表面处理对陶瓷

背景

陶瓷发现越来越广泛的应用,然而,经常使用的局限性与表面现象,比如开始破裂的影响,环境恶化和复杂的摩擦学的交互。对工程陶瓷表面典型应用包括:

•超低摩擦与金属氧化物半导体陶瓷轴承₂润滑涂层

•金刚石涂层氮化硅和硬质合金刀具加工先进的铝合金和金属基复合材料

•低摩擦生物组件(如陶瓷股头或氧化铝牙科假肢涂上了类金刚石碳

•气急败坏的钛层提高SiC的润湿和Si₃N₄亚博网站下载材料钎和提高接头强度

•为高性能等离子喷涂氧化钇涂层坩埚和炉元素

•离子注入在LiNbO波导₃光电设备

表面工程专业后产生

表面有大量的工程流程用于治疗的金属从沉积相对较厚的涂层(> 1毫米)焊缝覆盖到很薄的由离子注入表面改性(< 1µm)然而,有相对较少的技术适用于陶瓷、表1。这是因为陶瓷相对惰性,强烈保税物质及其高温融化导致散装扩散率低,如通过空位机制。这些特点阻碍平衡治疗表面改性反应或扩散,因此非平衡机制涉及高能离子轰击可以提供一个有用的选择。此外,陶瓷通常是绝缘体,利用electrical-based涂层技术,如电镀困难。因此,等离子体,离子束和激光治疗显示最大的陶瓷材料表面工程的承诺。亚博网站下载

表1。表面改性技术对陶瓷的例子。

断裂韧性

离子注入

离子轰击可以引入一个大型双轴压缩残余应力在陶瓷材料的表面已经超过20年。损失由他们来休息的离子物质(在较小程度上离子本身)导致扩大的层将其放入压缩和关闭表面缺陷。这提高了陶瓷的韧性,在表面缺陷控制的行为。此外,离子注入将修改表层的可塑性,因此减少骨折的可能性对裂纹萌生机制基于位错堆积。与镍离子注入可以大大提高氧化铝的断裂韧性,尽管治疗只有最外层的材料(< 1µm)。

离子束混合

类似的韧性的改善可以通过离子束混合。在这个过程中,一层薄薄的金属(镍或钛等)是蒸发在陶瓷表面,然后与离子束轰击氩或其他惰性气体(通常)混合陶瓷的表层。这种技术的优点是,可以实现更高的金属含量在表层无追索权昂贵的金属离子植入自大面积,高电流离子光束相对容易产生气体源材料。亚博网站下载

激光加工

改善韧性还可以通过激光加工陶瓷的表面。激光玻璃过程中陶瓷的表面局部融化,流向填充孔隙或裂缝。这个过程可以有效地密封多孔材料用于真空设备以及提高陶瓷的韧性。app亚博体育亚博网站下载或者激光可以用来融化一层薄薄的金属镀层沉积到表面渗透和填补表面缺陷,提高韧性一样的离子注入技术。

摩擦和耐磨性

穿在脆性材料不仅取决于他们的硬度,但是也摩擦系数(控制拉伸剪切应力的大小)和断裂韧性。陶瓷对陶瓷摩擦可以非常高(µ> 0.5)在一系列的操作环境。基本上脆性材料的接触在非相容的接触会导致磨损断裂过程导致短组件寿命亚博网站下载增加陶瓷的断裂韧性表面或减少摩擦将因此改善磨损性能。

PVD润滑涂层沉积

为了减少陶瓷/陶瓷摩擦润滑涂层薄如二硫化钼或类金刚石碳可以使用。耐用的金属氧化物半导体₂涂料应用于氮化硅球轴承由PVD流程保持摩擦系数< 0.1超过100000周期在真空中,图1所示。在这个应用程序中硬氮化硅衬底提供出色的支持负载金属氧化物半导体₂涂料和性能要比类似的涂料在轴承钢(52100、440 c等)。低摩擦发生由于剪切的涂层。减少摩擦系数可以达到0.15 ~在空气中通过与类金刚石碳涂层轴承表面等离子体CVD或离子束流程。在这种情况下,惰性碳质膜减少滑动配合端面之间的附着力,其优良的耐磨性提供必要的耐久性。

激光合金化

类似的摩擦减少可以通过激光合金化,例如当钛激光与氧化锆合金,减少摩擦系数对钢销。这是由于份富含钛形成氧化层,表现为固体润滑剂。

CVD金刚石涂层

钻石的极端硬度和化学惰性,使其成为理想的候选人材料摩擦学的应用程序。氮化硅与CVD金刚石涂层硬质合金刀具插入现在正在开发先进的铝合金的加工(例如al - 13% Si)和金属基复合材料使用现有工具无法成功处理。

离子注入

陶瓷的耐磨性可以大大提高了离子注入。过程是复杂的和许多不同的政权的行为。例如离子注入的铝钛或钇的用量最大,增加了硬度和耐磨蚀amorphisation发作。这一增长伴随着增加摩擦。一旦存入足够的能量陶瓷和amorphisation发生陶瓷再次软化和减少摩擦。然而,它保留了一些离子轰击所产生的压应力和非晶层可以作为润滑剂,如果它到达地表。相当大的减少磨损和低摩擦的奖金是由这种治疗。

总结

因此明显,理想需要陶瓷表面上是一个困难,艰难,低摩擦层是连着衬底。离子注入和蒸汽沉积可以生产层,满足这些标准,但没有过程生成所需的所有属性。表面处理为每个摩擦学的应用程序需要优化。

腐蚀保护

尽管陶瓷通常被认为是惰性经常有腐蚀问题,取决于操作环境。例如,在水环境中氮化硅轴承材料迅速磨损由于腐蚀的基础机制。亚博网站下载此外,non-oxide如碳化硅陶瓷材料可以是灾难性的氧化在高亚博网站下载温(~ 1000°C)当热循环破坏保护性氧化物的形成规模。复杂的涂料正在开发保护这些材料结构在熔炉和焚化炉使用。亚博网站下载

涂层石墨和碳

石墨和碳碳复合材料良好的高温结构材料在真空中使用但在空气中迅速氧化温度高于600°C。亚博网站下载石墨的抗氧化性能更高的温度可以提高通过与CVD碳化硅涂层,但涂层开裂的问题在热循环中遇到。一个解决方案是存款的碳化硅层下硼硅玻璃熔融温度约900°C。这可以流入裂缝形成和密封。复杂的多层系统正在开发改进这些涂料的一生。

加入陶瓷

陶瓷与金属的连接或其他由于其耐火性陶瓷相对困难,因此许多改善焊接技术已经开发出来。用于加入蒸汽沉积过程,修改的润湿行为陶瓷和存款需要结合活性材料。亚博网站下载

钎焊

钎焊陶瓷氮化硅等涉及高温(超过850°C)和活性合金如含钛低共熔体。所需的温度升高带来的反应产生界面化合物(在这种情况下,氮化钛和硅化钛)。钎焊的一个问题是陶瓷的润湿性由铜焊材料加入温度。使用传统的钎焊技术往往很难得到充分钎流入联合。因此铜焊材料表面可以涂在焊接以确保材料是均匀分布的。溅射过程的理想这是正确的钎成分是固体钎源目标更容易实现。另外一层薄薄的镍或钛可以沉积在陶瓷表面,以改善其润湿性钎。

电子和光学性质

使用离子注入、PVD和CVD设备制造微电子工业中。现在越来越有兴趣使用技术来生产光电设备;离子注入技术在开发制作的波导激光器如氦注入的Nd:分别以:LiNbO₃或Nd-YAG基质。的最大挑战之一,为光学计算机的发展是基于一种光子开关将取代切换由电子晶体管。有人建议,光学非线性可用于这种类型的转换和离子注入正在调查作为裁剪方法的非线性电光材料,以便这些设备。亚博网站下载

薄涂料由PVD和CVD用于改变建筑的建筑玻璃的红外传输热能管理(即保持热在冬季和夏季降温)。类似的涂料用于过滤器或anti-reflection层。这是一场最大规模的表面工程陶瓷材料的使用。亚博网站下载

结论

单片陶瓷材料和陶瓷复合材料正在评估在许亚博网站下载多行业,如航空航天、汽车。然而,来生成所需的表面性质,表面处理在某些应用程序中是必要的。各种表面处理技术可用于程序开发的陶瓷材料,但许多金属的治疗需要修改用于陶瓷。亚博网站下载例如喷雾效率和等离子喷涂氧化涂层的附着力陶瓷基板比金属差得多。这些技术问题得到解决和组件的性能要求更加严重,将会有越来越工业利用的表面工程陶瓷。

主要作者:史蒂夫博士牛

材料来源:世界,亚博网站下载卷。1。6页340 - 42岁,1993年祭廊。

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