数理科学·工业技术等离子喷焊对铁基材料磨损的研究.doc

数理科学工业技术等离子喷焊对铁基材料磨损的研究 白雪松 （北华航天工业学院金属材料系，河北廊坊065000） 摘要：作为材料表面强化技术之一，等离子热源在材料表面喷焊技术是本论文的主要研究方向。在不同条件下使用等离子喷焊技术喷焊WF372铁基合金粉末，而后对各喷焊层进行硬度特性和显微组织等分析，通过对离子喷焊的工艺参数的调整，分析工艺参数对喷焊层性能的影响。 关键词：q235钢；铁基合金粉末；喷焊层；耐磨性 ：O59：A：16711580（xx）07015302 ：xx1228 作者简介：白雪松（1991），男，吉林白城人。北华航天工业学院金属材料系本科生，研究方向：金属材料学。 通过以往实验案例分析可知，合金粉末WF372等离子喷焊后可形成具有一定耐磨性的合金涂层。等离子喷焊层是由各种化合物硬质相和基体组成，形成含有化合物的等离子喷焊层，这些含有化合物的喷焊层具有更好的硬度和耐磨性。通过对以往案例进行分析得出工艺参数，喷焊电流保持在140A时，喷焊电压保持在14V时，得到最佳耐磨性，约提升耐磨性20倍以上。 一、等离子喷焊在国内外的发展及应用 20世纪40年代末期，我国的喷焊技术才开始起步。60年代中期，我国开始着手研发等离子喷涂设备和自熔性合金粉末制造技术。到了80年代，热喷涂技术有了革命性的进步。我国完成了对超音速火焰喷涂技术的自主研发，同时，热喷涂设备中电子计算机的应用使得热喷涂涂层向着更精密化、更细致化的方向发展。 国外专家对等离子弧热喷焊技术的研发起步较早，现已形成了颇具规模的集研发、生产为一体的综合基地。不同公司之间有着拥有自己独立知识产权的系列产品，并且通过多年的实际应用，不断地进行改进与完善。 二、实验材料设备及研究方法 （一）实验材料 1.实验基体材料 实验时基体材料选用Q235碳素结构钢，尺寸大小为5725.56mm，其主要化学成分见表1。 考虑到成本问题，本实验采用WF372铁基合金粉末进行研究。 2.实验设备 包括喷焊设备、金相试样抛光机、金相显微镜、洛氏硬度计、显微硬度计、磨损试验机。 （二）等离子喷焊工艺实验 1.合金粉末准备 每次实验前，需要对合金粉末进行烘干处理。烘干处理主要是使水分蒸发，为后续喷焊试验质量提供保证。 2.喷焊试件准备 温度、湿度、散热速度等焊接环境对焊接质量都有着较大的影响。试验选取了Q235钢材作为基材，其规格为57mm25.5mm8mm。在进行等离子弧粉末喷焊处理前，使用机械打磨法去除工件表面在轧制、切削等工艺过程中产生的油污，清理表面的铁锈、表面氧化物等污物，并且使用丙酮进行清洗以获得洁净表面。 本实验选取对喷焊层影响相对较大的变量作为焊接参数来分析焊接参数对喷焊层质量以及性能的影响。 实验时的焊接参数等离子气体流量为200L/h，保护气体流量为200L/h，送粉气体流量为200L/h，喷距为1015mm，电弧电压电流对应为12V110A、14V120A、16V130A、18V140A、20V150A。 三、喷焊层基本性能分析 （一）磨损失重量分析 对WF372合金粉末在不同喷焊电流或喷焊电压下喷焊件的磨损试样进行磨损后，比较其失重量可以定性地得出喷焊层耐磨性的优劣。结论如下： 1.等离子喷焊可以提高Q235基体钢10倍以上的耐磨料磨损的耐磨性。 2.喷焊后，在喷焊电流不变时，随着喷焊电压的增大，耐磨性先升高，再降低。这主要是由于固定电流在140A时，电压在14V时所产生的送粉数度使得熔合比较好。 3.喷焊后，在喷焊电压不变时，随着喷焊电流的增大，耐磨性先升高再降低。这主要是由于固定电压在16V时，电流在140V时使得熔合比较好。 4.粉末在不同参数下喷焊层耐磨性相差不是很大，但喷焊电流数值对喷焊层耐磨性的影响较大。 （二）喷焊层的宏观硬度 冶金结合是涂层材料与基材在界面形成“晶内结合”，喷焊技术是使喷焊材料在基体表面重新熔化以实现焊层与基体之间、焊层内颗粒之间的冶金结合。然后，消除孔隙，使其形成致密组织，让冶金形成缺陷较少，与基体结合强度高。 1.焊接电流140A一定，改变焊接电压，材料力学性能受到的影响 焊接电流稳定在140A时，洛氏硬度的趋势随着焊接电压而变化。由此得出，保持电流不变，随着前期喷焊电压、送粉量的不断增加，喷焊层变厚，熔合比增加，材料稀释度降低，喷焊层合金含量逐渐增高，硬质相不断增大到最大值。而当喷焊电压继续增加时，由于此时焊接电流值不变，焊接电源输出的功率不能完全融化合金粉末，未融化的合金粉末在喷焊层上会造成夹杂、气孔等缺陷，使得喷焊层组织性能被破坏，硬度随之下降。 2.送粉速度保持不变，通过改变焊接电流，材料力学性能受到的影响 当焊接电压为16V不变时，随着焊接电流的增加，洛氏硬度值呈上升趋势，但当焊接电流达到一定数值时，洛氏硬度值又出现下降趋势。由此初步推断：焊接电压恒定，当焊接初期，强力的等离子术使粉末融化达到预期设想，从而产生良好的硬质相，出现缺陷较少，从而导致喷焊层硬度增加且呈上升趋势；但当焊接电流继续增加时，基体材料融化量增加，从而稀释合金粉末，致使喷焊层的合金含量降低，合金粉末产生的硬质相变少，导致喷焊层的宏观洛氏硬度值减小；焊接电流的提高会导致双弧现象的发生，主弧的电流和功率都会受到影响，不稳定的主弧使焊接时保护气的保护效果减弱，致使喷焊层出现缺陷，导致组织性能降低，硬度下降，趋势自然下降。 四、结论 本实验是等离子喷焊实验，实验使用等离子弧喷焊设备对铁基进行自溶性合金粉末喷焊（Q235钢为基材）以获取喷焊层。实验结束后分析喷焊层的组织与性能，主要结论如下： （一）实验最优喷焊工艺参数是当焊接电流保持140A时，喷焊电压保持14V时。 （二）实验获得结论：当喷焊电流一定时，喷焊层硬度随喷焊电压增加而增加，等到喷焊电压达到一定数值时，喷焊层的硬度开始下降；当喷焊电压一定时，喷焊层硬度也随喷焊电流的增加而增加，直到当喷焊电流增加到一定数值时，喷焊层的硬度才开始下降。 （三）实验得到结论：当喷焊电流一定时，增加喷焊电压，磨损量减少，但当喷焊电压达到一定数值时，磨损量开始增加；当喷焊电压一定时，提高喷焊电流，则磨损量减少。同样，当喷焊电流增加到一定数值时，磨损量开始增加。 参考文献 1邓世均.迎接热喷涂工业的兴起J材料保护，2000（1）. 2宋强等离子喷焊耐磨涂层制备及性能分析J南京工业大学学报（自然科学版），xx（5） 3赵文轸.材料表面工程导论M.西安：西安交通大学出版社，1998. 4曾晓雁，吴懿平.表面工程学M.北京：机械工业出版社，xx. 5阎洪编著.金属表面处理新技术M.北京：冶金工业出版社，1996. 6陈文威等编著.金属表面喷焊技术及应用M.北京：人民交通出版社，19