)了常溫固化、易修復(fù)、壽命長(zhǎng)等傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品難以企及的夢(mèng)想。采用該涂料進(jìn)行設(shè)備防腐處理時(shí)，可到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴涂，不用在高溫條件下施工，解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾防腐工業(yè)的需加溫固化的技術(shù)難題，這在全世界也無(wú)先例。銀圭陶瓷涂料系純無(wú)機(jī)產(chǎn)品，在1200℃以上仍保持穩(wěn)定的耐腐蝕性，同時(shí)在遇火時(shí)不燃燒，不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，也不會(huì)發(fā)生變色，可以替代各種防火涂料。由于該涂料表面結(jié)合了陰離子，因此在超長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)于環(huán)境變化和紫外線都有抵抗力，不會(huì)發(fā)生變色變形、光澤度降低等現(xiàn)象。此外，該涂料的柔韌性也非常好，噴涂在0.2mm厚的鋁鉑上可隨意彎折，涂層不開裂不脫落。據(jù)悉，該陶瓷涂料可廣泛應(yīng)用于汽車、化工、石化、新能源、船舶、軍工、橋梁、家電等行業(yè)的防腐。它對(duì)濃硫酸、濃硝酸、鹽酸和強(qiáng)堿具有優(yōu)異的抗酸堿特性，特別適用于化工設(shè)備的內(nèi)部防腐，即使是在煙囪里，噴涂厚度也僅需幾十微米。

近年來(lái),廣泛應(yīng)用于航天技術(shù)中的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于汽車上,這種技術(shù)采用等離子噴涂工藝可涂覆三氧化鋯、碳化鈦和二氧化鈦等陶瓷,獲得1mm以內(nèi)的耐久涂層。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫部件涂上一層高溫陶瓷,既能保持金屬材料的固有強(qiáng)度和韌性,又具有耐高溫特點(diǎn),熱效果好、能承受高溫高壓、工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。為達(dá)到低散熱目標(biāo),可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件進(jìn)行陶瓷噴涂,如活塞頂噴氧化鋯,在氣缸套、活塞環(huán)工作表面噴涂陶瓷鍍層可提高耐磨性和使用壽命。利用此技術(shù)還可使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣孔道表面的耐熱能力從1200℃提高到1700℃。經(jīng)過(guò)這種處理的發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低散熱損失、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量、減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、減少燃油消耗量。

2陶瓷涂料的熱噴涂技術(shù)及其工藝特點(diǎn)

眾所周知,除少數(shù)貴金屬外,金屬材料會(huì)與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)而遭受腐蝕。此外,金屬表面受各種機(jī)械作用而引起的磨損也極為嚴(yán)重，大量的金屬構(gòu)件因腐蝕和磨損而失效,造成極大的浪費(fèi)和損失。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年鋼材因腐蝕和磨損而造成的損失約占鋼材總產(chǎn)量的10%,損失金額約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%～4%。如果將因金屬腐蝕和磨損而造成的停工、停產(chǎn)和相應(yīng)引起的工傷、失火、爆炸事故等損失統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的話,其數(shù)值更加驚人。

機(jī)械零件和鋼結(jié)構(gòu)的破壞多自表面開始，諸如腐蝕、氧化、磨損以及熱疲勞破壞的發(fā)生。因此，采用涂層技術(shù)對(duì)表面實(shí)行保護(hù)，可使部件壽命大幅度延長(zhǎng)，這比采用整體材料既經(jīng)濟(jì)又方便。此外，涂層技術(shù)還可賦予材料新的功能，主要有紅外輻射、化學(xué)催化、生物相容等等。因此,發(fā)展金屬表面防護(hù)和強(qiáng)化技術(shù),是各國(guó)普遍關(guān)心的重大課題。涂層技術(shù)是一種量大面廣、效果顯著的材料保護(hù)和表面改性方法，應(yīng)給予高度重視。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,汽車工業(yè)越來(lái)越多地要求機(jī)械車輛能在高參數(shù)(高溫、高壓、高速度和高度自動(dòng)化)和惡劣的工況條件(如嚴(yán)重的磨損和腐蝕)下長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，因此,對(duì)材料的性能也提出更高要求，而且往往是要求材料兼?zhèn)涠喾N性能，比如要求材料具備足夠強(qiáng)度的同時(shí)，還要求材料具備有耐腐蝕性、耐磨性或耐熱性和隔熱性等等。熱噴涂技術(shù)就是為適應(yīng)這些要求而逐步發(fā)展起來(lái)的。

采用高性能的高級(jí)材料制造機(jī)械車輛及零件以獲得表面防護(hù)和強(qiáng)化的效果,顯然是不經(jīng)濟(jì)的,有時(shí)甚至是不可能的。所以,研究和發(fā)展材料的表面處理技術(shù)就具有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。而表面處理技術(shù)也在這種需求的推動(dòng)下獲得了飛速的發(fā)展和提高。熱噴涂技術(shù)就是這種表面防護(hù)和強(qiáng)化的技術(shù)之一,是表面工程中一門重要的學(xué)科。熱噴涂技術(shù)是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，它可以在普通材料表面形成具有特殊性能的涂層，獲得各種特殊性能的涂層，從而使制品表面獲得各種特殊性能。此外，由于機(jī)械零件在長(zhǎng)期運(yùn)行中磨損、腐蝕，或因加工超差等原因而造成許多貴重零部件報(bào)廢也可以通過(guò)熱噴涂技術(shù)方便、有效地予以修復(fù)。

所謂熱噴涂,就是利用某種熱源,如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),然后借助焰流本身的動(dòng)力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體材料表面,與基體材料結(jié)合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術(shù)。熱噴涂方法有多種，按其使用的熱源來(lái)分，有氣體燃焰噴涂、電弧噴涂、高頻電熱噴涂、等離子射流噴涂、爆炸噴涂等，最近還出現(xiàn)了激光噴涂。按噴涂材料的形態(tài)來(lái)分，有熔線式噴涂、熔棒式噴涂和粉末噴涂。其中氣體燃焰噴涂的材料可以是線材，也可以是棒材或粉末，電弧噴涂和高頻噴涂均用金屬線材料，而等離子噴涂和爆炸噴涂一般均用粉末材料，激光噴涂也是采用粉末材料。無(wú)論那一種熱噴涂方法，都是在材料表面形成一層所需功能的表面層。因此基于這點(diǎn)，熱噴涂技術(shù)也是一種表面處理技術(shù)。但它與其它表面處理技術(shù)相比，又有許多自身的特點(diǎn)，從而逐步形成一門獨(dú)立的應(yīng)用技術(shù)。

熱噴涂法的適應(yīng)范圍廣，不僅適用于金屬制品,也適用于非金屬制品，如陶瓷制品等，均能在其表面形成涂層。一般來(lái)說(shuō)，凡經(jīng)加熱能呈熔融狀態(tài)或塑性狀態(tài)的任何固體工程材料，無(wú)論是金屬、陶瓷、玻璃或塑材均可作為噴涂材料，而且還可以根據(jù)需要將各種材料混合或制成復(fù)合材料，使所得到的涂層滿足各類特殊要求。目前已經(jīng)能夠較方便地獲得耐磨、耐腐蝕、耐高溫、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、防輻射、密封等性能的涂層。幾乎不受尺寸和幾何形狀的限制，只要噴射束能到達(dá)的部位，都可以進(jìn)行噴涂。能形成比任何一種表面處理方法厚得多的涂層，其厚度可由0.05mm至幾毫米，有的材料則不限厚度。

陶瓷通常是指各種氧化物、硼化物、硅化物、碳化物的總稱，它們的熔點(diǎn)都很高，大多在2000℃以上，化學(xué)穩(wěn)定性良好。其中氧化物應(yīng)用較多，它們?cè)谘趸詺夥罩杏袃?yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，熔點(diǎn)很高，還具有很好的耐磨性和電絕緣性能。因而多作為耐高溫、耐隔熱、絕緣、耐磨、耐腐蝕涂層。應(yīng)用較多的氧化物陶瓷有氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氧化鉻、氧化鋯等。金屬碳化物的熔點(diǎn)比其化合物中金屬元素的熔點(diǎn)高，在高溫下有良好的機(jī)械性能，所以適宜于耐熱涂層。幾乎所有碳化物都是電和熱的良導(dǎo)體。典型的碳化物是碳化鎢，它還具有很高的硬度，因而有良好的耐磨性，常用于機(jī)械密封和要求耐磨的軸頸等。其它陶瓷也都可作為熱噴涂材料。所有陶瓷都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是材料沒有延展性，硬而脆，因此不可能制成線材，絕大多數(shù)是以粉末材料出現(xiàn)，也有將其制成棒材用于熔棒式噴涂的。

熱噴涂技術(shù)具有以下一些特點(diǎn)：由于熱源的溫度范圍很寬,因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態(tài)工程材料,如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復(fù)合物等。因而能賦予基體以各種功能(如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱等)的表面。能有機(jī)地把金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等和陶瓷材料的耐高溫、高耐磨、高耐蝕等特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足機(jī)械產(chǎn)品對(duì)結(jié)構(gòu)性能(強(qiáng)度、韌性等)和環(huán)境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫等)的需要，獲得相當(dāng)理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

能夠用于制備陶瓷涂層的材料品種多，它們包括：各種氧化物和復(fù)合氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物以及金屬陶瓷；陶瓷和陶瓷、陶瓷和金屬、陶瓷和塑料等材料，亦可進(jìn)行組合。用作整體結(jié)構(gòu)材料的陶瓷，目前還僅有碳化硅、氮化硅、穩(wěn)定化氧化鋯等少數(shù)幾個(gè)品種。

能夠在多種基體材質(zhì)上制備陶瓷涂層，基體可以是各種金屬(如鋼、鑄鐵、鋁、鈦、銅、鉬、鎢等難熔金屬)，陶瓷、水泥、耐火材料、石料及石膏等無(wú)機(jī)材料，塑料和有機(jī)材料以及木材、紙板等，幾乎所有的固體材料都可作為基體，其性能均可通過(guò)噴涂陶瓷涂層加以改善。制造陶瓷復(fù)合粉末的方法有熔煉-破碎法、燒結(jié)法、團(tuán)聚或噴霧干燥法、包覆法、化學(xué)反應(yīng)共沉積法、溶-膠法、團(tuán)聚等離子體球化法、自蔓延法等，能夠配制多種組分和配比的陶瓷復(fù)合粉末，調(diào)整涂層成分比較容易。陶瓷涂層厚度一般在幾十微米到幾毫米之間，加之陶瓷材料密度較小，因而物耗少，物流量小，但附加值卻很高。如火箭用鎢噴管，噴涂陶瓷涂層后，其使用壽命提高上百倍；高壓泵柱塞表面噴涂0.3～0.5 mm厚的陶瓷涂層，其使用壽命比慣用的鍍硬鉻柱塞提高6倍。

能夠在薄壁件、空心件和異形件表面噴涂陶瓷涂層，也可實(shí)現(xiàn)制品局部噴涂陶瓷涂層強(qiáng)化。容易與原有金屬加工的工裝條件結(jié)合，實(shí)行企業(yè)的技術(shù)改造。噴涂陶瓷涂層的產(chǎn)品可以是短、小、輕、薄的制品，如氧探測(cè)器、固體燃料電池等；也可以是重型、大型制品，如大型液壓缸用超大型陶瓷涂覆活塞桿，長(zhǎng)達(dá)16m，重達(dá)10t以上。既可在熱噴涂工廠內(nèi)施工，也可在現(xiàn)場(chǎng)施工。熱噴涂技術(shù)沉積陶瓷涂層的沉積速率比PVD、CVD、電火花沉積等要快，通常為2～5kg/h。采用水穩(wěn)等離子噴涂Al2O3，沉積速率可高達(dá)55kg/h，涂層厚度可達(dá)20mm。而微束等離子噴涂，其厚度僅有十幾微米。采用電腦控制的超細(xì)粉末送粉器，能夠?qū)⑼繉雍穸日`差控制在10μm左右。陶瓷涂層的可加工性好，且涂層損壞后，金屬基體還可再使用，再噴涂陶瓷涂層。

隨著熱噴涂應(yīng)用要求的提高和領(lǐng)域的擴(kuò)大,特別是噴涂技術(shù)本身的進(jìn)步,如噴涂設(shè)備的日益高能和精良,涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高,熱噴涂技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展,不但應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展,而且該技術(shù)已由早期的制備一般的防護(hù)涂層發(fā)展到制備各種功能涂層；由單個(gè)工件的維修發(fā)展到大批的產(chǎn)品制造；由單一的涂層制備發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、涂層材料和設(shè)備的研制、選擇,涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和涂層后加工在內(nèi)的噴涂系統(tǒng)工程；成為材料表面科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。并且在現(xiàn)代工業(yè)中逐漸形成象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨(dú)立的材料加工技術(shù)。成為汽車工業(yè)部門節(jié)約貴重材料、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命、降低成本、提高工效的重要的工藝手段,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

3全新的陶瓷涂料及納米陶瓷涂料的性能

傳統(tǒng)的涂料就是人們通常所熟知的“油漆”，這類涂料都是有機(jī)涂料，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的合成樹脂涂料仍是有機(jī)涂料。大多數(shù)有機(jī)涂料在生產(chǎn)過(guò)程中都使用了一些對(duì)人體和環(huán)境有害的原材料，在生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)排放出有害的廢水和氣體，甚至在施工后的一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)釋放出有害氣體。大都數(shù)有機(jī)涂料都是易燃物質(zhì)，且暴露于自然環(huán)境下人容易發(fā)生降解反應(yīng)。這些涂料在焚燒或降解后最終生成大量的“溫室效應(yīng)”氣體二氧化碳。涂料工業(yè)對(duì)環(huán)境的不良影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是涂料工業(yè)向大氣中排放有機(jī)揮發(fā)物(VOC)。這種VOC主要來(lái)源除有機(jī)溶劑外，還有成膜物質(zhì)中的揮發(fā)性有機(jī)物，即游離單體，一般數(shù)量較少。二是涂料在生產(chǎn)過(guò)程中消耗了大量不可再生資源資源。鑒于傳統(tǒng)涂料工業(yè)對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的不良影響，世界各國(guó)紛紛制定了嚴(yán)厲的環(huán)保法規(guī)來(lái)限制工業(yè)廢水、廢氣和廢渣的排放，逐步淘汰一些對(duì)環(huán)境和人體有害的原材料已經(jīng)是勢(shì)所必然。為了減少涂料工業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，降低VOC排放量并能夠滿足環(huán)保法規(guī)的新型涂料，包括水性涂料、高固體分涂料、無(wú)溶劑液體樹脂涂料、粉末涂料和輻射固化涂料等。陶瓷涂料與任何傳統(tǒng)的合成樹脂有機(jī)涂料都不同，是一種全新的水性無(wú)機(jī)涂料。它是以納米無(wú)機(jī)化合物為主要成份，涂裝后通過(guò)低溫加熱方式固化，形成性能和陶瓷相似的涂膜。

納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而形成耐高溫陶瓷涂層的材料。以水為介質(zhì)的高效保溫納米陶瓷粉末涂料和重防腐納米陶瓷涂料，在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱保溫效果，不脫落、不燃燒，耐水、防潮，無(wú)毒、對(duì)環(huán)境沒有污染。測(cè)驗(yàn)證明，將幾厘米厚的納米陶瓷粉末涂料涂在熱力管道外，就能有效防止熱力向外擴(kuò)散；涂料涂在煉鋼廠等高溫爐內(nèi)，能使?fàn)t外表溫度控制在50℃以內(nèi)，適用于汽車、冶金、化工工業(yè)電廠的熱力鍋爐及焦化煤氣等熱力設(shè)備和熱力管網(wǎng)等高溫設(shè)備的防腐、爐外降溫。而用于腐蝕條件惡劣環(huán)境中的重防腐納米陶瓷涂料，則能有效防護(hù)航標(biāo)燈座、船舶、石油化工設(shè)施和各類貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設(shè)備、海上油田等設(shè)施以及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等生產(chǎn)設(shè)備的外表面，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)防止強(qiáng)酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。由于納米無(wú)機(jī)類陶瓷材料化性穩(wěn)定、微細(xì)且具高度的流動(dòng)性、流平性及滲透性，幾乎可運(yùn)用于各種材料表面及填補(bǔ)表面之針孔及肓孔以達(dá)到高密著密封性及防蝕功能，耐候性特佳。陶瓷態(tài)保護(hù)涂層因納米的表面效應(yīng)及其界面特性使被加工物表面具備納米蓮葉效應(yīng)，使水、油及其它液體產(chǎn)生高張力懸浮在表面納米凸點(diǎn)上并迅速排離表面，降低液態(tài)物質(zhì)駐留在表面的機(jī)會(huì)及時(shí)間，達(dá)到極佳的防水疏水疏油性能。同時(shí)可將表面存留的灰塵帶離，展現(xiàn)抗污自潔性。納米無(wú)機(jī)類陶瓷保護(hù)涂層是由高穩(wěn)定態(tài)的納米無(wú)機(jī)氧化物類陶瓷材料組成，該類納米材料本身硬度很高成膜后，相對(duì)密度很高，整體表面硬度約在6H 以上，耐磨性表現(xiàn)突出。納米無(wú)機(jī)氧化物類陶瓷材料其破壞溫度約在800～980℃，成膜后的耐溫約為400～600℃之間，可因應(yīng)需求調(diào)整配方使其耐溫達(dá)800℃左右。

納米無(wú)機(jī)類陶瓷材料是一種紫外線吸收材料，固具有很好的抗紫外線性。由于材質(zhì)穩(wěn)定不易質(zhì)變，故可以因需求填加其它功能需求的納米材料以擴(kuò)大功能。如抗電磁波、抗菌、防霉等等。由于納米無(wú)機(jī)氧化物類陶瓷材料是一種高介電材料，所以具有良好的抗靜電性能。 應(yīng)用于金屬或金屬鍍層表面，此納米薄層可防止表面氧化、絕緣、抗靜電、防水、防塵、高硬度、耐磨且有不沾自潔效果。金屬極易有表面氧化現(xiàn)象，一般處理方式不外乎惰性金屬鍍層保護(hù)及表面涂裝保護(hù)兩種，但惰性金屬電鍍之表面只是氧化速率較慢一樣會(huì)有氧化現(xiàn)象，而表面涂裝一般為有機(jī)樹脂成份，其物性、化性會(huì)因樹脂成份不同而受限制且都須高溫聚合及繁雜工序才有保護(hù)作用，無(wú)法維持金屬特有知光澤。

4熱噴涂工藝種類、特性和適用范圍

陶瓷熱噴涂是指以陶瓷為噴涂材料的熱噴涂方法，是在金屬材料熱噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。陶瓷熱噴涂的相當(dāng)一部分是用來(lái)制備耐磨涂層，在耐粘著磨損、耐磨粒磨損、耐纖維磨損、耐微振磨損等諸多方面發(fā)揮作用。當(dāng)相同或相似的金屬相之間接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，很容易產(chǎn)生粘著磨損，而當(dāng)兩表面的材料硬度相當(dāng)大時(shí)，則不易產(chǎn)生粘著磨損。所以在一個(gè)金屬表面噴涂陶瓷涂層，就可以很好地解決粘著磨損。

在眾多的涂層技術(shù)中，熱噴涂技術(shù)占有顯著的地位。80年代初期，低壓等離子噴涂和高速火焰噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，使熱噴涂技術(shù)形成了一個(gè)完善的體系得到了飛速發(fā)展。

在熱噴涂過(guò)程中，粉末或絲狀材料經(jīng)高溫熔融，形成液體或液體加固體的微粒。以較高的速度碰撞于基體材料表面，形成具有不同功能的涂層材料。熱噴涂工藝主要有火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂三種，它們的工藝特性和適用范圍現(xiàn)分述如下：

火焰噴涂主要是利用氧-乙炔燃燒產(chǎn)生高溫火焰，將噴涂材料熔融，再利用周圍壓縮空氣使熔融材料或微粒噴射黏附于基材表面。由于燃燒氣體的溫度限制，噴涂材料的熔點(diǎn)一般低于2500℃?；鹧鎳娡糠椒ū容^簡(jiǎn)單，設(shè)備也不復(fù)雜，因此在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。

電弧噴涂以金屬絲作為噴涂材料的電弧噴涂與其他的熱噴涂方法有很大的不同，它是由兩根作為噴涂材料而不斷被消耗的載流金屬絲短路，產(chǎn)生連續(xù)電弧而使金屬絲端部熔融，用高速冷空氣射流使熔化的金屬絲端部霧化濺射到基材表面。冷噴涂是電弧噴涂的一個(gè)特點(diǎn)，即噴涂時(shí)不會(huì)提高基體表面的溫度。另外,噴涂效率也比線材火焰噴涂提高2～6倍。電弧噴涂成本低，約為火焰噴涂的1/10，設(shè)備投資為等離子噴涂的1/3，但它只用來(lái)噴涂金屬絲材，應(yīng)用受到一定的限制。

等離子噴涂是熱噴涂技術(shù)中最為重要的一種。利用直流電弧放電,把高溫加熱的氬氣、氮?dú)?、氦氣等氣體部分電離成離子束,在電弧放電部位四周強(qiáng)制流過(guò)低溫氣體,產(chǎn)生熱收縮效應(yīng),使電弧放電部位斷面縮小,導(dǎo)致能量密度和電流密度升高，最高溫度可達(dá)20000℃。由于等離子噴涂溫度高，氣氛可控制，可以用來(lái)噴涂各類高熔點(diǎn)的金屬、氧化物和其他各種材料。

熱噴涂涂層材料的性能：由于熱噴涂技術(shù)的工藝手段很多，所以噴涂材料的選擇范圍很廣。從塑料、低熔點(diǎn)金屬，到難熔金屬、陶瓷及其混合物。任何一種具有穩(wěn)定液態(tài)的材料，至少可以用其中一種方法噴涂。同時(shí)，熱噴涂涂層材料性能各不相同。熱噴涂涂層具有耐摩擦和潤(rùn)滑、熱保護(hù)、抗氧化、抗腐蝕、導(dǎo)電和電絕緣、化學(xué)催化、復(fù)合材料制備及部件修復(fù)等功能。耐磨涂層是熱噴涂技術(shù)的最大應(yīng)用方面，通常具有高硬度、低氣孔率、堅(jiān)韌、與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用合適的組分，還可以減少摩擦。主要的噴涂材料有鎳基合金和鈷基合金、碳化物、硼化物、氧化物等。汽車零部件中的同步齒環(huán)和活塞環(huán)，通常采用火焰噴涂鉬涂層。

5陶瓷熱噴涂技術(shù)在汽車上的應(yīng)用前景

由于陶瓷涂層具有許多金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，所以發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。上世紀(jì)80年代,日本開發(fā)出小型車用陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī),引起了全世界的關(guān)注。陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物。它和金屬材料、高分子聚合物材料一起,構(gòu)成固態(tài)工程材料的三大支柱?，F(xiàn)代已將金屬陶瓷、其他無(wú)機(jī)非金屬材料統(tǒng)歸入陶瓷范疇，成為品種、功能極多的一個(gè)材料大家族。陶瓷材料多具有離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，鍵能高，原子間結(jié)合力強(qiáng),表面自由能低,原子間距小,堆積致密,無(wú)自由電子運(yùn)動(dòng)。這些特性賦予了陶瓷材料高熔點(diǎn)、高硬度、高剛度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣絕熱能力、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小、無(wú)延展性等鮮明特征。應(yīng)用新型陶瓷復(fù)合粉末，采用熱噴涂技術(shù)特別是等離子噴涂技術(shù)，在金屬基體上制備陶瓷涂層，能把陶瓷材料的特點(diǎn)和金屬材料的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及制品，正成為當(dāng)代復(fù)合材料及制品高科技領(lǐng)域的一個(gè)重要分枝。80年代以來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及能源、交通、冶金等工業(yè)部門，成效卓著。據(jù)報(bào)道，美國(guó)在90年代，陶瓷涂層的應(yīng)用年增長(zhǎng)率在12%以上。這表明，在先進(jìn)國(guó)家，陶瓷涂層高科技技術(shù)將成為新世紀(jì)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。

熱噴涂技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于材料表面強(qiáng)化、表面防護(hù)、表面修復(fù)和表面裝飾的應(yīng)用技術(shù)，它可在各種固體工程材料表面，噴涂各種金屬及合金、工程陶瓷、工程塑料以及由以上材料形成的復(fù)合材料，并能形成牢固的結(jié)合層，從而使制品表面獲得耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、隔熱、導(dǎo)熱、絕緣、導(dǎo)電、輻射、防輻射、低摩擦、防咬合、密封、增大化學(xué)反應(yīng)有效面積等等特殊性能。機(jī)械零件在運(yùn)行過(guò)程中，因磨損、腐蝕，或在加工過(guò)程中超差，均可采用熱噴涂技術(shù)予以修復(fù)。運(yùn)用熱噴涂技術(shù)可達(dá)到提高制品使用壽命、節(jié)省貴重材料、節(jié)約能源、修舊利廢以及裝飾美化等目的。熱噴涂技術(shù)是材料表面強(qiáng)化和保護(hù)的新技術(shù)，在金屬和非金屬表面采用不同的噴涂方法，可噴涂金屬、合金、陶瓷、復(fù)合陶瓷、塑料等涂層，達(dá)到防腐、耐磨、抗高溫、耐氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、微波吸收等多種功能?？梢允箞?bào)廢了的零部件“起死回生”，使新的零部件“益壽延年”，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、節(jié)約材料的目的。

為了提高汽車的性能，減少汽車的能耗和適應(yīng)環(huán)保要求，熱噴涂技術(shù)在汽車制造行業(yè)有了較大的發(fā)展。由于汽車工業(yè)屬大工業(yè)化生產(chǎn)，一個(gè)成熟的工藝技術(shù)，往往形成的批量生產(chǎn)是很可觀的。目前已形成批量產(chǎn)品的有同步環(huán)、活塞環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門挺桿以及氧敏傳感器探頭等部件的熱噴涂。先進(jìn)的陶瓷材料因其有著較高的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，被越來(lái)越多的用于汽車工業(yè)。然而，較差的韌性和抗熱震性能限制了先進(jìn)陶瓷材料的廣泛使用。將新型的納米材料制備技術(shù)與陶瓷增韌機(jī)理和材料微合金化改性機(jī)理相結(jié)合，最終得到納米顆粒增強(qiáng)的納米三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的熱噴涂氧化物陶瓷涂層。與普通的熱噴涂氧化物陶瓷涂層相比，這種新型的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層具有十分優(yōu)異的耐磨抗蝕性能、抗熱震性能和強(qiáng)韌性能。熱噴涂氧化物陶瓷涂層技術(shù)可應(yīng)用于汽車的各種機(jī)械零部件。諸如活塞、活塞環(huán)、汽缸體、閥桿、液壓支柱、軸瓦、銷子、凸輪、凸桿、渦輪機(jī)部件等。還可以衍生出更多的使用納米結(jié)構(gòu)陶瓷材料和涂層，如納米碳化物、納米氮化物材料和涂層。熱噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層具有十分優(yōu)異的強(qiáng)韌性能、耐磨抗蝕性能和抗熱震性能。

除了上述之外，還有各種軸類零部件如汽車曲軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、空壓機(jī)、拖拉機(jī)、制冷機(jī)曲軸及船用曲軸等磨損后的修復(fù)；各類熱壓、冷沖、拉延、熱擠熱煅、熱沖、注射、壓鑄、橡膠模、塑料膜等模具的修復(fù)。熱噴涂耐磨涂層用于機(jī)械修復(fù)往往比新品更為耐用。

熱噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層，不僅具有高的硬度，優(yōu)異的耐磨性；而且摩擦系數(shù)低，能耗?。粚?duì)密封填料的磨損小，涂層硬度和耐磨性不回因局部過(guò)熱而降低。因此在抗衡腐蝕磨損領(lǐng)域，熱噴涂涂層正成為電鍍硬鉻技術(shù)強(qiáng)有利的競(jìng)爭(zhēng)者和取代者。液壓油缸活塞桿，采用等離子噴涂Al2O3+TiO2陶瓷涂層代替鍍硬鉻，可達(dá)到高質(zhì)量，長(zhǎng)壽命，免維修。各種液壓活塞桿柱塞、軸磨環(huán)、電樞軸頭、磨床軸、活塞環(huán)、凸輪隨動(dòng)件等，原用鍍鉻制品均可用熱噴涂涂層取代。從而避免由鍍鉻帶來(lái)的鉻水污染。用熱噴涂方法制備整體成型零件產(chǎn)品是一種快速噴涂制造方法。其特點(diǎn)在于根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)要求調(diào)整和和選配不同性能的噴涂材料靈活制備，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

制造各種高熔點(diǎn)氧化物陶瓷成型產(chǎn)品，可采用水穩(wěn)等離子噴涂和高能等離子噴涂技術(shù)進(jìn)行。典型的方法之一是：對(duì)金屬模表面進(jìn)行輕微噴砂處理后，在噴鍍一層脫模劑薄涂層，然后噴涂陶瓷涂層到達(dá)一定厚度，成型后的制品只需溶到脫模劑即可獲得凈尺寸工件。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在未來(lái)的汽車制造業(yè)中將會(huì)有更多的特種陶瓷、智能陶瓷制品熱噴涂被引入和采用到汽車上，而且一定會(huì)在汽車生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

6結(jié)束語(yǔ)

陶瓷熱噴涂是一項(xiàng)具有廣泛實(shí)用性的新型表面處理和表面強(qiáng)化的專業(yè)技術(shù)。熱噴涂陶瓷涂層因其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性而具有幾乎其他各類材料均無(wú)法比擬的耐蝕性；因陶瓷材料的高熔點(diǎn)而具有能耐上千度高溫的耐熱性，陶瓷材的高硬度顆粒相而具有遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)合金的耐磨性，而且，不同的選材還可以滿足特定的功能要求，如隔熱、電絕緣、半導(dǎo)體、防微波輻射等等。熱噴涂技術(shù)種類齊全，使用方便，涂層材料變化無(wú)窮，可根據(jù)不同的要求進(jìn)行選擇，是節(jié)約原材料，提高工作效率的重要途徑，既可為新興工業(yè)服務(wù)，又可為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的改造服務(wù)。目前已在汽車及其他許多領(lǐng)域中成功應(yīng)用，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其技術(shù)的開發(fā)有著非常廣闊的前景。

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Focus on Ceramic Materials in the Automotive Technology of Thermal Spraying

Xiao Jiumei

(Wuhan Chemical Materials Company,Wuhan 430055)

Abstract:Thermal spraying is a ceramic material with a wide range of practical new surface treatment and surface hardening of expertise, with many metallic materials can not match the excellent performance, so the rapid development in many areas, an increasingly important role played . Has been in the automotive and other successful applications in many areas, and its technology development has a very broad prospects. Spraying of ceramic materials for new technologies expose Tau Kok, introduced ceramic thermal spray coating technology and its technical characteristics of a new nano-ceramic coating ceramic coating and the performance of the thermal spraying process types, characteristics and scope, while that the ceramic thermal spray technology in the car on the application.

Keywords:ceramic materials; automotive applications;thermal spray technology; process performance

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.005