（机械设计及理论专业论文）提高小间隙车钩耐磨性的工艺处理方法及其摩擦磨损特性研究.pdf

中文摘要 摘要 本文针对铁路运输中小间隙车钩在铁路提速和运输量增加以后车 钩磨耗加快，特别是当列车在西部地区运行时，车钩钩舌的s 面出现严 重磨损作为研究背景。根据铁路现实情况以及材料保护工艺的发展状 况，选择了调质处理、表面堆焊、等离子熔敷技术以及电沉积复合镀 层四种工艺处理方法作为研究对象，以期从中选择一种最优的工艺处 理方法作为解决目前车钩材料易磨损问题的办法。 在简单介绍了四种工艺处理方法的概念和原理之后，设计了如下 一个比较可行的实验方案来分析评价这四种工艺处理方法在提高小间 隙车钩材料( 指正火+ 回火处理后的c 级钢) 耐磨性上的优劣： ( 1 ) 以g c r l 5 作为公共摩擦副( 上试样) ，分别与c 级钢表面等离子熔 敷材料涂层试样、c 级钢表面堆焊涂层试样、c 级钢表面电沉积复合镀 层试样、正火加回火处理的c 级钢试样、调质处理的c 级钢试样对磨 考察对比上述工艺方法耐磨性能的优劣； ( 2 ) 以c 级钢正火加回火处理试样作为公共摩擦副( 上试样) ，分别与c 级钢表面等离子熔敷材料涂层试样、c 级钢表面手工堆焊涂层试样、c 级钢表面电沉积复合镀层试样、正火加回火处理的c 级钢试样、调质 处理的c 级钢试样对磨，考察c 级钢与上述工艺处理试样配对时的摩 擦磨损性能，作为先期试验数据，考察当配对的车钩副一方采用上述 工艺中的某种工艺，而另一方为原始c 级钢车钩时的摩擦磨损性能； ( 3 ) 以上述各种处理工艺本身配对构成摩擦副( 上、下试样) ，考察同 种处理工艺相互配对后的摩擦磨损性能，作为先期试验数据，考察当 配对的车钩副采用上述工艺中的某种工艺时的摩擦磨损性能； ( 4 ) 由于目前车辆维修厂家以及车辆段几乎全部采用堆焊的方式来维 北京交通大学硕士论文 修被磨损的车钩钩舌s 面，而且堆焊材料大部分使用普通焊接材料j 4 2 2 或者j 6 0 7 ，考虑到普通焊接材料的耐磨性不佳，因此本实验中堆焊材 料采用了耐磨性更好的焊接材料d 2 7 7 ，一方面来考察堆焊材料的不同 是否能够提高车钩钩舌s 面的耐磨性；另一方面也是为了考察堆焊方 法是否具有现实的优势。 最后配合电子天平、显微硬度计、扫描电镜和光学显微镜对各对 摩擦副的组分、摩擦表面形态和性能进行了分析，得出的结论是c 级 钢表面等离子熔敷复合材料涂层是效果最好的方法；c 级钢表面堆焊涂 层在耐磨性改善上虽不如等离子熔敷复合材料涂层，但它具有现实上 的优势；调质和电沉积复合镀层无论从效果上还是现实优势都不如前 两者。 关键词：小间隙车钩调质堆焊等离子熔敷电沉积摩擦磨 损 l l 英文摘要 a b s t r a c t t h es m a l lc l e a r a n c ec o u p l e r sw e a r q u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h e s p e e da n dt r a n s p o r t a t i o nv o l u m eo fv e h i c l e s e s p e c i a l l y w h e nv e h i c l e s r u ni nt h ew e s t e r nr e g i o n so fc h i n a ，t h es - p l a n e so fh o o kt o n g u e sw e a r s e r i o u s l y b a s e d o nt h i s f a c t ，a c c o r d i n gt o t h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to f r a i l w a ya n dm a t e r i a lp r o t e c t i o nt r e a t m e n t ，t h ep a p e rt r i e dt of i n dt h eb e s t s o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m b ys e l e c t i n gf o u rk i n d so f t r e a t m e n tm e t h o d s ，i e h a r d n e s s ， s u r f a c i n gl a y e r ，p l a s m ac l a d d i n g a n d c o m p o s i t e e l e c t r o d e p o s i t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h e c o n c e p t sa n dp r i n c i p l e s o ff o u rk i n d so f t r e a t m e n tm e t h o d s b r i e f l y ，af e a s i b l et e s ts c h e m ew a sd e s i g n e d t oe v a l u a t e t h ee f f e c to ff o u rm e t h o d si ni m p r o v i n gt h ew e a r a b i l i t yo fs m a l lc l e a r a n c e c o u p l e r w h i c hi sm a d ef r o mc g r a d e s t e e lw i t h n o r m a l i z i n g a n d t e m p e r i n g t r e a t m e n t t h es c h e m ei sa sf o l l o w s ： ( 1 ) g c r l 5 ，t h eu p p e rs a m p l e ，a c t i n ga st h ec o m m o nf r i c t i o nd r i v e ，r u b s w i t h c - g r a d e s t e e lw i t h p l a s m ac l a d d i n gl a y e r 、c g r a d e s t e e lw i t h s u r f a c i n gl a y e r 、c g r a d es t e e lw i t hc o m p o s i t ee l e c t r o - d e p o s i t i o nl a y e r 、 c g r a d es t e e lw i t hn o r m a l i z e i n ga n dt e m p e r i n gt r e a t m e n t 、c g r a d es t e e l w i t hh a r d n e s s r e s p e c t i v e l y a f t e r t h et e s t ，w e a r p r o p e r t i e s o fe a c h s a m p l ew e r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l yt os h o ww h i c hi st h eb e s tm e t h o dt o i m p r o v e t h ew e a r a b i l i t y ； ( 2 ) a st h ec o m m o nf r i c t i o nd r i v e ，n a m e l yt h eu p p e rs a m p l e ，c - g r a d e s t e e lw i t hn o r m a l i z i n ga n d t e m p e r i n gt r e a t m e n t ，r u b sw i t hc g r a d es t e e l w i t hp l a s m ac l a d d i n gl a y e r 、c - g r a d es t e e lw i t hs u r f a c i n gl a y e r 、c g r a d e i h 北京交通大学硕士论文 s t e e lw i t h c o m p o s i t ee l e c t r o - d e p o s i t i o nl a y e r 、c g r a d e s t e e lw i t h n o r m a l i z i n g a n dt e m p e r i n g t r e a t m e n t 、c g r a d e s t e e lw i t hh a r d n e s s r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so ft h ew e a rt e s t sw e r eu s e dt oe v a l u a t et h e t r i b o l o g i c a l a n dw e a rp r o p e r t i e so fc o u p l e r sm a d eo fc - g r a d es t e e l r u b b i n g w i t ht h ec o u p l e rt r e a t e d b yd i f f e r e n tm e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ； ( 3 ) s a m p l e st r e a t e db yf o u rm e t h o d sm e n t i o n e da b o v em a k eu po f f r i c t i o n d r i v e si t s e l f ，n a m e l yf o r mt h eu p p e ra n dn e t h e rs a m p l e sw i t ht h em a t e r i a l s t r e a t e db yt h es a m ec r a f t t h er e s u l t so ft h ew e a rt e s t sw e r eu s e dt o e v a l u a t et h e t r i b o l o g i c a l a n dw e a rp r o p e r t i e so fc o u p l e r st r e a t e d b y d i f f e r e n tm e t h o d sm e n t i o n e da b o v e r u b b i n g w i t ht h ec o u p l e rt r e a t e db yt h e s a m em e t h o d ； ( 4 ) c u r r e n t l y , s u r f a c i n gl a y e ri su s e dt om a i n t a i ns - p l a n eo fh o o kt o n g u e b ya l m o s t a l l r o l l i n g s t o c ks e r v i c ew o r k sa n dr o i l i n gs t o c ks e r v i c e d e p a r t m e n t s ，a n dt h eo r d i n a r yw i e l d i n gm a t e r i a l s ，j 4 2 2o rj 6 0 7 ，a r eo f t e n u s e da s s u r f a c i n gl a y e r c o n s i d e r i n gt h ep o o rw e a r a b i l i t yo f o r d i n a r y w i e l d i n gm a t e r i a l s ，d 2 7 7m a t e r i a lw h i c hh a v eb e t t e rw e a r a b i l i t y a r e u s e da ss u r f a c i n gl a y e rm a t e r i a l si nt h i st e s t o n eo ft h ep u r p o s eo f u s i n g d 2 7 7m a t e r i a li st oe v a l u a t et h ew e a r a b i l i t yo fs - - p l a n eo fh o o kt o n g u e c o a t e d b yd i f f e r e n ts u r f a c i n gl a y e rm a t e r i a l s ，t h e o t h e ri st oe v a l u a t e w h e t h e rt h es u r f a c i n gl a y e rt r e a t m e n th a sr e a l i s t i ca d v a n t a g e ； f i n a l l y , t h ec o m p o n e n ta n dt o p o g r a p h ya n dp r o p e r t i e s o fs k i n f r i c t i o no fe a c hf r i c t i o n p a i rw e r ea n a l y z e dw i t ht h ea i do fe l e c t r o n i c b a l a n c e ，m i c r o h a r d n e s st e s t e r ，s e ma n d0 m t h ec o n c l u s i o ni sd r a w n o u ta sf o l l o w s ： 英文摘要 1 ) p l a s m ac l a d d i n gi st h eb e s ts o l u t i o nt oi m p r o v e t h ew e a r a b i t y o f c o u p l e r ； 2 ) t h o u g ht h ew e a r a b i l i t y o fs u r f a c i n gl a y e ri sn o tb e t t e rt h a np l a s m a c l a d d i n g ，i th a sm o r ep r a c t i c a la d v a n t a g e ； 3 ) t h e e f f e c ta n d p r a c t i c a la d v a n t a g e o fh a r d n e s sa n d c o m p o s i t e e l e c t r o d e p o s i t i o n m e t h o di sw o r s et h a nt h ef o r m e rt w o k e yw o r d s ：s m a l lc l e a r a n c ec o u p l e r ，h a r d n e s s ，s u r f a c i n gl a y e r ， p l a s m ac l a d d i n g ，c o m p o s i t ee l e c t r o - d e p o s i t i o n ，t r i b o l o g i c a la n d w e a r v 第一章绪论 1 1 课题背景 在铁路运输中，列车车钩的磨损是个长期存在的问题。车钩之间 的连接是靠钩舌s 面之间的相互咬合实现的，车辆在运行过程中，由 于力的作用使钩舌s 面经受不断的冲撞以及连挂车钩之间的相对运 动常使得车钩s 面产生严重磨耗【l 】，尤其在铁路提速以后这个问题表 现得较为突出。经过对四方车辆厂以及北京车辆段、北京西车辆段、 兰州车辆段的调研发现在西北风沙地区运行的列车车钩的磨损比在 一般线路上运行的车辆的车钩磨损要严重得多，其中原因除了列车提 速以后钩舌s 面的磨损加剧之外，列车运行环境和运行线路也是两个 比较重要的因素，西北地区的风沙大而且气候变化剧烈，容易导致车 钩的磨损加剧，有证据表明列车提速以后车钩平均使用寿命仅为3 5 个月，这使得车钩的维修周期缩短，维修成本增加，因此各个车辆 制造厂家和车辆维修部门以及运用部门迫切希望能够找到一种好的 办法来解决车钩易磨损这个问题或延长车钩的使用周期f ”。 在我国车辆段通常采用的修复方法是在钩舌s 型曲面上堆焊一层 合金材料，使钩舌恢复原来的尺寸。但是随着列车的提速与运量的增 加。车钩磨耗加快，磨损后需要修复的钩舌数量一直在增多，造成列 车的维修量、维修费用亦迅速增加，因此，如何解决车钩磨耗加快问 题已成为当务之急f 3 l _ 【”。 对于车钩磨损加剧问题的解决通常有两类方法：一是通过改变车 钩的结构，优化设计减少机车与车辆之间、车辆与车辆之间的纵向冲 击作用；二是在不改变现有车钩的结构与材料的基础上，对车钩易磨 损部件或部位进行整体的或局部的处理，以增加车钩的耐磨性，满足 北京交通大学硕士论文 铁路上的使用要求。当前，根据我国铁路发展的现实情况，对车钩的 磨损部位进行表面强化处理是比较经济可行的方法，同时也符合当前 我国铁路面临的实际情况 对车钩进行表面处理，既要获得良好的表面耐磨性也要使表面 层与基体金属有足够的结合强度，同时又要保证车钩的安全可靠性 据此可选用的处理方法有：热处理、表面堆焊、等离子熔敷技术以及 电沉积复合镀层等。 各种处理方法对材料表面物理特性( 耐磨、耐蚀) 的改善、表面 处理层与基体结合的冶金特性和对基体组织性能影响是选择合适的 表面处理方法的重要依据之一，对改善车钩耐磨性和保证列车运行安 全具有重要的影响作用。 因此，开展本项课题研究具有重要的理论和实际意义。 1 2 我国铁路车钩的材料主要的热处理形式 我国铁路车钩所使用的材料主要有b 级钢、c 级钢、e 级钢，它 们的主要牌号及化学成分如表“3 。我国常用的普通b 级、c 级、e 级钢的常用热处理均为正火加回火处理。本课题研究的小间隙车钩材 料主要用c 级钢，其铸态组织为沿原奥氏体晶界分布的铁素体+ 晶内 细针状铁素体和珠光体，如图l l 所示，其抗拉强度很高，为8 1 7 n i p a ， 延伸率仅为2 2 ，低温冲击功为6 j 左右，经过正火和回火处理后机 械性能如表l 一2 、表1 3 所示。 在经过8 2 0 。c 9 7 0 c 正火+ 6 0 0 。c 6 5 04 c 回火后，c 级钢的延伸 率、断面收缩率、低温冲击功等综合机械性能有了大幅度的提高，其 显微组织如图卜2 所示，显微组织均为细小粒状铁素体+ 珠光体+ 黑色 网状( 或半网状) 组织。 2 绪论 表1 1 我国常用的普通b 级、c 级、e 级钢的化学成分 钢种 cs im npsc r 、n i 、 ( )( )( )( )( )m o ( ) b 级钢 0 2 20 2 00 5 0 ( z g 2 3 0 0 0 50 0 5 4 5 0 )o 3 20 4 5o 8 0 c 级钢 1 5 o _ 2 ( z g 2 5 m n c0 3 5 1 8 5 0 0 40 0 4 r m o n i ) e 级钢 0 2 ( q g e 1 )0 3 51 5 018 50 0 40 0 4 图1 - 1c 级钢铸态显微组织x 1 0 0 3 北京交通大学硕士论文 表1 - 2 正火温度对c 级钢机械性能的影响 正火温度抗拉强度屈服强度 延伸率 断面收缩 - 1 8 冲 圳】a射p a率 击功，j 8 2 08 6 01 22 41 1 8 7 08 6 01 01 8 1 1 9 2 09 1 091 19 9 7 08 9 081 71 1 1 0 5 08 9 581 28 1 1 5 08 4 084 28 表1 - 3 不同回火温度对c 级钢机械性能的影响 回火温 正火温抗拉强 屈服强 延伸率断面收 一1 8 c 冲 度度度m p a度m p a 缩率击功j 5 0 08 2 07 8 01 95 02 0 8 7 07 5 71 94 71 7 9 2 07 8 51 94 31 8 9 7 07 7 52 05 01 8 5 5 08 2 06 8 52 03 05 8 8 7 07 5 02 25 54 2 9 2 07 7 02 25 02 9 9 7 07 6 52 05 33 5 6 0 08 2 07 3 05 1 52 55 34 0 8 7 07 3 05 2 52 35 53 l 9 2 07 1 05 2 52 35 54 4 9 7 07 4 05 1 02 35 43 3 6 5 0 8 2 06 9 05 4 02 55 54 9 8 7 06 9 55 7 0 2 7 5 54 3 9 2 07 0 55 1 52 25 35 2 9 7 06 9 55 7 5 2 4 5 64 0 1 0 0 06 6 04 9 02 45 34 0 1 0 5 07 1 54 8 5 2 l 5 22 2 1 1 5 06 8 01 82 61 7 4 绪论 图l - 2 正火+ 6 0 0 匝l 火后的显徽组织x 6 0 0 1 3 目前国内外解决该问题的现状 对于列车车钩磨损加剧问题的解决方法通常有两类： 一是减少机车与车辆之间车辆与车辆之间的纵向冲击作用。根据 产生纵向冲击的主要原因，解决的方法主要有。1 ： ( 1 ) 提高列车的制动系统性能。因为列车在调速、停车时均需要有制动 系统来完成，但由于制动系统的不同以及制动工况的制动波速不同， 基础制动装置动作的不一致性以及闸瓦摩擦因数的不稳定性都会造 成列车中车辆产生相对速度，从而在列车运行过程中产生纵向冲击 力； ( 2 ) 提高钩缓系统中缓冲器的性能。缓冲器的主要功能是缓解列车在运 行时的纵向冲动。目前列车上使用的缓冲器( 例如g l 号缓冲器) 已 不能有效衰减列车的纵向冲击力，主要是因为缓冲器的额定容量偏小 ( g 1 号缓冲器只有1 4 k j ) ，吸收率偏小等原因； ( 3 ) 减小车钩连挂系统的纵向间隙大小。车钩连挂系统的纵向间隙的大 小是造成列车纵向冲动的条件因素，车钩纵向间隙的存在为车辆间产 生纵向冲动提供了结构条件，车钩间隙越大，纵向冲动越大，在使用中 北京交通大学硕士论文 列车两车钩连接后的纵向的自由间隙一般在3 0 m m 一6 0 m m 之间，最 大的可达7 0 m m 。减小现在使用的小间隙车钩的间隙或直接使用密接 式自动车钩是解决这个问题的一种比较好的方法。 二是对目前使用的车钩在不改变结构及材质的基础上，只是对车钩的 易磨损部件或部位进行整体的或局部表面的处理，以增加车钩的耐磨 性，延长车钩的使用周期。满足目前铁路上的要求。这类方法比较多， 包括调质处理、堆焊、熔覆以及电沉积等工艺处理方法。 欧美等铁路产业比较发达的国家由于使用的车钩类型和结构和 我国完全不一样，他们的列车大量使用了密集式车钩，而且即使出现 这样的问题也主要着眼于结构上来解决，所以在这方面的报道相对来 说比较少见。日本曾经碰n t 类似情况，在全检时其尖端部的磨损量 达7 m m 一1 0 m m 左右，作为解决这一磨耗的对策是对钩舌尖端部的拉 伸接触面实施淬火处理。结果表明：改良后的车钩的磨耗量是现用型 的l 6 ，可以使用l o 年以上【8 】1 1 ”。 国内在这方面所做的工作相对较少，公开的报道比较少见。在列 车提速以前，车钩也存在磨损问题，但是由于不够严重而且车钩使用 周期符合铁路规定的标准，因而没有得到足够的重视。只是在车钩磨 损过限以后，使用堆焊方法( 主要为手工电弧堆焊) 进行修复。但 在列车提速以后，车钩严重磨损的问题开始日益暴露出来，一些单位 内部都对此有相关报道并及时提出了一些解决方案，但大多以第一大 类方法为主且都没有具体研究工作的报道。 根据我国国情以及目前铁路发展的现实情况，完全使用新式结构 的车钩，譬如说用密集式车钩来完全代替目前的小间隙车钩是不现实 的，所以采用第二类方法来解决目前这个问题是比较经济可行的办 6 绪论 法。本课题从经济性、工艺性、安全性方面考虑，选择了四种工艺处 理方法进行研究：调质，堆焊，熔覆和电沉积，经过对不同工艺方法 的耐磨性研究和对比，最终选择种最合适的处理工艺作为解决目前 这个问题的方法。 北京交通大学硕士论文 第二章理论基础 2 1 几种表面处理工艺简介 表面处理技术的使用面很宽，涉及到不同的领域，因此讨论表面 技术的发展很难将各种技术一一详述。本文主要从工艺性、安全性、 经济性以及实际使用情况选择了四种表面处理方法：调质、堆焊、熔 敷和电沉积。这四种方法的概念和机理不尽相同，但共同的一点是都 可以提高金属基体的耐磨性，下面分别介绍各处理方法的概念和原 理。 2 1 1 调质h t j 2 1 1 1 调质的概念 钢进行淬火加高温回火处理， 要目的是使钢获得在强度、硬度、 学性能。 通常称为调质处理，简称调质。主 塑性和韧性上有良好配合的综合力 2 1 1 2 调质的工艺过程和主要组织结构 钢的淬火是将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行奥氏体 化，然后在水或油中快速冷却，使奥氏体冷却到m s 点( m s 点是奥氏 体开始向马氏体转变的温度) 以下发生马氏体转变的热处理工艺，钢淬 火组织主要是马氏体。淬火后的钢在5 0 0 6 5 0 温度下进行回火，回 火后的组织是回火索氏体，使得钢具有了良好的综合力学性能。 2 1 2 堆焊技术【1 7 h 2 2 】 2 1 2 1 堆焊的概念 堆焊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 理论基础 熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有 形状尺寸的工艺方法。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的 失效部位，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 2 1 2 2 堆焊技术在我国的发展概况 堆焊技术在我国起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发 展。发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，6 0 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，9 0 年代 受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技 术相结合的近净形技术( n e a r n e ts h a p e ) 引起了制造业的广泛关注， 这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。堆焊技术在我国历经近 5 0 年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且 成为先进制造技术的发展基础。 堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊 层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆 焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧 化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。 与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面 ( 如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等) 并不落后于工业发达国 家，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我 国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂 少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备 多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，因此，无论是堆焊材料 9 北京交通大学硕士论文 的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发 展和提高。 2 1 2 3 研究和应用堆焊技术时需关注的几个问题 2 1 2 3 1 稀释率 稀释率是指母材熔化后混入堆焊层，对于堆焊合金的冲淡程度。 稀释率就是堆焊层中母材量与焊层总量之比。其近似公式表示如下： f = 局( 户计届) * 1 0 0 = h 5 i ：1 0 0 式中：弘一稀释率； 瞄一母材量，g ； 乓堆焊焊层量，g ： 厅一工件熔深，m i l l ； 忙焊层总厚度，m m 。 稀释率是指堆焊金属被稀释的程度，用基材的熔化面积曰占整个 熔池面积的百分比来表示： 学r _ 剧( 附口) + 1 0 0 矿一未融化的基材面积 b 一基材融化的面积 堆焊层以及熔合区的成分和性能都受到稀释率的重要影响。 2 1 2 3 2 熔合区的成分、组织与性能 堆焊金属和基材热影响区之间存在一个熔合区，其化学成分介于 基材和堆焊层之间，性能也不同与基材。而且当工件在高温环境长期 工作或堆焊后热处理时，元素的迁移还会使熔合区的成份和性能发生 变化。熔合区的成分与性能通常通过选择堆焊材料和选择正确的堆焊 工艺来控制，必要时可在工作层堆焊前先在基材上堆焊隔离层。 1 0 理论基础 2 1 2 3 3 热循环的影响 堆焊层的化学成份除了受到基材稀释的影响外，由于堆焊往往是 多焊道或多层焊，后续焊道使先期的焊道反复多次加热。另外，由 于堆焊工艺的需要，有时还需对工件进行预热、层间保温或焊后缓冷 等措施，在这种复杂的热循环下，堆焊层和熔合区的成分组织以及内 应力变得很不均匀。 2 1 2 3 4 热应力 堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小和载荷应力的类 型( 剪切、拉伸或压缩应力) 。堆焊件的残余应力将加大或减少服役 载荷产生的应力，因而能够加大或减少堆焊层丌列的倾向。 2 1 2 4 手工电弧堆焊 手工电弧堆焊的特点是设备简单，工艺灵活，不受焊接位胃及工 件表面形状限制。它因此成为最常见的一种堆焊方法。其缺点是：生 产效率低、稀释率高、均匀性差、劳动条件差。 2 1 2 4 1 手工电弧堆焊的工艺 与通常的手工电焊相比，堆焊希望尽可能小的熔焊区( 但必须保 证基体表面熔化，否则得不到冶金结合) ，为此一般多采用小电流、 低电压、慢速焊，尽可能使稀释率与合金元素的烧损率降到最小限度。 手工堆焊采用一般的手工电焊机即可。如果堆焊一般结构钢工件，对 堆焊层性能要求不高，且采用酸性堆焊焊条时，必须选用弧焊变压器， 诸如b x l - - 3 3 0 等；当堆焊零件要求比较高，又要求采用碱性低氢型 焊条时，应选用弧焊整流器或直流弧焊发电机，诸如z x g l - - 3 0 0 ，a x l 5 0 0 等。 北京交通大学硬士论文 2 1 2 4 2 手工堆焊易出现的问题 堆焊层易开裂、堆焊层硬度偏低、基体件易变形。 2 。1 3 等离子熔敷技术阱【2 5 】 2 1 3 1 熔敷的概念 近几年国内外兴起的熔敷技术是建立在堆焊的基础上，目的是通 过合理选择工艺，在稀释率尽可能低的情况下，获得高性能的表面合 金层。一般的讲，熔敷就是将经过特殊处理( 例如：高温熔炼、球化 处理、机械研磨混合等) 的合金粉末用某种粘结剂( 水玻璃、松香油、 酚醛树脂等) 调和后，均匀地涂在基体表面上，在严格控制温度的情 况下加热烘干，然后用某种高温热源进行处理，使合金粉末熔化，最 终熔敷材料与基体形成一种冶金结合。由于它的诸多优点，目前已成 为金属材料表面处理技术研究的热点之一。根据加热方式的不同，熔 敷方法可分为氧一乙快焰熔覆、感应熔覆、氩弧熔覆、激光熔覆、等 离子熔覆等几种。 2 1 3 2 等离子弧熔覆现状与发展趋势 热等离子弧是2 0 世纪3 0 年代发展起来的一种新型热源，它的功率 可以大n 1 5 0 k w ，焰芯温度可高达3 0 0 0 0 。c 。最初是为了解决喷涂中难 熔金属粉末的熔化问题，经过几十年的发展，已经成为一项完善的技 术，广泛应用于工业生产领域。近3 0 年，热等离子弧作为种廉价的 高温热源逐渐受到重视。有报道称将热等离子弧应用于热处理领域， 阻其优越性而逐渐代替了激光热源。相比之下，等离子弧用于金属表 面熔敷的研究开展的很少，因此，进行这方面的研究将具有一定的开 创性。 理论基础 等离子弧的能量介于激光和电弧之间，它比普通电弧更稳定、易于控 制、热效率高，容易实现大规模自动化生产，但又不像激光发生器设 备价格昂贵，操作困难，需要特殊的防护。等离子弧的气源可以用氮 气，氮气是单原子气体，电离电压很低，使设备大为简化，氮气又是 惰性气体，熔敷中可以作为保护气，不必另加保护气体，这将使设备 进一步简化。熔敷中所用的合金粉，熔点大多都在1 0 0 0 * c 左右，影响 熔覆层组织形成的主要因素是温度和成份。由于普通发生器产生的等 离子弧的陷芯温度也在1 0 0 0 0 。c 以上，通过调整焰心距离试样的距离， 完全可以获得适用的温度，进而产生所需的涂层。天津大学曾报道获 得了类似激光熔敷的涂层，通过检测分析，组织组成与相组成大致与 激光熔敷的相当，强化机理也主要是形成化合物相和颗粒状组织的弥 散强化，但组织明显比激光熔敷的疏松，稀释率较大，缺陷较多，强 度和耐蚀性都比激光熔敷的差。由于等离子弧发生装置电流在较大范 围内可调，输入能量也可进行调整，因此进行深入研究，应能获得高 性能的涂层。 2 1 3 3 等离子弧熔敷的原理 采用等离子体弧为热源，用氩气作为保护和电离气体，起弧方式 为高频高压起弧试样作为阳极，等离子体作为阴极利用高频高压 击穿阴、阳极之间的气体，形成等离子体态的氩等离子流，氩等离子 流经过机械压缩、电磁压缩和热压缩作用，弧柱温度可达1 0 4 k ，如此 高的温度，足以熔化一切难熔材料 在廉价的金属表面涂敷涂层，用高能等离子流加热涂敷粉末， 粉末因吸收大量的热能而快速熔化、分解、电离，并把部分热量传递 给基体，使基体表面薄层同时被加热到熔融状态熔化的涂层粉末与 北京交通大学硕士论文 基体形成共同的熔池，在金属表面张力、气体动力和等离子弧吹力的 共同作用下，于金属表面铺展开来，有关气体上浮；当等离子体移开 后，在基体和空气的双重作用下，快速凝固结晶，实现涂层与基体的 冶金结合。 2 1 4 复合电沉积 2 6 】 3 6 】 2 1 4 1 复合电沉积的概念 复合电沉积是在一般金属( 或合金) 电镀液中加入一种或数种不 溶性非金属固体颗粒( 一般颗粒直径小于1 0 0um ：或通过向溶液中加 入某种化学物质产生沉淀来得到固体颗粒) ，并经搅拌使颗粒充分悬 浮于镀液，使其与金属( 或合金) 共沉积而得到复合镀层的一种工艺。 由于加入的固体颗粒为陶瓷、有机物等，因此与不同金属基体结合后 可得到多种具有不同功能的复合镀层。同时复合电沉积技术具有成本 低廉、工艺简单等优点，因此受到越来越多研究者的关注和研究，并在 某些工业领域中得到应用。 2 1 4 2 电沉积国内外研究现状 自从1 9 4 9 年美国a s i m o s 获得第一个复合电镀专利，复合电镀工 艺已有很大发展，从单金属单颗粒复合电镀工艺，发展至u 现在为满足 特殊性能要求的合金、多种颗粒的复合电镀工艺，且工艺手段与方法 不断得到完善。1 9 6 6 年m e t z g e r 等开始试验复合化学镀，以化学镀的 镍一磷合金作为复合镀层的基质金属。1 9 8 3 年前苏联报道了制备以磷 化层为基质，以m o s z 为镶嵌微粒的复合镀层的消息。除在水溶液中沉 积复合镀层之外，还可在非水溶液中沉积复合镀层。另外，既可以用 挂镀法，也可以用滚镀法沉积复合镀层。 1 4 理论基础 我国于2 0 世纪7 0 年代开始研究复合电沉积技术，天津大学进行n i 一金 钢石复合镀层工艺的研究，哈尔滨工业大学开展了n i s i c 、 f e a 1 ：0 3 、f e s i c 等复合镀层的电镀工艺研究；武汉材料保护研究所 于7 0 年代末、8 0 年代初开展了n i 一氟化石墨和c u 一氟化石墨复合电镀工 艺的研究：天津大学开展了具有电接触功能复合镀电沉积工艺的研 究，如a u w c 、a u m o s ：、a g l a ：q 、a g 一 o s 2 等。昆明理工大学9 0 年 代初开展了多元复合电沉积工艺及技术的研究与开发工作，研制出了 几种多元复合镀层，如n i w p s i c 等复合材料镀层。 2 1 4 3 复合电沉积的机理 2 1 4 3 1 概述 关于复合电镀的机理研究，就目前来说还远远落后于工艺，这是 由于复合电镀影响因素众多繁杂，难于用简单的数学模型来描述复合 电镀中诸因素及其相互作用关系。如果说会属电沉积是涉及固液两相 交界面上物质基本粒子的运动和交换，那么可以说复合电镀层是多相 ( 液固相均为多相) 交界面的物质基本粒子与物质颗粒的复合运动与 交换。可想而知，复合电镀的诸多影响因素，再加上受实验手段的限 制及方法的不完善，给复合电镀机理研究带来许多困难。 f o s t e r 曾注意到添加剂对复合镀层形成的重要作用：s n a i t h 提 到了固体微粒表面电于电极表面上的各种作用力；国内郭鹤桐等人也 对共沉积机理做过研究；意大利n g u g li e l m i 提出了无机颗粒共沉积 的两步吸附理论来反映电极与溶液界面间电场的作用，并较成功地提 出了数学模型，将固相复合粒子浓度和液相悬浮粒子浓度及电极过电 位有机地联系起来，这一理论的正确性已被某些复合电镀体系所验 证，但也有许多体系不符合两步吸附理论或有较大的偏差。 北京交通大学硕士论文 2 1 4 4 复合电沉积过程中的几种机理 2 1 4 4 1 吸附理论 吸附机理认为颗粒与金属共沉积必须通过颗粒在阴极表面的范 德华力。、一旦颗粒吸附在阴极表面上，颗粒便被生长的金属埋入。 2 1 4 4 2 力学机理 力学机理认为颗粒携带的电荷在共沉积过程中意义不大，颗粒只 是通过简单的力学过程被裹覆。颗粒被运动的流体传递到阴极表面， 一旦接触阴极，便靠外力停留其上，在停留时间内，被生长金属俘获 根据搅拌之强弱，颗粒撞击电极表面的频率或高或低，搅拌强度不同， 停留时间亦不同。因此，认为共沉积过程依赖于流体动力因素和金属 沉积速率。 2 1 4 4 3 电化学机理 电化学机理认为电极与溶液界面间场强和微粒表面所带电荷是 复合电镀的关键因素，归纳起来有以下几点：( 1 ) 颗粒在镀液中的 电泳迁移速率是控制复合电沉积过程的关键；( 2 ) 颗粒穿越电极表 面的分散层的速率及与电极表面形成的静电吸附强度是控制该过程 的关键；( 3 ) 颗粒部分穿越电极表面的紧密层，吸附在颗粒表面的 水化金属离子阴极还原，使得颗粒表面直接与沉积金属接触，从而形 成颗粒一金属键，这一过程的速率被认为是颗粒共沉积的控制步骤。 2 2 摩擦学基本理论 2 2 1 摩擦学与摩擦磨损的概念m 【瑚 摩擦学是研究相互运动表面之间的作用及其有关理论和实践的 - j o 综合性科学技术。它是摩擦、磨损和润滑的统称，是一门既继承 6 理论基础 传统却又十分年轻的新兴学科。它研究的范围包括：固体表面形貌的 研究；摩擦及磨损机理和规律；各种润滑理论及其应用；有关摩擦、 磨损、润滑的试验方法和检测技术等方面内容。 两个相互接触的物体作相对运动时，在接触面之问必然产生妨碍 运动的阻力，该阻力称为摩擦力，而这种现象称为摩擦。它是各种机 械运动副相对运动时，在互相作用表面问产生的种不可避免的物理 现象。 运动副表面层材料不断损失的现象称磨损，它是摩擦的必然结 果。磨损将引起运动副零件尺寸及形状的变化，导致零件损坏或机器 失效。据估计磨损造成的损失是摩擦造成损失的1 2 倍，有数据表明 国民经济收入的1 2 是用于补偿磨损或类似磨损上。一般机器中磨损 失效的零部件大约占全部报废零部件的8 0 。因此，减少磨损，提高 零件材料的耐磨性能，会大大地提高机器的寿命和可靠性，同时在减 少维修时间和配件数量，节约原材料和能源等方面也有着重大意义。 2 2 2 摩擦系数概念及影响因素m 】 2 2 2 1 经典摩擦定律 ( 1 ) 摩擦力与载荷成正比 除了在重载荷瞎实际接触面积接近表观面积以为，第一定律是正 确的，一般形式为f = f w , 式中，为摩擦力；厂为摩擦系数；矿为正压 力，可以认为它是摩擦系数的定义； ( 2 ) 摩擦系数与表观接触面积无关 第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足的，但不适 用于弹性及粘弹性材料： ( 3 ) 静摩擦系数大于动摩擦系数 北京交通大学硕士论文 这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料是否具有静 摩擦系数还没有定论： 4 ) 摩擦系数与滑动速度无关 严格地说，第四定律不适用于任何材料，虽然对金属来说基本符 合这一规律，而对粘弹性显著的弹性体来说，摩擦系数显然与滑动速 度有关。 一 2 2 2 2 影响摩擦系数的因素 摩擦系数是摩擦副系统的综合特性，受到滑动过程中各中因素的 影响，如材料副配对性质、静止接触时问、法向载荷的大小荷加载速 度等。 ( 1 ) 载荷：当表面是塑性接触时，摩擦系数与载荷无关。一般情况下， 金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关 系使得摩擦系数随载荷的增加而降低： ( 2 ) 滑动速度与温度影响：当滑动速度不引起表面层性质发生变化时， 摩擦系数几乎与滑动速度无关。但一般情况下，滑动速度将引起表面 层发热、，变形、化学变化和磨损等，从而显著影响摩擦系数；温度 对摩擦系数影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明：随 温度升高，摩擦系数增加，而当表面温度很高使材料软化时，摩擦系 数将降低。 2 2 3 金属的磨损【3 7 h 4 0 】 2 2 3 1 磨损的分类 早期人们根据摩擦表面的作用将磨损分为以下三类： 1 机械类 理论基础 由摩擦过程中表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、 表面塑性变形、脆性剥落等。其中磨粒磨损是最普遍的机械磨损 形式。 2 分子一机械类 由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结 点剪切所产生的磨损，即粘着磨损。 3 腐蚀一机械类 这类磨损是由介质的化学作用引起的表面腐蚀，而摩擦中的 机械作用加速腐蚀过程。它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。 2 2 3 2 磨损的过程 磨损现象的三个过程依次为： 1 表面的相互