溶胶凝胶法制备硫涂层工艺的实验研究
摘 要
溶胶凝胶法用于制备钢表面涂层可明显提高材料的耐腐蚀性、增加硬度和耐磨性。本文探讨了凝胶溶胶法制备硫涂层工艺的实验研究的可行性，讨论了涂层成分、涂覆方式及烧结工艺对涂层质量的影响。并且通过电子显微镜观察组织金相、测试涂层厚度以及硬度测试来推测涂层效果。实验表明FeS粉与Zn粉比为4:1，烧结温度在600℃为制备硫涂层的最佳工艺。
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关键字:溶胶凝胶耐磨性硫涂层涂层性能TheresearchonPreparationofsulfurcoatingprocessbySol-GelMethod
目 录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2不同工艺方法制备FeS涂层的研究 1
1.2.1低温电解渗流法 1
1.2.2物理气相沉积法（PVD） 2
1.2.3热喷涂法 3
1.3溶胶凝胶法的基本原理、发展及应用现状 4
1.3.1 溶胶凝胶法的基本原理 4
1.3.2溶胶-凝胶法的优缺点 5
1.3.3溶胶凝胶法的发展及应用现状 5
1.4涂层的现状及展望 6
1.4.1涂层的现状 6
1.4.2 FeS涂层的性能与应用 7
1.5开展溶胶凝胶法制备FeS涂层的可实施性 8
1.5.1选题的可实施性 8
1.5.2 FeS涂层对提高45号钢耐磨性的影响 8
1.5.3研究内容 9
2.实验部分 10
2.1 实验药品及仪器 10
2.2实验方案及步骤 10
2.2.1 实验基材的制备 10
2.2.2实验的表面预处理 11
2.2.3实验步骤 11
2.3实验结果的检测 12
2.3.1涂层厚度的测定 12
2.3.2显微维氏硬度的测定 13
2.3.3金相试样的制备与观察 14
3.结果与讨论 17
3.1 涂覆方式对FeS涂层的影响 17
3.2不同溶质比例对FeS涂层效果的影响 18
3.3干燥方式对FeS涂层的影响 20
3.4热处理对FeS涂层的影响 21
3.5 FeS涂层对提高45号钢硬度的影响 22
4.结论 24
参考文献 25
致谢 26
1.绪论
1.1 引言
由金属元素以及以金属元素为主组成的材料即为金属材料。高度发达的今天，人类社会的文明进步和金属有非常密切的关系。从古至今人类经历了石器、铜器、铁器时代，不同金属材料在不同的时代被广泛的应用，成为了时代的象征。现如今高度发达的经济科技社会完全离不开各种金属材料。但是，人们在使用过程中金属制品会被损坏，而且环境也成为破坏金属制品的重要因素[1]。
水跟空气与金属表面发生化学反应使得金属表面遭到破坏即为金属腐蚀。例如，在湿润的空气中，钢件表面会出现红褐色的铁锈，铜器表面会出现铜绿，钢铁在加热时会发生氧化现象等。腐蚀对零件的损坏比较大，会致使零件精度下降，表面变得凹凸不平，使用寿命明显缩短，严重的会报废。不管是对普通生活或者工业的发展来说，腐蚀都存在着惊人的危害。在工业化发达国家，每年因为腐蚀而造成的维修费或直接更换产品的费约占国民收入的5%。因此，金属的防腐处理具有重要的意义[2]。
金属材料的硬度指的是金属材料抵抗摩擦阻力、磨损、浸蚀或塑性变形的能力[3]。它是衡量金属材料软硬程度的指标，是材料性能的一个综合物理量。硬度是材料多方面性质中的一种，它与材料的化学性质、物理性质、金相组织结构特性和机械工艺性能有密切关系。在工程设计中，人们习惯用金属材料的高硬度，改善其耐磨性。相互接触的部件在受到负荷压力下产生相互作用是机械零件失效的基本原因。
为了延长零件的使用时间必须对金属材料的表面进行特殊处理。固体润滑涂层由于其特殊的层状结构，耐磨减摩性能，广泛应用于机械，冶金，航空航天和军事领域。
1.2不同工艺方法制备FeS涂层的研究
1.2.1低温电解渗流法
由FeS的二元相图可知，S在Fe中的溶解度非常小，所以渗硫层中的S只能以硫铁化合物的形式存在[4]，因此FeS自润滑涂层大多数都是采用渗硫的方法获取的。
欧美科学家发现了低温电解渗硫法即让钢的表面生成硫化物，可以在大多数的金属材料上使用，这个方法拥有无氢脆、低温、快速的优势，低温电解渗硫法被很多国家充分利用[4]。但是，他的一个最大缺点就是所用的大多盐浴成分都是有害物质[4]。即便是你在200℃以下操作，仍然会产生一些有害的液体或气体[5]。再加上渗硫后各个零部件的清洗也会溶解掉很多残盐，更加会产生大量的有害废水，这些对环境保护和人类健康都是极其不利的。熔盐不能被重复使用，一段时间后必须更换新的熔盐，但是废盐却成为了环境的恶魔，这是它的另一个缺点。另外，渗硫件非常容易遭到没有清洗掉的残盐的腐蚀和破坏，而且这种方法不适用于Cr含量大于12%的钢，更加不能用于处理非铁金属材料。
经过了20多年的研究和开发，离子渗硫技术现在已经应用于实际生产中，而且得到了良好的效果。利用和离子渗氮类似的装置，在阴极和阳极之间作用500～600伏的电压，反应气体为纯硫的蒸发态，可以制得4～12μｍ的渗硫层。低温电解渗硫这种方法具有硫化层稳定可靠，生产过程容易控制，不产生污染等一系列优点。这种方法虽然好却还是有一定的不足。
1.2.2物理气相沉积法（PVD）
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空环境下，采用物理方法，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或者部分电离成离子，然后通过低压气体（或等离子体
很久之前PVD就诞生了，随着时代科技的进步近期PVD发展非常快，全球都在研究这个新科技，为了保护环境PVD的发展必须以环保为基础[7]。20世纪末期这个技术被大多数高档金属制品所使用。
PVD的基本原理可分为三个工艺步骤[8]：
(1)将镀料气体化：镀料在高温下蒸发、异华或被溅射即为气化源。
(2)气化产生的粒子的移动：气化的镀料产生原子、分子或离子，这些粒子在运动过程中反生反应。
(3)基体上累计了镀料的原子、分子或者离子。
PVD工艺相对简单，环境污染，材料消耗少，形成均匀致密的薄膜，与基体的结合力强。这种高端科技在很多领域都有深度的利用。
随着高新技术和新兴产业的发展，技术有了许多新的先进的进步。如多弧离子镀和溅射技术是兼容的，矩形的长弧靶及溅射靶，非平衡磁控溅射靶，双靶技术，多弧沉积缠绕带泡沫涂层工艺，织物缠绕带涂层技术，涂装设备是用于计算机自动化，大尺度化工方向。
1.2.3热喷涂法
为了获得稳定的表面层，首先要对工件表面进行预处理，然后使用气热喷涂技术，把液体燃料或等离子弧作为加热源头，把喷材加热到一定状态，利用高速气体让其气体化，再喷射出去[5]。热喷涂法是材料表面强化与保护的重要技术，有很多其他表面技术没有的优势。比如：被喷材大小形状没有特殊要求、多种材料都可作为喷材以及基体、工作效率很高、可得到任意厚度涂层等等。而且它的发展前景比较好，成本又低，这样带来的经济效益比较好。采用热喷涂技术不仅能在钢件表面获得耐腐蚀、耐磨、润滑、耐热、抗氧化等各种较好的性能，而且喷涂还能用在许多材料的表面上。喷涂的技艺限制很少，涂层厚度在0.5-5mm之间。热喷涂对基体材料的组织和性能的影响微乎其微。热喷涂技术在加工过程中很大程度上保持了纳米粉末的结构，在热喷涂过程中，喂料的温升速度快，受热的时间非常短，粒子和基体冷表面发生猛烈碰撞之后，受到基体冷却作用的影响，原子的扩散和二相粒子的形成与生长同时受到了限制[8]。热喷涂技术是将纳米技术应用在实际工程上最简捷的办法，同时也是最具发展前途的方法。近20年来，由于热喷涂技术的实用价值越发明显，全球各地的热喷涂技术和设备发展较快，从最初的火焰喷涂发展到了现在的可以满足任何需求的热喷涂技术。热喷涂技术按其热源种类分为：超音速喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、高频喷涂、激光喷涂、等离子喷涂等[9]。
原文链接：http://www.jxszl.com/hxycl/jscl/6522.html
