近年我国新材料新技术在防磨抗蚀领域的应用
宋丽丽，宋希剑
新材料产业 N O .2；2009
磨损和腐蚀是工程材料功能失效的主要形式，由于磨损和腐蚀，使大量得之不易的有用材料变成废料，给自然环境带来了巨大的压力。除了材料、能源的消耗和设备的失效等直接损失外，磨损和腐蚀还可能进一步引起物料的污染和产品质量的下降、工艺流程的中断、停机停产、装置的泄漏、爆炸和人员伤亡以及大规模的环境污染等间接损失，由此造成巨大的资源、能源浪费和经济损失。
一、抗磨耐蚀技术正处于良好的应用与发展时期
1.应用的必要性
由于金属及其合金至今仍然是最重要的结构材料，所以磨损和腐蚀通常还是指金属的损坏[1]。据统计[2]，世界钢材的10%因腐蚀而损失，机电产品失效原因的70%属于腐蚀和磨损，机电产品制造和使用中约1/3的能源直接消耗于摩擦磨损。2003年中国工程院发布腐蚀调查报告[3]：2002年我国因腐蚀造成损失近5000亿元，占当年G DP的6%。2007年中国工程院发布摩擦学调查报告[4]：2006年全国因摩擦磨损造成的损失高达9500亿元，占当年G DP的4.5%。从这些数字可以看出，磨损和腐蚀带来的损失是惊人的。
因此，大力发展防磨抗蚀产业，推广新材料、新技术的应用，对我国实施节能减排、建设“资源节约型、环境友好型”社会具有极其重要的意义。
2.防磨抗蚀符合国家战略发展方向
随着经济的发展，所有人都能感觉到中国能源供应的紧张，也越来越清醒地认识到，“地大物博”的日子对中国的经济来说只是美好的回忆，今天的中国只能走节约型的可持续发展之路。节能降耗是国家战略大计，而防磨抗蚀又是降耗的重要内容。
国家发改委、科技部制定的《中国节能技术政策大纲》在工业节能方面发展的工业节能技术包括“研发减磨与润滑技术、新型密封技术、防腐蚀技术、清洗与除锈除垢技术、催化助燃等高新技术。”
1999年、2001年、2004年国家发布的《当前优势发展的高技术产业化重点领域指南》中，将防磨抗蚀材料列为新材料领域内的一个组成部分，为重点扶持对象，通过一系列的政策促进高技术产业化，培育该新兴产业；2000年实施的《国家计委关于组织实施新材料高技术产业化专项的公告》中，明确了发展新材料对国民经济有重要支撑作用；“十五”规划确定有选择地加快信息技术、生物工程和新材料等三个高新技术产业，新材料被列为最重要的发展领域之一；在2007年度国家发改委、科技部、商务部颁发的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》中，又把新材料中的环保型防腐涂料、环保型高性能工业涂料、先进高能束表面改性技术、复合表面技术等列为优先发展的高技术产业化重点领域。
2005年初，根据中国工程院院长徐匡迪院士的倡议，《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》被列为中国工程院咨询项目。
2005年6、7月间，国务院颁发的国发[2005]21号文件《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》和国发[2005]22号《国务院关于加快发展循环经济若干意见》中指出：国家将把“绿色再制造技术”列为“国务院有关部门和地方各级人民政府要加大经费支持力度”的关键、共性项目之一。
3.绿色再制造
国际上提出充分利用资源，减少环境污染为目标的“绿色制造”新概念。在我国，工程院徐滨士院士在表面工程技术业界最先提出并大力倡导以修复重装为主要生产体系的绿色再制造理念，率先在我国建立了修复重装为主的汽车发动机“绿色再制造”生产线，是“绿色再制造”工业的成功应用典范。目前，一个以节约资源、降低能耗、走节约型发展道路、实行可持续发展理论的经济增长模式，已成为当今全球经济发展的目标。
二、防磨抗蚀新材料新技术的迅猛发展
早期国内使用防磨抗蚀材料例如油漆、热处理表面硬化的金属材料、各类合金材料、传统的耐磨型材等，为国民经济的发展做出了一定的贡献，目前也在前进发展中。随着时代的发展，对防磨抗蚀材料提出了更高的要求，市场需要就是发展的动力[5]。就钢产量来看，我国每年钢产量远高于美国等西方发达国家的年钢产量，一方面是由于我国仍属于发展中国家，经济建设增长速度快，对钢需求量大；但另一方面也是因为防磨抗蚀技术落后，造成钢材损耗过大，所以防磨抗蚀技术在我国的改进和推广有着较大的市场潜力。
众所周知，装备及其零部件的损坏大部分发生在“表面”：磨损在表面发生，腐蚀从表面开始，疲劳损伤由表面延伸。人们将目光投向表面工程，对材料进行表面加工，制备出优于本体材料性能的表面工作层，赋予零件防腐蚀、耐磨损的性能，从而达到防磨抗蚀的目的[6]，相继出现了热喷涂、堆焊、激光熔覆、不定形耐磨抗蚀材料、陶瓷、涂料等技术在防磨抗蚀领域的应用，并取得显著成效。
1.热喷涂技术
热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一，是表面工程行业的一项重要技术[7]，是通过某种热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，然后喷射到被涂敷的基体表面，形成一层性能优于原基体材料的涂层，从而使工件具有更加优异的表面性能，或者使工件获得具有一种或几种原基体材料所不具备之表面性能的膜状组织[7-9]。
随着热喷涂技术的应用愈益广泛，热喷涂工艺也在不断改进，经历了电弧/火焰喷涂→超音速电弧喷涂/粉末火焰喷涂→等离子喷涂/爆炸喷涂→真空或低压等离子电弧喷涂→计算机、机器人、超音速火焰喷涂的发展历程[8]。其中，火焰喷涂和电弧喷涂由于其设备便于携带，可在现场施工，成为国内防磨抗蚀行业的主要应用技术之一，特别是电弧喷涂在电力行业锅炉“四管”磨损及热腐蚀防护的应用已相当成熟，具有代表性的企业是设有博士后工作站的江西恒大高新技术股份有限公司，该公司在热喷涂技术应用中进行了许多独创性的技术改进，如超音速火焰喷涂在线80m高度的远距离作业等技术。来源于全国热喷涂协作组办公室的《我国热喷涂技术近期应用概括及发展趋势》资料显示国外热喷涂工艺主要以等离子喷涂工艺和超音速火焰喷涂工艺为主，而我国目前主要以电弧喷涂工艺和火焰喷涂工艺为主，可见我国的热喷涂在应用水平上与国外还存在一定差距。
随着热喷涂技术的发展，用于防磨抗蚀的新型热喷涂材料也在不断更新。最初热喷涂技术单纯采用火焰作为热源，由于焰流的温度低，只能喷涂一些低熔点的金属及合金，涂层质量差；各种热源技术的使用促进了各类新型喷涂材料的发展，如粉芯丝材、合金粉末、陶瓷棒、复合材料等，另外通过对丝材粉芯组成配方的调整，陆续出现了高强度、高结合强度、高温抗蚀等系列产品[10-11]。有众多的喷涂材料可供选择，成为热喷涂技术的优势，它可以使不同设备的工作面“点铁成金，戴盔穿甲”，制备出所需的各种各样性能的表面。
2.堆焊及耐磨板技术
堆焊[12]是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，使母材具有防磨抗蚀的性能，堆焊层与母材冶金结合，结合强度高不易剥落。堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，使零件恢复原有形状尺寸，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会以协调和促进堆焊技术的发展。
在我国，堆焊技术起源于20世纪50年代末[12]，发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸；60年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业；90年代堆焊技术从技艺走向科学，并得到广泛的应用。在我国堆焊技术近50年的发展历程中，专家围绕提高堆焊质量和效率开展了大量工作，相继出现了电弧堆焊、电渣堆焊、M IG 堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束粉末堆焊等堆焊方法；相继开发了耐磨的硬质合金复合 堆 焊 材 料 、耐 冷 热 疲 劳 的CrN iW M oN b、镍马氏体时效钢、低合金钢、热作模具钢、弥散硬化钢、马氏体不锈钢等堆焊材料；堆焊材料的使用形式已从发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式。在堆焊技术的基础上，人们自20世纪60年代开始研制耐磨复合钢板[13]，耐磨衬板经历了高锰钢、合金钢和高铬合金铸铁衬板的三个应用发展阶段，但从其韧性、耐磨性、成本价格等元素综合考虑，总不尽人意。基于堆焊技术的耐磨复合钢板是在韧性好、价格低廉的普碳钢板上堆焊一层一定厚度的合金层，通过设计合金层的成分，可以获得防磨抗蚀功能。由于有韧性的普碳钢作基材，使得复合层可以实现用其他方法难以达到的高合金耐磨层，从而使耐磨复合钢板达到铸造耐磨材料所无法达到的极高耐磨性；而且母材普碳钢成本低，可以实现自由地拼接、弯曲、焊接等，使应用范围变得非常广泛[14-17]。
3.激光熔覆技术
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，在零部件表面不变形的情况下，可以显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等性能。
目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，以镍基材料应用最多。按熔覆材料的供给方式，激光熔覆大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
4.耐磨陶瓷技术[13]
近些年来，耐磨陶瓷在工业防磨抗蚀中的应用也得到了用户的认可。耐磨陶瓷具有熔点高、硬度高、抗压强度高、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长、便于安装及适用各种异型设备等特点，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境。按化学组成可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷等，其中氧化物陶瓷由于资源丰富、制造成本低、性能优异被广泛应用；按应用可分为陶瓷片、陶瓷轴及陶瓷砖等；陶瓷粘结技术是将陶瓷成品用粘结剂粘结在需防磨耐腐蚀的部位或采用螺栓牢固联接，按装配方式可分为直接粘结、套接、压焊粘接及橡胶粘结。该技术在电厂输料、输灰管道系统有广泛应用。
5.抗蚀耐磨涂料技术
在多年来人们采取的防腐措施中，仍以防腐涂料最为有效、最经济、应用最普遍[18-20]。防腐涂料通过隔离屏蔽、钝化缓蚀及电化学保护作用达到保护基体的作用。改革开放以来，我国防腐涂料发展很快，在传统统防腐涂料的基础上开发了许多性能优良的新型防腐涂料，如高含固涂料、长效重防腐涂料、鳞片防腐涂料、粉末涂料、无溶剂涂料、水性涂料、含氟涂料等；还有一些专用防腐涂料，如换热器涂料、抗静电涂料、高弹性涂料、抗裂涂料、无毒涂料等；传统防腐涂料按品种来分包括：环氧树脂型、聚氨酯型、煤焦沥青、氯化聚烯烃型、酚醛树脂型、干性植物油、醇酸树脂漆、丙烯酸树脂漆、生漆等防腐涂料；近年还出现新的一些品种，如聚苯胺、聚脲、聚硅氧烷、氟碳及环保型纳米复合铁钛粉等防腐涂料。目前我国防腐涂料研究以长寿命、多功能、低表面处理及高固体分涂料为重点。
另有耐磨陶瓷涂料[13]，在使用温度高，工件形状复杂异形件等不宜采用耐磨陶瓷贴片的情况下，可选用由骨料和粘结剂组成的耐磨陶瓷涂料，在常温下可快速固化，高温下可形成坚硬的金属陶瓷体，具有高温耐磨性好、导热系数大、抗腐蚀性强、应用面宽及使用方便等特点。
6.不定形抗蚀耐磨材料技术
不定形抗蚀耐磨材料由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成，不经成型和烧成而直接供使用，原料材质种类有刚玉、碳化硅及氮化硼等。它们无固定的外形，可制成浆状、泥膏状和松散状，用这类材料可现场施工构成无接缝的整体构筑物，在常温下以化学固化，加温下形成坚硬的陶瓷体，具有耐高温、耐强冲刷、不易脱落、不发生裂纹、并可耐各种介质腐蚀等特点，广泛使用于锅炉内衬、烧结机大烟道、循环流化床卫燃带、旋风分离器、石油化工裂解炉等部位。
7.其它技术
防磨抗蚀技术多达几十类，除上述6类外，还包括有机高分子材料、电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积及离子束合成薄膜等技术，经过多年来不断地技术改新，现在也已基本满足各行业机械设备防磨抗蚀的需要，在实现经济和社会协调与可持续发展方面的作用日趋增强。
三、技术应用成效及前景预测
防磨抗蚀工业主要为电力、冶金、矿山、建材、航空、航天、钢铁、石化、机械、轻工、纺织、制造、能源、船舶等行业服务，而且应用的成效十分显著，节约潜力巨大。根据2002年完成的《中国腐蚀调查报告》，采取有效的防腐手段可减少腐蚀损失年均750～1750亿元[3]；中国工程院咨询项目《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》的调研结果表明，2006年若应用摩擦学的知识和研究成果至少可节约3270亿元，占2006年我国国内生产总值（G DP ）的1.55%[4]。我国应用防磨抗蚀技术减少的能耗与西方发达国家相比存在很大的差距，其中在美国，防磨抗蚀产业是与汽车、医药等产业同等的，说明我国的防磨抗蚀技术还未得到充分的应用，将具有广阔的发展前景。
党的十六届五中全会提出了2010年单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末下降20%的具体要求，使电力、冶金、矿山、化工以及建材等行业在保持持续健康、快速发展的同时，注重节能、降耗、安全稳定运行等几个方面，企业的设备防护意识大大提高，并逐步由事后修复转向事前防护。另外，目前金融危机的紧张形势，更是促进人们对节能降耗需求的提高，预计到2010年对工业设备进行防磨抗蚀防护的企业比率会从30%提升到50%。以电力行业为例，国家电网公司在“能源基地建设及电力中长期发展规划深化研究”的报告中详细叙述了我国未来数年电力的发展规划，其中指出到2010年末，我国发电装机总容量将达到8.52亿kW 。据此有专家预测，至2010年，仅热喷涂这项技术在电力系统的锅炉“四管”防护中年均产值近150亿元[21]，加上其它防磨抗蚀技术预测市场有几百亿，甚至上千亿元，所以防磨抗蚀是一个极富增长潜力的市场，相信这个产业在我国无论是在科研上还是在产业化上都会有一个较快发展。
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