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金属碳化物涂层

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常见的金属碳化物,如TiC、WC、CrC应用得最多,通常硬度高于相应的氮化物,这是由于碳化物涂层有更明显的共价键所致。

01 TiC涂层

碳化钛为浅灰色,熔点为3160℃,密度为4.93g/cm3,室温下电阻率180-250μΩ·cm,可用作导体。热导率17.2W/(m·K),线膨胀系数为7.8×10-6K-1。TiC显微硬度约为28Gpa,弹性模量为470Gpa。具有很高的化学稳定性,几乎和盐酸、硫酸不反应,但溶解于氧化性溶液中,如王水、硝酸及氢氟酸等,也溶于碱性氧化物。

碳化钛应用基本和氮化钛类似。高碳含量呈黑色,常用于各种装饰涂层。

碳化钛涂层基本为“合金化”,如TiCN、TiAlCN等。富碳可以构成非晶DLC。

02 W-C涂层

WC为灰色黑色,熔点为2870±50℃,密度为15.63g/cm3,室温下电阻率19.2μΩ·cm,热导率29.3W/(m·K),线膨胀系数为3.84×10-6/℃(20-1000℃)。显微硬度约为23Gpa,弹性模量为720Gpa。室温下不被硝酸、氢氟酸侵蚀,但溶于王水,室温下与氟反应发光,在空气中加热会被氧化。WC脱碳后变成W2C为灰绿色粉末或黑色晶体。在500℃,被氧化,并完全被氧化。在空气中容易燃烧。

WC熔点高,硬度大,摩擦系数低,耐磨,成为硬质合金的主要成分。由于环保因素,碳化物被认为是电镀的替代品;另外,WC具有催化作用,期望利用其价格低廉优势,替代金属鉑族催化剂。WC也可以用于Cu扩散阻隔层,用于电子器材。

用PVD和CVD技术制备WC于氮化物涂层类似。对于耐磨涂层的WC,常用的方式是热喷涂,如WC-Co涂层。

03 Cr-C涂层

Cr3C2为金属灰色,在金属碳化物中抗氧化能力最强,在空气中1100-1400才开始显著氧化。在高温下依然保持相当高的硬度。熔点为1810℃,密度为6.68g/cm3,电导率为铜的2.5%,显微硬度约为21Gpa,弹性模量为400Gpa。具有很强的耐蚀性和耐磨性,在稀硫酸溶液中是1Cr8Ni9Ti不锈钢耐蚀性的30倍,而在蒸汽中则是WC-Co合金的50倍。由于有很高的硬度和极好的表面光洁度,特别适合制作精密的标准块规。

纯碳化铬涂层主要由PVD、CVD制备,耐磨和防护用较厚涂层,通常组合Ni-Co金属韧性,使用热喷涂制备。

相比WC-12%Co喷涂,Cr3C2-25%NiCr喷涂硬度和耐磨性稍差(605HK、696HK),但耐氧化能力较高,一直持续到850℃。而WC-Co超过500℃就出现非常严重的氧化。

  • Cr3C2-NiCr涂层与Cr3C2涂层对磨,Cr3C2-NiCr表现为强烈的黏着磨损,而Cr3C2表面粗糙表现为疲劳剥落和微观切削。
  • Cr3C2-NiCr涂层与表处理的钢在常温下,涂层表面形成钢的转移层并保护了磨损面,从而提高了涂层的耐磨性,涂层的磨损取决于转一层的疲劳脱落。
  • Cr3C2-NiCr涂层对灰铸铁在常温下的滑动摩擦磨损,涂层硬度越高,其耐磨性越好。

Cr3C2-NiCr与4种陶瓷材料的磨损量:Al2O3>Si3N4>SiC>TiO2。

  • Cr3C2-NiCr于Al2O3不相容,磨损量大
  • Si3N4脆性大,热导率小,摩擦热引起的表面闪烁稳定高,导致涂层强烈的脱碳氧化磨损
  • SiC接触应力和闪烁稳定都较低,主要为犁削磨损
  • 和TiO2熔点较接近,摩擦过程容易黏着,由于TiO2强度低,容易形成转移层;TiO2弹性模量小,容易通过变形吸收摩擦力,从而减轻磨损