（材料学专业论文）稀土、碳化物对铁基自熔性合金的喷焊层组织和性能的影响研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 港口、矿山机械的易磨损件的消耗量一直很大，造成了巨大的经济损失。本 文根据港口、矿山机械装载机抓斗在操作条件下对其性能的要求，采用粉末火焰 热喷焊工艺在普通低碳钢上喷焊优化的铁基合金粉末，制备了适合其特殊工况条 件下，耐磨性能较好的复合涂层，并对喷焊层的组织、耐磨和耐蚀性能进行了研 究。 采用固相团聚法成功地将稀土硅铁合金粉末( i 也s i f e ) 直接加入了合金粉末， 有效地防止了合金元素的偏析，保证了合金粉末的均匀分散性。采用火焰热喷焊 工艺制备了复合涂层，用磨粒磨损试验机进行磨损试验，研究了稀土、碳化物的 质量分数对涂层喷焊性和耐磨粒磨损性能的影响。利用x r d ，s e m 等测试手段， 系统地研究了稀土、碳化物对喷焊层组织结构和性能的影响。 研究结果表明，在稀土硅铁合金添加量为o 5 时，涂层的耐磨性能最好， 为纯铁基合金粉3 倍多；作为硬质相的碳化物添加量在3 0 时，耐磨性能较好。 碳化物含量过高，脆性增大，不利于耐磨性。 s e m 涂层组织观察表明，稀土硅铁不仅可以细化组织，还可以改变碳化物 的分布，使之成细小、不连续的均匀分布，能够在很大的程度上提高耐磨性，同 时还可以阻止不利元素在晶界的扩散，使夹杂物形态改变，提高涂层韧性。 采用全浸法，在不同介质条件下研究稀土加入量对涂层耐腐蚀性能的影响。 研究表明稀土的加入对于涂层在不同的介质中的耐蚀性能的影响是不同的，在中 性溶液中没有明显的作用，在稀的盐酸溶液中反而加速了腐蚀行为的发生，只有 在硝酸溶液中，可以显著提高喷焊层的耐蚀性能。 由于喷焊材料各组成之问的交互作用影响的存在，本文采用了有限制的混料 均匀实验方法对喷焊材料进行设计，对涂层的耐磨性能进行研究分析，从而获得 最优性能的粉末配方。最后，对稀土在喷焊层中的作用机理以及喷焊层的磨料磨 损机理进行了探讨。 关键词：热喷焊，磨粒磨损，均匀试验，复合涂层 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n ti np e r f o r m a n c ew h e nt h el o a d i n g m a c h i n ei si nt h ec o n d i t i o no fr u n n i n g ，t h ep o w d e rf l a m et h e r m a ls p r a y - w e l d i n g m e t h o dw a sa d o p t e da n dt h ec o m p o s i t ec o a t i n gw a sp r e p a r e dw h i c hi sa b l et oe n d u r e t h ea b r a s i o nw e l l i no r d e rt oa d dt h er ei n t ot h ea l l o yp o w d e r , s o l i di n t e g r a t i o nm e t h o dw a s a d o p t e d t h ec o m p o s i t ec o a t i n gw a sp r e p a r e db yf l a m e t h e r m a ls p r a y - w e l d i n gm e t h o d i tw a sa b r a d e do na b r a s i v ew e a rm a c h i n et os t u d yi t sa b r a s i v er e s i s t a n c ev o p e r t ya n d t os t u d yt h ee f f e c to f t h eq u a n t i t yf r a c t i o no f r e s i f ea n dc a r b i d eo nt h ea b r a s i v ew e a r p r o p e r t yo ft h ec o a t i n ga n dt h es p r a y - w e l d i n gq u a l i t y t h ei m m e r s e dm e t h o dw a s a d o p t e dt os t u d yt h ec o r r o s i o np e r f o r m a n c eo ft h ec o a t i n gi nt h ec o n d i t i o no fn e u t r a l a n df e e b l ea c i d u s i n gs e v e r a lt e c h n i q u e ss u c h 勰x r d 、s e m 、e d sa n dt e m t o d e t e r m i n ec o m p o s i t i o n , p h a s ea n dm o r p h o l o g yo f t h ec o a t i n g t h er e s u l t ss h o wt h a ti t sa b r a s i v er e s i s t a n c ep r o p e r t yi st h eb e s tw h e nt h ea m o u n t o f t h er e s i f ew a s0 5 w h i c hi sm o r et h a nt r e b l et h a to f t h ei r o na l l o y i t sa b r a s i v e r e s i s t a n c ep r o p e r t yi st h eb e s tw h e nt h ea m o u n to f t h ew c w 嬲3 0 w h e nt h ea m o u n t i st o ob i 啦t h eb r i t t l e n e s si n c r e a s e d ，w h i c hi sn o tb e n e f i tt ot h ea b r a s i v er e s i s t a n c e p r o p e r t y t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n gb ys e ms h o w st h a tt h er e s i f en o to n l yc a n m a k et h es p r a yl a y e rm i c r o s t r u c t u r ef i n ea n dh o m o g e n e o u s ，b u ta l s oc a l lc h a n g et h e d i s t r i b u t i o no fc a r b i d e ，a tt h es a n l et i m ec a np r e v e n tt h ed i f f u s i n go ft h e d i s a d v a n t a g e de l e m e mi nt h ec r y s t a lb o u n d a r y , m a k et h es h a p eo f t h ei m p u r i t yr o u n d t o u g h e rt h a nb a s e dm a r t i a la n dt h ew e a l r e s i s t a n c ew a se n h a n c e d i nt h i st h e s i s ，t h es p r a y - w e l d i n gm a t e r i a lc o m p o s i t i o n - w a sd e s i g n e db yt h e l i m i t e dm i x i n gu n i f o r m i t ye x p e r i m e n t a lm e t h o da n dt h ea b r a s i v er e s i s t a n c ep r o p e r t y w a sa n a l y s e d ，t h e ng a i n e dt h eb e s tp o w d e rw i t ht h em o s te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ， f i n a l l y , t h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h er e s i f ei nt h es p r a y - w e l d i n gc o a t i n ga n d a b r a s i v ew e a rm e c h a n i s mo f t h ec o a t i n gw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d ：t h e r m a ls p r a y - w e l d i n g ，a b r a s i v ew e a r , u n i f o r m i t ye x p e r i m e n t ， c o m p o s i t ec o a t i n g i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作赣完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向匿家有关部门或枧构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阏和借 阏。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫接等复制手段保存郡汇编本学位论文e 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：蚧抄 ) 、州年f 月“日 指撒师签影 一晦8 月f 【，e i x1 0 1 g 1 7 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘭形 耳期：刈y 年月 ，曰 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所导 致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失 占非常大的比重。我国对摩擦磨损造成的经济损失进行全面彻底的调查分析，指 出：此项损失至少占国民总产值的1 8 。在美国国家材料政策委员会向美国国 会提出一份报告中指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1 0 0 0 亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为2 0 0 亿美元【i 】。 众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式 的机件失效有许多是从表面开始，为了解决材料的磨损和腐蚀，需要采取表面防 护措施延缓和控制表面的破坏。在解决的同时，促进了表面工程科学与表面技术 的形成与发展。 表面工程技术是表面处理、表面涂( 镀) 层及表面改性的总称，表面工程技 术围绕腐蚀、摩擦和功能特性( 声、光、磁、电的转换等) 三大因素，成为2 0 世纪8 0 年代世界十项关键技术之一，将成为2 1 世纪主导技术之一f 2 j 。表面工程 技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、 组织结构或形成特殊覆层，使基材表面具有不同于基材的某种特殊性能，从而达 到特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的 重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工 程的新型工艺技术，包括表面改性技术、表面薄膜制备技术和表面涂层技术1 3 】。 1 2 表面工程技术， 1 2 1 表面工程技术的发展 表面技术的发展历史悠久，如中国古代的贴金或镏金技术、淬火技术、桐油 漆防腐技术等。表面工程概念的提出始于2 0 世纪8 0 年代，表面工程学科发展的 重要标志是1 9 8 3 年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1 9 8 5 年国际 刊物表面工程的发行。近代的摩擦学、界面力学与表面力学、材料失效与防 江苏大学硕士学位论文 护、金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科对多种表面技术的 发展及其基础理论的研究都做出了巨大的贡献。 近2 0 年来，表面工程技术的研究热潮，丰富和发展了各行各业新产品，新 技术，新设备，从而使表面工程技术也得到了极大的发展，形成一个比较完整的 现代化表面工程技术系统【4 】。目前常用的表面工程技术有：堆焊技术、熔结技术 ( 低真空熔结、激光熔覆等) 、电镀、电刷镀及化学镀技术、非金属镀技术、热 喷涂技术、塑料喷涂技术、粘涂技术，涂装技术、物理与化学气相沉积( 真空蒸 镀、离子溅射、离子镀等) 、摩擦化学膜、化学热处理，激光相变硬化、激光重 熔、激光非晶化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等。 表面工程技术的形成和发展，是与其在生产中的作用分不开的，表面工程的 作用可以概括为以下五个方面【5 1 。 首先，它是发展生产、提高产品质量和经济效益的需要。表面工程是针对零 件表面失效的形式、特征和机理，综合运用各种表面工程技术进行防护的工程， 其最大优势是能够以多种方法制备出性能优异的表面功能薄层，使零件整体具有 比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。它具备优质、高效、低耗等 先进制造技术最基本的特征，其研究和推广应用，将有力地推动我国先进制造技 术的发展。 第二，它为高新技术提供了特殊材料。在电子信息技术中，表面工程可为其 提供关键的薄膜材料及功能器件，如在大规模集成电路中以氧化硅为基的绝缘衬 底上生长s i 的薄膜技术，制作超大规模集成电路中最理想的功能材料是采用化 学气相沉积的金刚石薄膜，它具有极为优异的导热性、高介电性和半导体性能。 在超导研究方面，日本已开发了用激光制备高性能超导材料的技术，国外已采用 热喷涂技术制备超导涂层。 第三，它是设备技术改造和维修的有效手段。 第四，它是节约能源和资源的重要途径。材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧 化、辐射损伤等，一般都是从表面开始的，而它们带来的破坏和损失是十分惊人 的。 第五，表面工程技术还是装饰与美化人民生活的得力手段。 表面工程技术的推广应用非常适合我国国情，发展表面工程对于促进国民经 济的发展和推进国防现代化，对于贯彻可持续发展战略具有十分重要的意义。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 稀土表面工程研究现状 我国是稀土资源大国，占世界总储量的4 3 t 7 1 稀土应用范围十分广泛，被 当今世界科学家称为“二十一世纪的新材料宝库”，对我国国民经济的发展有着 举足轻重的作用。稀土元素占元素周期表中的一大部分，相当于周期表元素总数 的1 6 ，它包含镧系元素和钪( s c ) 、钇( y ) 。常用“r e ”表示由于稀土元素其 原子半径和离子半径远大于常见金属离子具有异常活泼的化学性质能与氢、氧、 氮以及许多非金属金属及其化合物作用生成高稳定化合物和金属间化合物，有氧 化还原性，吸收大量气体的能力等特殊性，在粉末冶金材料合金化和复合材料等 材料中均获得了许多成功的应用。此外，在表面处理层中加入稀土元素的研究和 应用也越来越引起人们的重视。表面处理的过程中加入稀土金属及其化合物对改 善材料的摩擦学性能有显著的效果尽管其内在机理的认识还有待深入阻1 0 l 。目前 稀土在表面工程中有以下几点应用： ( 1 ) 稀土化学热处理；稀土化学热处理，在我国开始于8 0 年代初，相比较 于其它表面工艺，是目前为止研究开展得最充分并在工业应用中取得了突出成绩 的表面处理工艺。稀土原子尽管比f c 原子大但仍可渗入合金表面并对渗碳、氮 化、渗硼和渗金属等化学热处理过程影响很大。陈军【l 等研究了微量稀土以及镁 对热浸镀铝件抗氧化性能的影响，结果表明，适量的r e 抑制了合金层中铁在高 温下的氧化和铝在氧化膜中的传质，降低氧化膜的生长速度，改善了氧化膜和合 金层，合金层和基体之间的黏附性以及氧化膜与合金层的塑性，可以有效地提高 镀件的高温氧化性。 ( 2 ) 热喷涂和喷焊；。加入稀土元素，利用热喷涂和喷焊技术制备的涂层具 有良好的组织性能，也可使表面层具有更高的硬度和耐磨性以及良好的抗氧化性 能陋1 4 1 。 ( 3 ) 物理气相沉积；物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大 小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，离子镀t i n 膜中加 入约4 的稀土，y 膜与基体的结合力达到最大。 ( 4 ) 激光表面处理；稀土一激光熔覆是用激光辐照金属表面的稀土涂层或 粉末，使之熔融，形成覆盖层。进行这种复合处理时，基材表面可以微熔，因此增加覆 盖层与基材的结合力，实现冶金结合。稀土在激光熔覆层中所起的主要作用为微 江苏大学硕士学位论文 合金化、净化晶界、细化晶粒、改善晶界状态、抑制柱状晶生长。通过稀土激 光熔覆复合处理可以大幅度提高金属材料表面的耐蚀性、硬度及耐磨性等 1 5 - 17 】 研究稀土元素对钢表面激光熔覆组织性能的影响是近年来研究的一个热点。含稀 土化合物的涂覆层可大幅度提高金属材料表面对激光辐照能量的吸收率对降低 能耗和生产成本以及推广激光表面处理技术都有重要意义。 稀土元素用于表面处理改善了基体表面结构，提高了表面耐磨性，能为表 面工程在各行业的广泛应用开辟了新的途径。可是在过去十多年中研究只侧重于 稀土在不同表面处理中的应用研究，而对稀土在其中的作用机理及存在状态则涉 足较少，当然有客观方面的原因。因为稀土元素加入合金粉末或渗入基体表面的 数量较少，导致进行表面金相分析时难于捕捉加上实验设备的限制造成了稀土在 表面处理的摩擦磨损机理研究仅停留在推测阶段。 1 3 热喷涂技术 熟喷涂技术是表面工程的重要组成，是表面工程发展应用的重要基础。热 喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，依靠热源的动力或外加的压缩气 流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射到基体表面形成涂 层的工艺方法钉。 热喷涂技术从发明到今天大约有8 0 年的历史。最初的热喷涂是将熔融的金 属由喷嘴高速喷出的空气或加热的气流雾化成微粒后再喷射到基材上的，当时仅 限于金属，故称为金属喷涂。此后，由于喷涂材料不限于金属，发展到陶瓷、塑 料等材料，所以在1 9 7 6 年的第八次国际会议上改名为热喷涂。 1 9 1 0 年左右，瑞士人s c h o o p 博士完成了最初的喷涂装置【1 9 】。该装置可以将 低熔点的金属熔液注入到高温的压缩空气流中，并喷射到已经过处理的基材表面 而形成涂层。这一发明是熔融金属喷涂的最基本的形式，具有重要的先例作用。 当时，因装置庞大、效率极低和涂层质量差，主要是涂层缺陷太多以及与基材的 结合强度太低，没有多大的实际应用的价值。在这个阶段，生产上应用的主要喷 涂热源是电弧和氧乙炔火焰，可以用于喷涂的材料仅有铝线和锌线，而且涂层的 主要作用不是防护功能而仅仅是起着装饰性的作用。 由于火焰和电弧线材喷涂设备与工艺的不断完善和进步，在3 0 年代和4 0 年 代期间，出现了火焰金属粉末喷涂。涂层的应用也终于跨出了单一的装饰性涂层， 4 江苏大学硕士学位论文 可以喷涂钢丝来恢复机械零件尺寸，用喷涂铝线和锌线作为钢结构上的防腐蚀涂 层。在这个期间有个重大的收获，就是发现了在光滑洁净的母材表面上喷涂钼丝 作为打底层，使热喷涂技术有了较大的改进啪3 。 5 0 年代，热喷涂技术有了一个重大的突破一自熔合金粉末的研制成功，从 而改变了涂层的多孔性结构，并实现了涂层与基材的冶金结合，极大地扩展了热 喷涂技术的应用领域。随后，为解决航天飞机的特殊工况条件，促进了陶瓷材料 喷涂的迅速发展。由于氧乙炔火焰的温度的限制，陶瓷材料的喷涂层质量不是很 好，因此，成功开发了爆炸喷涂和等离子弧喷涂 2 1 2 3 | 。 6 0 年代至7 0 年代，热喷涂达到了相当完善的地步，热喷涂材料已经从单一 材料过渡到多组元，出现了底层和工作涂层性能并存的一步法自粘结复合粉末， 提高了涂层与基体的界面结合强度，改善了涂层的质量。同时，低压等离子喷涂 的工业化，形成了一个新的领域，使等离子喷涂的工业应用由航空工业发展到造 船、汽车以及机械工业等【排硐。 8 0 年代以来，相继开发出超音速火焰喷涂、冷喷涂，超音速火焰喷涂 ( h v o f ) ，是自等离子喷涂之后热喷涂技术的又一重大进步。由于以超音速飞 行的颗粒撞击到基体表面时会更加平展，所以h v o f 喷涂涂层的结合强度、密 度和硬度都非常高。h v o f 一出现就倍受航空航天界的青睐 2 7 1 2 9 1 。冷喷涂是在 1 9 9 0 年提出的新概念，不仅拓展了热喷涂材料的应用，而且能够解决热喷涂存 在的惯有的缺陷，为热喷涂技术发展提供了更广阔的研究领域【3 0 - 3 ”。 热喷涂技术的发展与航空、航天等尖端技术的发展以及热喷涂自身的不断改 进、完善和新的热喷涂材料及喷涂方法的开发是分不开的。热喷涂技术不仅可以 在普通的母材上制备出各种耐磨、耐蚀、耐高温、隔热、抗氧化、导电、绝缘、 密封、润滑、防辐射以及其它特殊性能的涂层，而且在充分发挥材料性能上也有 独到之处。随着科学技术的进步，工业生产日益向高度自动化、高速化发展，各 种机械零件的服役条件越来越苛刻，而且要求零部件能长期稳定工作，在目前的 工业现代化中，世界普遍面i 陆蕾能源和资源的短缺，而磨损、腐蚀等却又是十分 惊人的消耗着大量的金属材料，热喷涂作为表面强化技术中的一个重要分支是解 决材料表面的防护和修复的经济的可行的手段。因此，热喷涂技术的应用正在向 一个更深更广的方向发展。 江苏大学硕士学位论文 1 4 粉末火焰喷焊 热喷焊中主要包括粉末火焰喷焊和等离子弧喷焊，喷焊在范畴上也属于热喷 涂，是在喷涂层的基础上j 加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火 焰喷焊与等离子弧喷焊两类。等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生 的，火焰喷焊通常是先形成涂层，然后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处 理。经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具 处理尤为适用。 由于等离子喷焊投资大，设备庞大，维修技术复杂，不利于工业应用的推广， 因此，一般尽力设法多采用粉末火焰喷焊。粉末火焰喷焊技术始于2 0 世纪5 0 年 代末期，是在火焰喷涂技术的基础上发展起来的一项表面涂覆技术。常用的粉末 火焰喷焊是以氧、乙炔作为热源，利用压缩空气将加热至熔化或半熔化的合金粉 末高速射向基体工件表面，并通过随后重熔获得致密的与基体冶金结合的各种金 属及合金涂层。多年来这项技术在提高金属表面耐磨、耐蚀以及抗高温性能等方 面发挥了巨大的作用，在国民经济中占有重要地位 3 2 3 4 1 1 4 1 粉末火焰喷涂的原理及特点 1 4 1 1 粉末火焰喷焊的原理 粉末火焰喷焊是以燃气为热源，把自熔性合金喷涂在预处理好的基材表面 上，在基材不熔化的情况下加热涂层，使涂层熔化并润湿基材表面，通过液态合 金与固态基材表面的相互溶解与扩散，实现冶金结合，并获得无气孑l 、无氧化物 的致密喷焊层。 粉末火焰喷焊无论是采用一步法还是采用二步法均由粉末火焰喷涂和涂层 火焰重熔两个过程组成。粉末火焰喷焊中，喷涂过程与通常的粉末火焰喷涂相同， 只是在喷涂过程中或在涂层形成后采用火焰对涂层直接加热，使涂层再次熔融， 并在金属基材表面发生重结晶。重熔时，将喷焊枪的火焰集中在工件喷焊部位的 端部，用中性焰或轻微碳化火焰进行局部加热，枪口距工件表面2 0 - 一3 0 m m ，夹 角为6 0 。 7 5 。，加热到出现“镜面反光”现象，这时的涂层发生熔融。自熔性 合金在熔融状态时有强烈的还原脱氧作用和良好的造渣、除气性能，致使重熔冷 却后的喷焊层消除了喷涂层中的气孔和氧化物造渣，且经过重结晶过程，使喷涂 层的非均质层状组织结构变成均匀的合金组织结构。在重熔过程中，当涂层充分 6 江苏大学硕士学住论文 熔化并完全润湿金属基材表面时，便发生了涂层合金与基材之间的互溶及扩散， 在涂层与基材间形成牢固的冶金结合，从而大幅度提高了结合强度。 1 4 1 - 2 喷焊特点 由喷焊原理可知，形成喷熔层的条件如下： ( 1 ) 将喷焊材料加热到一定温度( 熔融或半熔融态) ； ( 2 ) 将加热到一定状态的喷焊材料喷涂到工件表面( 喷涂) ，形成喷涂金属 涂层； ( 3 ) 加热金属涂层到一定温度( 重熔温度) ，令其熔化到工件表面形成喷熔 层； 因此，喷焊工艺特点：如果母材不熔化，则与喷涂工艺相似。但涂层经重熔 与基体是冶金结合，此点与喷涂不同，而与等离子弧堆焊相同。故可称火焰粉末 喷涂为“冷喷”、火焰粉末喷焊为“热喷”。喷熔的设备简单，操作亦容易。 1 4 2 喷焊材料 常用的喷焊粉末有镍基、钴基、铁基及含w c 型粉末四大类【3 5 1 。 ( 1 ) 镍基喷焊粉末 镍基喷焊粉末是当前应用最多的自熔合金粉末。镍基喷焊粉末有两个系列： 最早的自熔合金以镍基合金为基础。当镍和几种元素，如硼、硅、铬、铝和铜等 组成合金时，合金熔点降低到易被氧- - 7 , 炔火焰所熔化的范围。镍的熔点为1 4 5 3 ，加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温度在1 0 0 0 c 左右的固液相状态， 而且可在h r c 2 5 一h r c 6 5 之间调节硬度，并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能，镍硼 硅合金是在镍中加入适量的硼、硅元素形成的。其粉末颗粒呈球形，合金熔点 9 0 0 1 1 0 0 。 镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以及工作温度低于6 0 0 的零部件的防 护和修复。特别适用于硬度要求不高的玻璃模具、塑料、橡胶模具的防护和修复 以及铁、钢铸件缺陷的修补 镍铬硼硅合金粉末是在镍硼硅合金中加入碳、铬元素，便形成镍铬硼硅合金。 这类合金具有优良的自熔性，用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的球形。铬在合金 中溶解于镍，形成n i 、c r 固溶体而增加合金强度，并提高合金的抗氧化性和耐蚀 性。除此之外，铬还能生成硼化铬( c r 2 b 、c r b ) 和碳化铬( c r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 ) 等硬质化 7 江苏大学硕士学位论文 合物，与镍的硼化物i 3 b 、n i 2 b ) 和硅化物( 1 s i ) - - 起提高合金的硬度和耐磨性。 增加合金中碳、硼、硅等元素的含量，合金的硬度可以从h r c 2 5 提高到h r c 6 5 ， 但合金的韧性相应降低。 由于镍铬硼硅是以镍铬为基础的合金，故具有良好的耐蚀性，对大气、海水、 蒸汽、碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力，优于1 8 8 型不锈钢。镍铬 硼硅自熔合金综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工 件，各种低应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过7 0 0 c 的零件，以及铸 铁、钢件缺陷的补修。 ( 2 ) 钴基喷焊粉末 钴是昂贵的金属，钴基自熔合金是在s t e l l i t e 合金的基础上添加适量的b 、 s i 元素而创制的。钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐气蚀、耐氧化、 耐磨损等综合性能，其红硬性优于n i 基合金。由于价格昂贵，一般采用粉末利 用率高的等离子喷焊工艺，用在要求高稳硬度或耐气蚀磨损的场合，如过热蒸汽 阀门密封面，发动机进排气阀密封面，热作模具等。 ( 3 ) 铁基自熔性合金 大量在常温( 或中温) 下和弱酸介质中工作，要求有良好耐磨损性能的工件， 不必要都采用昂贵的镍基和钴基合金。因此，发展了一系列适应喷焊工艺要求的 铁基自熔性合金，取得了良好的应用效果。 铁基喷焊粉末有以下两种类型 不锈钢型铁基喷焊粉末 不锈钢型铁基自熔性合金是在不锈钢成分的基础上添加适量的b 、s i 元素而 研制的。通过调整c 、b 、s i 、n i 的含量来调整合金的硬度，并通过添加其它合 金元素来改善合金的性能。应用较普遍的是1 8 8 c r n i 型，典型的品种是w f 3 1 1 和w f 3 1 2 。1 8 8 不锈钢添加b 、s i 元素后，合金硬度和耐擦伤性显著提高，大大 优于原1 8 - 8 不锈钢，用于中温中压阀门密封面，成倍提高了使用寿命。 高铬铸铁型铁基喷焊粉末 高铬铸铁型铁基自熔性合金是在高铬铸铁耐磨合金成分的基础上添加b 、s i 、 n i 元素而创制的，由于这种合金中含有较高的碳和铬，会形成大量的高硬度的 碳化铬强化相，所以合金硬度较高，有极高的耐磨性。铁基自熔合金粉末适用于 铁路钢轨的修补，以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强 江苏大学硕士学位论文 化和修复。 ( 4 ) 碳化钨弥散型喷焊粉末 碳化钨弥散型自熔合金粉末是在各种镍基、铁基、钴基自熔合金粉末中加入 一定量的碳化钨而制成。 这种合金中由于超硬的碳化钨颗粒弥散在自熔合金中，就显著地提高了合金 的硬度，使其具有极高的耐磨性。 1 4 3 氧乙炔火焰喷焊工艺 试样经机加工后，即可进行试样的喷涂。为了获得高质量的涂层，喷焊工艺 一般为以下几个流程：工件的清洗、除油一工件的表面准备一二步法喷焊一工件 的喷后冷却一工件的喷后加工。 1 5 课题研究的背景意义及内容 1 5 1 研究背景及意义 在现代工业和技术中，对抗腐蚀、抗磨损和抗高温性能均优的材料需求日趋 迫切。例如港口装载机的抓斗，在运送沙石的过程中，常常遭受到严重的磨料磨 损，斗口板的材料使用的是经过热处理加工的钢板，但钢板容易变形，目前常用 的是高锰合金钢条进行定期更换，但是价格昂贵，而且使用寿命一般只有2 个月 左右。磨料磨损很少是一种单一的的磨损机制所引起，而经常是多种磨损机制综 合作用的结果。而且随着磨损条件的变化，可以从一种磨损机制转化为另一种磨 损机制。在工业领域中，磨料磨损是最主要的一种磨损类型，约占5 9 。仅冶金、 电力、建材、煤炭和农机五个部门的不完全统计，在我国每年因磨损所消耗的钢 材达百万吨以上，加上更换部件所造成的生产效率等间接损失，消耗资金达 2 0 3 0 亿元以上 磨损是摩擦学的三个重要组成部分之一，磨料磨损又是磨损研究领域中最重 要的研究方向之一关于磨料磨损的系统研究是近6 0 年才逐步发展起来的，磨 料磨损的应用与抗磨料磨损技术发展是相互制约又相互促进而共同发展的嘶1 。 “磨损是允许的自然现象”的观念再也不能适应工业技术向大型、高速、高效方 向发展的需要了。机械装备的可靠性和零件的长寿命在一定程度上代表着生产率 和科学技术水平。如导弹发射井是一个深百米以上的大直径竖井，铺以各种横向 9 江苏大学硕士学位论文 隧道，工程十分艰巨，开凿横向、竖向孔洞，必须使用各种破岩刀具，如牙轮钻 头、竖井滚刀，岩石挖进机刀圈等，这些刀具的抗磨料磨损性能对工程进度、工 程质量和工人的劳动强度有重要的影响。再如，为开发大型露天煤矿所使用的大 型斗轮式挖掘机，若其中一个零件磨损失效，就会使整条生产线停产，因而不能 发挥这种大型采掘、输送设备的优越性，达不到预期的生产效率。由此可见，深 入开展磨料磨损的研究解决在工程实际中减少和防止因磨料磨损造成的损失，提 高易磨损件的使用寿命具有重大的经济意义。 工业中常见的磨料磨损主要有以下几种： ( 1 ) 低应力磨料磨损；松散磨料自由地在表面上滑动，磨料不产生破碎 例如运输过程中的犁铧、溜槽、料仓、漏斗、料车等。 ( 2 ) 高应力磨料磨损；磨料在两个工作表面间互相挤压和摩擦，磨料被不 断破碎成愈来愈小的碎片。总载荷可能较低而局部应力却很高。例如研磨机的磨 杆、磨球、衬板：滚式破碎机中的滚轮。 ( 3 ) 凿削型磨料磨损；粗糙磨料使磨损表面撕裂出很大的颗粒。这种磨损 通常形成很高的应力，经常在输送或破碎大块材料时发生。如颚式破碎机的齿板、 辗棍。 ( 4 ) 冲击磨料磨损；磨料( 通常是块状) 垂直或以一定的倾角落在材料表 面上。其情况与冲蚀磨损很相似，但局部应力要高得多，如破碎机中的滑槽或锤 头。 ( 5 ) 冲蚀磨损；材料同含有固体颗粒的液体作相对运动，在表面造成的损 耗，如泵中的壳体、叶轮和衬套。 ( 6 ) 气蚀一冲蚀磨损；固体同液体作相对运动。在气泡破裂区产生高压或高 温而引起的磨损，并伴有液体与磨料的冲蚀作用，典型示例如泥浆泵中的零件。 ( 7 ) 腐蚀磨料磨损；同环境条件发生化学或电化学反应，而磨损是材料损 失的主要原因。如水田拖拉机履带板，化学工业中的泵零件。 由于磨料磨损现象十分复杂，系统参量的变化将使磨损过程发生显著变化， 到目前为止，还没有完全掌握磨料磨损规律，更不能建立一个通用的模型来广泛 描述各种各样的磨料磨损现象，所以磨料磨损仍是今后进行深入研究的领域。 本课题主要是帮助镇江港务局解决装载机抓斗斗e l 磨损失效，引起更换频繁 造成很大的经济损失的问题。由于p c v d 法和溶胶凝胶法合成的涂层不仅厚度 l o 江苏大学硕士学位论文 薄( 前者约为3 - , - 6 u r n ，后者仅为o 5 l o u m ) ，而且与基材的结合力较弱，有研究 表明，在矿桨式固液介质中高速运转，p v d 制备的硬面涂层仅l o b 左右涂层便 大部分脱落。因此，在高浓度的矿砂混合介质中运转的构件，采用结合机制为冶 金结合的粉末火焰喷焊法或激光熔覆比较合理。 1 5 2 课题研究的内容 一、根据港口、矿山机械特殊的工况条件确定合适的涂层材料 二、研究铁基喷焊层及热影响区组织结构的特点。 三、研究喷焊材料各组成加入量对喷焊层组织、耐磨性和耐蚀性能的影响。 四、选择合理的工艺参数在试样表面制备涂层，采用有限制的混料均匀试验 进行涂层材料的试验设计j 优化材料的各组分含量，获得耐磨性最佳的材料组成。 五、研究涂层各组分的作用机理，深入研究探讨涂层的磨损机理。 江苏大学硕士学位论文 2 1 试验材料 2 1 1 基体材料 第二章试验内容与方案 本课题中选用普通低碳钢q 2 3 5 ( a 3 钢) 为基材，其成分如表2 1 。 表2 1q 2 3 5 钢的化学成分( w t ) t a b l e 2 1 c o m p o s i t i o no f q 2 3 5s t e e ls h e e t 2 1 2 喷焊材料 由于装载机的抓斗一般采用高锰钢，在运转过程中斗口表面在沙砾的冲击磨 损下，其使用寿命大大降低，采用传统的表面处理工艺无法满足要求。考虑解决 港口机械的耐磨性，提高其使用寿命，必须采用厚的涂层和高的结合强度氧乙 炔火焰粉末喷焊具有设备简单、工艺灵活、操作简单、适应性强等优点，因此， 本实验中采用氧乙炔火焰粉末喷焊工艺。 喷焊用自熔性合金材料主要有镍基、钴基、铁基等。镍基自熔合金材料有优异 的喷焊工艺性，喷焊层具有耐热、抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐腐蚀等综合性能。钴基 自熔性合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐气蚀、耐氧化、耐磨损等综合性能，其红 硬性优异镍基合金。铁基与镍基、钴基相比，其耐热、抗氧化能力差，耐蚀性差， 适用于常温至4 0 0 4 c 左右条件下的耐磨损、耐弱酸碱介质腐蚀的机械零部件，原材 料来源广泛，价格低廉、适合国情，具有广泛的用途。对于港1 2 1 、矿山机械而言， 主要工作在常温( 或中温) 下和弱腐蚀介质中，要求有良好的耐磨损性能。从成本 考虑，采用铁基自熔性合金( h r c 4 0 - - h r c 6 5 ) 比较合适。但铁基自熔性合金本身耐 磨性仍不能满足需要，通过加入碳化物硬质相可以大大提高耐磨性，从而满足要求。 自熔合金粉末重熔时，具有良好的流动性和自脱氧性，对钢铁材料有良好 的润湿性，凝固后涂层致密光滑，可以有相当高的硬度、耐磨性和耐蚀性，可 以成功地应用于许多易磨损件表面的强化，但是这类材料及工艺技术的基础研 究还不是十分的充分，自熔合金的种类很多，但不是任意配比的自熔合金都能 用来表面强化，成分的正确选择和设计对于表面强化的成功是很重要的。根据 1 2 江苏大学硕士学位论文 相关资料饼删，在一定成分范围内向喷焊粉末中添加稀土会使氧乙炔火焰喷焊 工艺有所改善。在镍基自熔合金、铁基自熔合金和钴基自熔舍金这三类常用的自 熔性合金中，镍基自熔合金的自熔性最好，应用也最广泛，而铁基自熔合金的自 熔性最差，添加适量的稀土就能使铁基自熔合金的自熔性达到镍基自熔合金的水 平，这为铁基自熔合金的进一步推广应用打下了良好的基础。目前，我国的稀土 产品分为许多大类，品种繁多我们选择稀土品种的主要依据是：元素本身的特 性：它与粉末中其他元素之间的相互作用；不易吸收c 0 2 ；不易燃烧氧化；不易 潮解；成本适当；存贮方便。根据上述要求，经过筛选，最终确定将稀土硅铁合 金作为研究对象。 因此，本试验选用了上海冶炼厂生产的铁基自熔性合金粉末( 6 3 1 4 ) 作为喷 焊材料，其粒度为- 1 5 0 + 3 2 0 目，合金粉成分如表2 2 所示。在喷焊材料中 添加稀土硅铁、和碳化钨粉末，研究其对喷焊层性能的影响。 由于纯碳化钨粉湿润性差，易分解，因此不能直接作为热喷焊材料。所以采 取在自熔性合金粉末中添加包覆性碳化钨作为硬质相。 袁2 2g 3 1 4 合金粉末成分( w t ) t a b l e 2 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f g 3 | 4p o w d e r ( w e o ) 2 2 稀土在喷焊层中的加入方法 稀土的添加量非常小，一般小于总含量的1 o ，所以选择添加方式和形态 的目的在于，使稀土材料能在喷焊材料中分散均匀，具有均匀的化学反应活性， 以保证喷焊涂层在稀土元素作用下保持性能稳定。因此本实验采用机械混合工艺 和固相团聚两种方法制备稀土硅铁合金粉末，进行对比。 本试验中的固相团聚法是将各合金粉末在粘和剂的作用下团聚，则可以形成 成分均匀的喷焊层粉末。粘合剂可产生均匀的浓度、硬度和粘着度的某物，如涂 料中的乳剂，它具有足够高的黏结强度、耐热和耐潮湿性和喷焊烟尘小等优点。 常用的黏结剂有e p o x y ，p e g 等。具体的制备过程如下：将合金粉按比例混合一 加粘结剂搅和均匀一室温固化一取出破碎一过筛( 3 0 0 目1 5 0 目) 一炉内烘干一 密封待用 江苏大学硕士学位论文 对比发现机械混合工艺制备的稀土硅铁合金粉末不能保证稀土硅铁粉末与 铁基自熔合金粉末的均匀混合，所获得的涂层的均匀性不是很好。因此，为了保 证一定的涂层的质量，本实验中最终采用固相团聚法。 图2 1 喷焊合金粉末的颗粒形貌 f i 9 2 1 t h eg r a i na p p e a r a n c eo f w e l d i n ga l l o yp o w d e r 2 3 喷焊试验方法 在尺寸为5 7 x 2 5 5 x 6 ( m m ) 的试板上进行喷焊，喷焊工艺为以下几个流程： 工件的清洗、除油一工件的表面准备一二步法喷焊一工件的喷后冷却一工件的喷 后加工。 2 4 喷焊层磨损试验 先将喷焊好的试样在平面磨床上磨去表面的熔渣层、清洗、烘干、称重，然 后在m l s - - 2 3 型湿沙橡胶轮式磨损试验机( 河北宣化材料试验机厂生产) 上进 行湿砂磨粒磨损试验，磨损示意图如图2 2 所示。 图2 2m l s 2 3 型湿砂橡胶轮式磨损试验机示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f a b r a s i v ew e a rm a c h i n e l 一试样2 一载荷3 一橡胶轮4 一搅拌器5 一磨粒室6 一水和砂子 1 4 江苏大学硕士学位论文 橡胶轮的硬度为邵氏硬度7 5 ，转速2 4 0 r m i n 。磨粒为普通河沙，主要成分 为s i 0 2 ，磨损前分别过2 0 目和6 0 目的分级筛，使其粒度在2 0 目6 0 日闯湿 沙配比为l - 3 k g + 6 0 0 m l 水。试样磨损前后均用丙酮清洗吹干，用感量为0 1 m g 的天平称量磨损失重。为保证数据的可靠性和准确性，每种涂层均制各两块试样， 作两次磨损试验，取其平均值。 2 5 涂层腐蚀试验 试验方法参照中华人民共和国国家标准g b l 0 1 2 4 8 8 金属材料试验室均匀 腐蚀全浸试验法4 。 步骤如下： 1 腐蚀试验的原始试样为线切害4 得到的尺寸约为2 0 1 0 x 2 m m 的试样； 2 将试样清洁干净，用无水乙醇去油； 3 测量试样的尺寸，要求精确到0 0 2 m m ； 4 将试样悬挂于腐蚀液中，当水浴温度达到所设定的温度开始计时，在试 验期间，每隔一段时间，记录试验现象； 5 实验结束时，取出试样，用钢刷去除表面腐蚀产物后，用自来水洗净， 然后置于温度为8 0 的烘箱内烘干，再置于干燥器内冷却后称重； 试验条件如下： ( 1 ) 中性氯化钠溶液 n a c l 浓度：4 试验温度：5 0 试验时间：6 天 ( 2 ) 稀盐酸溶液 稀盐酸浓度：3 ； 实验温度：2 5 试验时间：2 4 小时 ( 3 ) 硝酸溶液 硝酸浓度：5 试验温度：2 5 试验时间：2 4 小时 江苏大学硕士学位论文 2 6 硬度试验 宏观硬度在h r c 1 5 0 a 型洛氏硬度计上测定，显微硬度在国产h 7 1 型显微 硬度计上测定，数据处理同于耐磨性方法。 2 7 显微组织分析 常规金相分析在德国产n e o p h o t i i l 型卧式光学显微镜上进行：显微组织分析 是用电子探针型号为j x a - 8 4 0 全数字自动控制立体扫描电子显微镜。喷焊层的 物相结构采用德国b r u k e ra ) 【sd 8a d v a n c ex 射线粉末衍射仪进行分析。 2 8 均匀试验 本课题是在铁基自熔性合金粉末中加入适量碳化钨和稀土，三者之间的关系 存在着主辅关系，相对而言，铁基自熔性合金加入量较大，碳化钨主要是作为硬 质相而存在，稀土是一种活性添加剂，加入量更少，所以本课题的配方设计采用 有限制的混料均匀设计 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章铁基喷焊层及热影响区的组织结构特点 铁基自熔合金g 3 1 4 在成分和性能上与低碳钢q 2 3 5 存在一定的差异，在低