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颗粒增强复合耐磨熔覆层制备及其性能研究 摘要 w c - 钢复合材料具有广泛的工艺特性、良好的物理及机械综合性能、优异的 化学稳定性，在切削刀具、无屑金属加工的工具、耐磨结构零件、工模具等方 面有广泛的运用。本文采用改进的电弧喷涂技术及氩弧重熔工艺在4 5 钢基体上 制备出了颗粒增强w c 一钢复合熔覆层材料，并对其进行了适当的热处理。采用金 相显微镜、x 一射线衍射仪( x r d ) 、x 一射线能量损失谱仪( e d s ) 、场发射扫描 电镜( s e m ) 分析了喷涂层材料的微观组织、结构以及涂层结合区的组织特征和熔 覆层材料的微观组织、结构以及磨损表面形貌；通过显微硬度计测量了喷涂层 和熔覆层的硬度，利用m m 2 0 0 型滑动磨损试验机对熔覆层材料的磨损性能进行 了测试，探讨了复合熔覆层材料的磨损特性及机制。 试验结果表明：复合熔覆层组织较其喷涂层组织更加均匀细小，熔覆层与 基体之间过渡区显微硬度梯度较为平缓；喷涂层与基体之间主要是机械结合， 而熔覆层与基体之间为良好的冶金结合：磨损量随磨损时间的变化特性曲线表 明含4 0 w t w c 的熔覆层材料的体积磨损量要比含3 5 w t w c 的熔覆层材料的体积磨 损量大而比分别含有2 5 w t w c 和1 5 w t w c 的熔覆层材料的的体积磨损量小；含 4 0 w t w c 的熔覆层材料的浅层剥落较之含3 5 w t w c 的熔覆层材料的剥落严重，较 之分别含有2 5 w t w c 和1 5 w t w c 的熔覆层材料的犁削要少，因此含4 0 w t w c 的熔覆 层材料的磨损机制主要为轻微剥落和微切削；而含3 5 w t w c 的熔覆层材料具有最 佳耐磨性，其磨损机制主要为微切削和轻微剥落；含2 5 w t w c 的熔覆层材料的磨 损机制主要为轻微剥落+ 较为严重的微切削；含1 5 w t w c 的熔覆层材料的磨损机 制主要为粘着磨损+ 微切削。 关键词：电弧喷涂氩弧重熔组织耐磨性能磨损机制 m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ea n dp r o p e r t i e so fw e a rr e s i s t a n t p a r t i c l er e i n f o r c e dc o m p o s i t ec o a t i n g sb ya r g o na r cc l a d d i n g a b s t r a c t s w c s t e e lc o m p o s i t em a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e di nc u t t i n gt o o l s ，m e t a lw o r k i n gt o o l s 谢n 1n o n f i l i n g s ，w e a r - r e s i s t i n gc o r t s t r u c t u r a l p a r t s ，a n dd i e s ，b e c a u s eo ft h e i r w i d e s p r e a d c r a f t c h a r a c t e r i s t i c ，g o o dp h y s i c a l a n dm a c h i n i c a l p r o p e r t i e s a n d o u t s t a n d i n gc h e m i c a ls t a b i l i t y c o m p o s i t ew e a r - r e s i s t a n tc o a t i n g sr e i n f o r c e db yw c p a r t i c l e sw e r ec o a t e do nt h e4 5s t e e l ss u r f a c eb ym e a n so fm o d i f i e da r cs p r a y t e c h n i q u e ，r e m e l t e db ya r g o ns h i e l d e da r cr e m e l t i n g ，a n dh e a tt r e a t e dp r o p e r l y t h e m i c r o s t r u c t u r e ，p h a s ec o m p o s i t i o n sa n dw o r es u r f a c eo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gw a s i n v e s t i g a t e db y m e a n so f m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s e o p y ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) t b em i c r o h a r d n e s so fc o m p o s i t ec o a t i n g sw a sm e a s u r e db yt h em i c r o h a r d n e s st e s t e r t h ew e a l r e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gs l i d i n ga g a i n s t4 5 s t e e lw a sv a l u a t e d u s i n g a l lm m - 2 0 0t e s t r i gi n ar i n g - o n - b l o c kc o n f i g u r a t i o nu n d e ru n l u b r i c a t e d c o n d i t i o n w e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ew e a r - r e s i s t i n gc o a t i n g s w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t si n d i c a t et l l a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fc o m p o s i t ec o a t i n g sa f t e ra r g o n s h i e l d e da r er e m e l t e da r em o r eh o m o g e n e o u sa n dt h i n n e rt h a nw c s t e e lc o m p o s i t e c o a t i n g sa f t e ra r cs p r a y e d ，t h e r ei sag o o dh a r d n e s sg r a d i e n tl a y e ri nt h ev i c i n i t yo f c o a t i n gm a t r i xa n di n t e r f a c e t h ec o m p o s i t ec o a t i n g s & r em e c h a n i c a l l yb o n d e d t ot h e s u b s t r a t ea f t e ra r cs p r a y i n g ，b u tm e t a l l u r g i c a l l yb o n d e da f t e ra r g o ns h i e l d e da r c r e m e l t i n g t h ew e a l v o l u m el o s s e so fc l a d d i n gc o n t a i n i n g4 0 w 1 w ca r em o r et h a n t h a to fc l a d d i n gc o n t a i n i n g3 5 w t w c ，b u tl e s st h a nt h ec l a d d i n gc o n t a i n i n g2 5 w t w c o r1 5 w t w c t h ed o m i n a n tw e a l m e c h a n i s mo fc l a d d i n gw i t l l4 0 w t w ci ss l i g h t s p a l l i n ga n dc u t t i n g i t ss p a l l i n gi s h e a v i e rt h a nt h a to ft h ec l a d d i n gc o n t a i n i n g 3 5 w t w c ，a n dl i g h t e rt h a nt h a to ft h ec l a d d i n gc o n t a i n i n g2 5 w t w co r1 5 w t w c n l ec l a d d i n gw i t h3 5 w t w ch a sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c et h a nt h eo t h e r s 。w h o s ew e a r m e c h a n i s mi ss l i g h tc u t t i n ga n ds p a l l i n g 1 1 1 ed o m i n a n tw e a rm e c h a n i s mi ss l i g h t s p a l l i n ga n dh e a v yc u t t i n gf o rt h ec l a dw i t h2 5 w - t w cc o n t e n t , a d h e s i o na n ds l i 【g h t c u t t i n gf o rt h a tw i t h1 5 w t w cc o n t e n t k e y w o r d s ：a r cs p r a y ；a r g o ns h i e l d e da r cr e m e l t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；w e a rr e s i s t a n c e ； w e a l m e c h a n i s m 插图清单 图卜l 钨极惰性气体保护焊示意图9 图2 1 显微硬度测试示意图1 7 图4 10 9 试样金相显微组织3 3 图4 21 4 试样会相显微组织3 4 图4 - 31 4 试样的x 一射线衍射图谱3 5 图4 - 41 试样的能谱分析3 5 图4 52 。试样金相显微组织3 6 图4 62 9 试样的x 一射线衍射图谱3 6 图4 72 试样的能谱分析3 7 图4 - 83 4 试样金相显微组织图3 8 图4 93 试样的x 一射线衍射图谱3 8 图4 - 1 03 试样的能谱分析3 9 图4 - 1 14 试样金相显微组织图4 0 图4 1 24 。试样的x 一射线衍射图谱4 1 图4 1 34 4 试样的能谱分析4 1 图4 - 1 41 4 试样金相显微组织图4 3 图4 1 514 试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度4 3 图4 一1 62 4 试样金相显微组织图4 4 图4 一1 72 4 试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度4 4 图4 - 1 83 4 试样金相显微组织图4 5 图4 1 93 试样熔覆层硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度4 6 图4 - 2 0w _ c 二元系状态图4 7 图4 2 14 9 试样金相显微组织图4 8 图4 2 24 4 试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面显微硬度梯度4 8 图5 1 涂层的摩擦系数随磨损时间变化的关系曲线5 3 图5 2 熔覆层体积磨损量随滑动时间的变化曲线关系5 4 图5 3l 。试样磨损表面形貌s e m 照片5 5 图5 42 4 试样磨损表面形貌s e m 照片5 7 图j 一53 。试样磨损表面形貌s e m 照片5 9 图5 64 试样磨损表面形貌s e m 照片6 0 表格清单 表卜l 导辊材料的化学成分( w t ) 表2 - 14 5 4 钢和1 c r l 8 m n 8 n i 5 n 不锈钢丝的化学成分( w t ) 表2 2 试样的成分范围 表3 1z g p 一4 0 0 b 电弧喷涂机主要规格和技术参数 表3 2z g p - 4 0 0 b 电弧喷涂机的工作参数 表3 3 水平因素表 表3 - 4 复合涂层的部分性能正交表 表3 5 工艺参数对表面硬度的综合影响 表3 6 工艺参数对截面硬度的综合影响 表3 7 工艺参数对孔隙率的综合影响 表3 8 工艺参数对微粒长度的综合影响 卫坞”毖拢毖拍卯折勰嬲 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金b ! ! ：些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同j 占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世i ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件平磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒蟹! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 签字日期：夕年肛月。咱 学位论文作者毕业后左向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 卉嘶 签字日期： o - 2 年，2 月z 日 ( 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师杜晓东副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在实验 过程中，导师严谨求真的治学态度、慎思创新的科学思维、亲和大度的人 格魅力对我影响深远。这两年半以来，杜老师不仅给予我学业上的指导和 教诲，而且给予我很多生活上的关心和帮助。值此论文付梓之际，谨向丁 老师、杜老师致以最诚挚的感谢! 感谢徐道荣、薛国宪、秦琳老师的大力帮助，以及实验中心的郑玉春、 汪冬梅、程娟文等老师在实验过程中给予的帮助、支持和信任! 感谢师兄王家庆、孙国栋、满达虎和师姐邢文静给予的指导与帮助。 感谢师弟扶东风和师妹杨晓娟在实验和本文成文过程中给予的协助和付 出的努力! 感谢王兰，汪瑞俊两位同学两年多的一路走来，我们互相帮助，共渡 难关，希望他们在未来的日子里一路弦歌高唱! 感谢我的家人! 本课题得到安徽省十一五科技攻关重点项目( 0 6 0 2 2 0 0 3 ) 的资助。 作者：王义飞 2 0 0 7 年1 2 月 引言 第一章绪论 随着现代工业技术的发展，轧机的滑动导卫装置逐渐被滚动导卫装置所替， 因而在轧钢生产中滚动导卫用导辊的消耗量也越来越大。导卫辊是钢铁厂棒材 和线材轧制线上的一个非常关键的部件，它直接影响到生产效率和产品成本， 主要目的是引导轧件顺利地进行轧制并导出轧槽或控制轧件按一定的方向运动 ”3 3 。由于市场竞争加剧和科技的发展，对滚动导卫辊的使用要求越来越高，现 在使用的滚动导卫辊的制作工艺也越来越先进，有使用复合铸造的，有使用铸 渗工艺的，还有使用激光镀覆的等。由于轧机滚动导卫辊的使用寿命短，更换 频繁，不仅增加了生产成本，而且对轧件的质量有一定的影响，并导致生产效 率的下降。而滚动导卫用导辊使用寿命的高低，直接影响着生产效率和产品合 格率的提高，因此对提高导辊寿命的研究也在不断的探索中。通过对钢厂更换 下的报废导卫辊进行观察，发现的情况有： 1 1 导卫辊工作面磨损严重，在导辊圆弧面的中心部位磨损尤其严重； 2 ) 导卫辊工作面有龟裂纹； 3 1 部分导卫辊有粘钢现象。 在轧制过程中，导辊的工作环境非常恶劣，首先由于导辊与轧件直接接触， 导辊工作温度高，轧件从加热炉出来时温度1 0 5 0 左右，经过滚动导卫辊时的 温度在9 0 0 左右，由于辐射、摩擦等因素会造成导卫辊表面温度急剧上升，估 计导辊表面温度会达到5 0 0 7 0 0 以上；其次在轧件进入时导辊要承受一定的 冲击：再者轧件运行时对导辊的摩擦( 滑动和滚动摩擦) 以及脱落的氧化铁皮对导 辊的磨损；另外由于强制冷却水的喷溅使导辊处于激冷激热的工作环境下，受 交变热应力的作用，定程度上加剧了导辊的热疲劳。根据对失效导辊的观察、 分析，发现导辊的失效形式主要有四种： 高温磨损超差失效。导辊上分布有磨粒磨损形成的犁沟，这是轧件在高 温轧制时表面的脆性氧化铁皮破碎形成的磨粒对导辊犁削形成的，如果导辊材 料的抗氧化性不好，也会导致氧化铁皮脱落形成磨粒而加速磨损，因导辊尺寸 精度超差而失效： ( b ) 粘钢失效。主要是由于导辊材料硬度低，导辊工作面加工粗糙以及安装 精度不高，使得导辊工作过程中局部受力过大，氧化铁屑堆积、粘着于导辊的 工作面，并与之粘着咬合而失效。轻者修磨后仍可使用，严重粘钢时会造成导 辊局部熔化并与粘着物牢固焊合，强行去除粘着物会使导辊表面局部损坏而失 效； ( c ) 拉伤失效。即导辊被拉削形成一道很深的沟槽，并在导辊的轧材导入段 与工作直线交界处发生严重的粘钢现象，且有一条贯穿至导辊端面的裂纹。发 生拉伤失效的主要原因是导辊的冷却不良，导致装在导辊中的滚动轴承温度升 高至烧毁，进而使导辊不能正常运转，轧件在固定的位置拉削导辊，辊子形成 拉伤沟槽，并在拉伤辊子的轧件导入处发生严重的粘着物堆积和焊合，造成导 辊报废。 ( d ) 有些导辊在使用过程中也发现极个别碎裂失效现象。经分析，认为这是 导辊反复承受着激冷激热的交变热应力作用而导致热疲劳失效。从报废导辊的 失效形式来看，大部分导辊是因磨损超差而失效的，因此造成导辊失效的最主 要的原因是磨损。 目前，制造导辊的材料有多种，成分见表1 1 。 表卜1 导辊材料的化学成分w t t a b 卜1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t h eg u i d er o l l e r ( w w o ) 钢号cs i m n c rn im o v t 707 0o 3 50 4 0 t 8o8 0o 3 50 3 5 c r l 6 n i 3 ( 国外) o 7 6o 9 3o 4 51 6 8 93 5 00 6 20 0 3 c r l 2 m o v1 5 00 6 00 6 01 2 5 01 0 01 1 0 镍铬钢1 5 2 5 0o 7 52 3 0 05 o o0 9 0 对上表所示几种导辊材料进行分析，得出： ( 1 ) 碳素工具钢t 7 ，t 8 的成本低，加工容易，但耐热性、耐蚀性和耐磨性均 较差。 ( 2 ) 国外导辊材料c r l 6 n i 3 的含碳量与t 7 、t 8 相当，但由于加入了c r 、n i 及 一定量的强碳化物形成元素m o 平e i v ，形成合金碳化物，因此提高了耐蚀、耐磨 和耐高温性能。又由于加入了强碳化物形成元素，因而不易过热，组织细小均 匀。但因碳化物数量较少，耐磨性没有得到充分发挥。 ( 3 ) c r l 2 m o v 含碳量较高，碳化物数量较多，如果不使细化碳化物尺寸和 改善其分布，将使韧性降低。其常规淬火温度为9 5 0 1 0 3 0 ，低温回火后硬度 达到6 2 h r c 左右，具有较好的耐磨性，但耐蚀性较差。 ( 4 ) 镍铬合金属奥氏体型钢，在铸态下使用，具有良好的耐蚀性、耐磨性和 高温强度，是目前除硬质合金以外寿命最高的导辊。由于是奥氏体钢，硬度较 低，虽然硬度随含碳量增加而提高，但仍无法进一步提高导辊的强度和耐磨性。 ( 5 ) 硬质合金导辊。硬质合金的耐热性和耐磨性均很好，使用寿命高，但材 料价格高，加工困难，目前使用较少。 对上述材料，导辊耐磨性由低到高的顺序是： t 7 ( t 8 ) c r l 6 n i 3 c r l 2 m o v 镍铬合金 硬质合金，可以看出，碳化物数量 越多越细小、分布越均匀，则导辊硬度越高、耐磨性越好。 2 1 1 钢结硬质合金简述 钢结硬质合金( s t e e l b o n d e dc a r b i d e ) 是以金属硬质化合物为硬质相、以钢 作粘结相制成的硬质合会* ，。五十年代由美国合金公司首先研制投入市场m ，很 快传入欧洲和亚洲，1 9 6 3 年德国开始进行生产t i c 基钢结硬质合金。六十年代 中期，国外已采用了传统的粉末冶金球磨混料、液相烧结法制作钢结硬质合会。 八十年代中期后，特别是近年来由于作为硬质合金粘结剂的钴稀缺，价格不断 上涨，各国都大力开展寻求钴的代用材料的研究开发工作，从而更进一步推动 了钢结硬质合金的发展。国外有关钢结硬质合会的报导和论文不断增多，其内 容涉及科研、生产工艺、产品开发、应用效果等各个领域。俄罗斯、日本、瑞 典、美国、英国等都大力开展研究与开发，尤其是俄罗斯在这方面进行了大量 而系统的研究，取得了明显的成效，发表了一系列水平较高的论文，并研制出 些新产品；日本近年来在研制方面也取得了很大的成功，开发出一些新品种； 英国、瑞典等国也开发出一些钢结硬质合金；同时钢结硬质合金在整个欧洲金 属加工工业中也得到了普遍的承认。目前，其产品主要有碳化钛和碳化钨两大 系列。 钢结硬质合会通常是指以钢为粘结相，以难熔金属碳化物( 主要是碳化钛、 碳化钨) 作硬质相，用粉末冶金方法制备的铁基复合材料。钢结硬质合金的硬质 相主要赋予材料以高硬度和高耐磨性，这些特性是其区别于工具钢的重要标志； 钢结硬质合金的粘结相可赋予材料一系列独特的性能，这些特性是其区别于普 通硬质合会的另一重要标志。近期又出现了以特殊合金或高温合会粘结的钢结 硬质合金，但一般都被设计成为具有热处理效应，即使得所制取的钢结硬质合 金具有可淬火硬化或可时效硬化的性质。因此，可以把钢结硬质合会看成粉末 冶金工艺学与金属热处理工艺相结合而得到的一种边缘材料。 钢结硬质合金正发展以钢为粘结相，按其钢种可分为碳素钢、合金工具钢、 高速钢、不锈钢、高锰钢等；按其性能可分为高强度、抗冲击、抗回火、抗氧 化、耐高温、耐腐蚀、抗热震、有磁性、非磁性等等；按其组织可分为马氏体( 包 括淬火马氏体、软马氏体) 、铁素体、奥氏体以及混合型体态等。 近年来，钢结硬质合金相成分范围不断拓宽，一端向硬质合金领域延伸， 即提高硬质相含量，以便在保证合金足够强度的情况下尽量提高其耐磨性，目 前硬质相含量最高可达9 4 ；另一端向高速钢领域延伸，即提高钢粘结相含量， 以便在保证足够耐磨性的情况下尽量提高其强度，目前钢粘结相含量最高可达 9 0 。由此可见，钢结硬质合金与普通硬质合金及高速钢的界限在逐渐消失， 并逐步占据普通硬质合金和高速钢之间的整个区间。 新型钢结硬质合金主要有以下几种：( 1 ) t i n 基钢结硬质合金，( 2 ) t i c n 基钢 结硬质合金，( 3 ) w c 基钢结硬质合金，( 4 ) w c c o 合金钢复合材料，( 5 ) t i b 2 - f e m o 复合材料，( 6 ) 二元硼化物复合材料，( 7 ) 其他新型钢结合金。 除了上述一些新型钢结硬质合金之外，日本的一些公司还利用各种不同的 硬质化合物( 如s i c ，w c ，t i n ，a 1 n ，d y 2 0 3 ，z r c ，t a c 等) 及其混合化合物作 硬质相和以各种钢或铁基合金作粘结剂，研制出一些新型复合材料。 1 1 1 钢结硬质合金的部分硬质相 ( 1 ) 碳化钛碳化钛是过渡族金属碳化物中一种具有面心立方点阵的间隙相， 其特点是硬度高、抗氧化、耐腐蚀、比重小、热稳定性好等优异的物理化学性 能，以及在烧结过程中晶粒长大倾向较小，一般晶粒呈圆形。在烧结或热处理 过程中，碳化钛与钢粘结剂会彼此发生作用。碳化钛粉末的制各方法一般有如 下几种：金属钛粉或t i h 2 直接碳化法，t i 0 2 碳热还原法、自蔓延高温合成法、 气相反应合成法、熔融金属浴中合成法、电火花熔蚀法、机械合金化法等。 ( 2 ) 碳化钨碳化钨是碳化钨系钢结硬质合金的硬质组元，具有简单六方点阵 的过渡族金属碳化物间隙相，其硬度较高，次于碳化钛，还有高的延展性及杨 氏模量”。碳化钨能被铁族金属润湿( 其润湿角几乎为零) ，并且在铁中的溶解度 远比碳化钛高，因此，在烧结过程中，碳化钨易于合金化，在铁中溶解、析出 更为显著。与碳化钛系钢结硬质合金相比，在碳化钨系钢结硬质合金组织中存 在着较严重的碳化钨晶粒的桥接现象，严重者甚至毗连成片，会使合金变脆， 加工困难。 目前，国内外对碳化钨颗粒增强钢、铁基表面复合材料的制备工艺主要有 铸渗法“1 、热喷涂法、粉末烧结法、熔注法9 1 、离子注渗法“、堆焊法“”1 、激 光熔覆法。”“3 、原位复合法“6 ”、电渣熔铸法等“”。 1 1 2 钢结硬质合金的制备方法 目前钢结硬质合金的制备方法主要有液相烧结法、浸渍法、热压法、热挤 压法、热等静压法等等”1 。 1 1 3 钢结硬质合金的性能及应用 钢结硬质合金的性能主要指其工艺特性、物理机械性能和化学稳定性。 目前，各国研制了大量的钢结硬质合金牌号，应用于各工业部门。钢结硬 质合金是适应性极其广泛的一大类工程材料，并显示出极其广阔的开发应用前 景。 ( 1 ) 在切削刀具中的应用“：钢结硬质合会的耐磨性和耐热性低于一般硬质 合金而高于高速钢，韧性和工艺性能则高于一般硬质合金而低于高速钢。因此， 它恰当地填补了现有硬质合金与高速钢二者在性能上的空白，故可用来制造钻 4 头、铣刀、拉刀、滚刀等刀具，以用于加工不锈钢、耐热钢、有色合会，且效 果都很好。 ( 2 ) 在无屑会属加工的工具中的应用：这是钢结硬质合会的主要应用领域之 一。例如，可用来制造冷镦模、热镦模、挤压模、拉伸模、冲裁模、压印模、 拉丝模、拉管模、粉末压模。虽然钢结硬质合金价格高，但是由于它比般工 模具提高寿命十倍、几十倍，从而减少了模具用量和更换模具所需的时间。另 外，钢结硬质合金可以用镶嵌的方式在关键部位使用，使成本降低。钢结硬质 合金模具的使用还能提高产品的质量和精度，因此得到了广泛的应用。 ( 3 ) 在耐磨结构零件中的应用：钢结硬质合金由于高强度和高韧性，常优于 无钨硬质合金，且具有抗粘附磨损性，故可应用在短时无润滑的摩擦场合，如 气体动压轴承，工作在真空中无润滑的轴承和其它滑动表面。钢结硬质合会由 于刚性高，在退火状态下能吸收振动，故可用来制造磨轮主轴、镗床主轴和钻 探杆。 上述研究的示例仅表明钢结硬质合金的某些可能应用部门。由于它们的强 度和耐磨性高，故可应用在许多技术部门，替代目前采用的碳化钨硬质合或工 具钢。目前，许多国家已开始按生产规模制造钢结硬质合金的工具和耐磨零件。 钢结硬质合金的强度和韧性一般高于其它硬质合金，且保持碳化钛硬质合金的 所有优点，如在干摩擦时其摩擦系数较小，抗粘附磨损性较高。由于这些特点 优于w c c o 硬质合金，故可用来制造辊环。国内外开发了用无限冷硬镍铬铸铁、 贝氏体球铁、高铬铸铁生产的辊环及硬质合金辊环。前者成本低，使用寿命短， 后者具有优良的耐磨性，但成本太高，因此，近来又开发了高速钢辊环”。 总之，钢结硬质合金具有很大的工艺上的灵活性，通过选择不同钢种或铁 基合金作粘结剂或调节钢粘结剂的成分以及采用适当的硬质相，可制取具有特 定性能的钢结硬质合金，以适应各种不同应用领域的需要。2 “。 1 2 电弧喷涂技术 热喷涂技术是2 0 世纪初发明的，从2 0 年代开始就得到了工业的应用。在开 始阶段主要是喷涂低熔点的金属，用来防止钢铁会属表面的腐蚀。1 9 2 0 年，日 本发明了以交流电弧为热源的喷涂装黄，由于交流电弧不稳定，效率低、涂层 质量差，没有得到实际推广。后来德国改用直流电源使电弧喷涂有了实用价值。 1 9 3 8 年美国研制成功了电弧线材喷枪”“。2 0 世纪5 0 年代后期，为了满足航空、 原子能、导弹、火箭等尖端技术对于高熔点、高强度涂层的迫切要求，美国相 继发明了等离子喷涂和爆炸喷涂，限制了电弧喷涂的发展。7 0 年代末，粉芯丝 材的出现给电弧喷涂带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分带来的难以拔 丝的困难，同时还使一些不能导电的颗粒材料在电弧喷涂上得以应用，由于粉 芯丝材具有成分易于调节，生产周期短，选材便利，且成本较低等特点，因此 促进了电弧喷涂的发展。进入8 0 年代以后，电弧喷涂设备向精密化和自动化方 向发展，使涂层质量得到进一步提高，应用范围也越来越广泛，使电弧喷涂又 重新得到了各工业领域的重视。近年来，随着传统电弧喷涂技术的不断完善， 又涌现出了许多电弧喷涂新技术，如高速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、 h v o f e a ( h i g hv e l o c i t yo x yf u e ls p r a y i n g e l e c t r i c a la r c , s p r a y i n g ) 、复合电弧喷 涂、保护气氛电弧喷涂、真空电弧喷涂、等离子转移电弧喷涂及单丝电弧喷涂 等新技术”1 。这些电弧喷涂新技术的出现，提高了喷涂的效率，改善了电弧喷 涂涂层的质量，拓宽了电弧喷涂的应用领域。 在未来，电弧喷涂的发展趋势也将是提高喷涂的速度，降低涂层氧化的程 度，节约能源，从而在低成本的基础上获得高性能的涂层。 1 2 1 电弧喷涂技术原理 电弧喷涂技术原理，在喷涂时，两根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续 地送进喷枪的两个导电嘴内，导电嘴分别接喷涂电源的正、负极，并保证两根 丝材端部接触前的绝缘性。当两根丝材端部接触时，由于短路产生电弧。高压 空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面，经冷 却、沉积过程形成涂层。此项技术可赋予工件表面优异的耐磨防腐防滑耐高温 等性能可以在机械制造电力电子和修复领域中获得广泛的应用。 电弧喷涂层的主要特点包括形成的过程和涂层的组织结构，涂层的形成是 一个非常复杂的过程，涉及到空气动力学、多相流流体力学、冶金热力学、传 热学等诸多领域，因此受到电弧温度、气流速度、气流压力、基体温度、喷涂 电压、喷涂电流等许多参数的影响。一般可将电弧喷涂层的形成过程分为熔滴 形成、熔滴雾化及扁平颗粒堆积三个阶段。 热喷涂涂层形成以后，涂层的结构中包括了扁平颗粒、氧化物层与孔隙三 部分。扁平颗粒是雾化熔滴高速撞击基体发生变形、凝固而形成的。由于是快 速凝固，因此扁平颗粒的硬度明显高于铸造状态。熔滴在过渡过程中会发生氧 化，故涂层中扁平颗粒间沉积，形成氧化层，它的存在，减弱了涂层的内聚强 度。孔隙是热喷涂涂层一个重要的结构特征，孑l 隙率的大小将直接影响涂层的 结合强度、耐腐蚀性能、耐氧化性能和耐磨损性能。 、 1 2 2 电弧喷涂的特点 ( 1 ) 生产率相对较高：电弧喷涂的生产率与电流成正比，一般相当于火焰 喷涂的4 倍。 ( 2 ) 涂层结合强度高：由于喷涂时的金属直接受到喷涂热的作用，其加热 的程度较高，加上喷涂中的雾化粒子大，使得粒子的动能和热能均较高，从而 6 获得较高的涂层结合强度和自身结合强度。 ( 3 ) 涂层质量易于保证：由于电弧喷涂形成的粒子都是丝材熔化形成的微 小液滴，其粒子可以得到比较均匀的加热，因此质量容易保证。 ( 4 ) 能源利用率高，能耗低：电弧喷涂直接用于喷涂的端部而熔化会属， 能源利用率高达9 0 以上，是所有喷涂方法中利用率最高的。这种低能耗除降 低成本外，还使基体受热大大减轻，因为基体接受到的热能只是喷涂粒子所携 带的热能，并且喷涂时的高速气流直接吹到工件，使得工件冷却，因此可以得 到较厚的涂层，并可以在低熔点的基体上喷涂。 ( 5 ) 可以方便的获得“伪合金”涂层：当使用两种不同材料的喷涂丝材时， 获得的是两种材料的粒子紧密结合的伪合金涂层，涂层中还会存在少量的合金 与金属间化合物。由于兼有两者的性能，因此伪合金涂层的性能较好。 ( 6 ) 设备造价低，使用维护方便，电弧喷涂的设备简单，体积小，重量轻， 设备移动方便。不需要瓶装气体，不需要燃料，没有水冷系统。工作环境要求 低，可以长时间在恶劣环境下工作”“。 1 2 3 电弧喷涂过程 电弧喷涂枪的结构十分简单，连续送进的两根丝在喷枪前以固定的角度相 交，由于是各自连与直流电源的两极而产生电弧，从喷嘴喷射出的气流对着熔 化的丝端强烈喷射，将丝材端部表面熔化的金属连续喷射出去而形成稳定的雾 化粒子流。 喷嘴可以有不同的结构，比较新的雾化方式是以更加精确的导电嘴定位方 式使丝的端部包围在较大直径的雾化气流中，由于丝的自身弯曲以及导电嘴的 磨损所造成的交点偏移总是处于雾化气流的包围中，喷涂粒子的雾化就会稳定。 丝材的直径对喷涂枪的工作有影响。细丝易于获得较细的雾化粒子，从而 易于获得致密平滑的涂层。粗丝则易于保证可靠的相交，经济性好，价格便宜， 生产率高。粗丝还可以降低运转机件的磨损和保证导电嘴的寿命，只要工艺合 理，也可以得到高质量的涂层。 电弧喷涂枪可分为固定式和手持式。导电嘴具有双重功能，它对丝材导向， 使其端部相交于雾化区，并使电流从电源进入丝材。但磨损会使交点偏移，从 而影响到喷涂的质量，它是易损坏的工件。而它的磨损是丝材机械磨损和电流 通过时的电火花共同作用的，当出现电流不稳定或者送丝问题时，就会加剧它 的磨损。丝材的尺寸精度、弯曲状况和表面质量对喷涂的顺利进行和导电嘴的 使用寿命有直接的影响。 电弧喷涂的电源都是具有良好的动特性与平的伏安特性的直流电源，电源 电压直接反应了电弧的长度。电压的稳定是雾化稳定的重要条件，如果想提高 生产效率，只要提高送丝速度就可以了，送丝速度提高，电流就会自动的调节， 使得生产效率提高”“。 1 3 氩弧焊 钨极气体保护焊是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧 热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法”“。根据保护气体的不同，可 分为钨极氩弧焊和钨极氦弧焊。氩弧焊是利用氩气作为保护介质，它按所用的 电极不同可分为非熔化极氩弧焊( r i g 或g t a w ) 和熔化极氩弧焊( m i g 或 g m a w ) 。 目前国内的氩弧焊主要有脉冲、交流、直流，使用氩弧焊的主要方式为手 工焊接，焊接易氧化的金属，或为焊接打底使用，操作多数为手工进行，自动 化程度比较低，由于使用的领域比较广泛和操作较灵活，国内逐渐对氩弧焊的 自动化专机开始研究设计，增强自动化程度，减少工人劳动强度，增强焊缝的 均匀性，对工件焊接成形都有了很大的提高。从焊炬的设计到焊炬运行轨迹， 焊炬的适时调整等方面都有很大的发展。由于现代焊接设备的发展与电力电子 技术和器件的发展密切相关，相继出现了性能比较优良的焊机。5 0 年代末，功 率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。 7 0 年代初，由晶闸管( s c r ) 构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子 技术开始进入焊接电源设备领域。s c r 弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极 管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。7 0 年代中n 8 0 年代 中，性能优良的自关断电力电子开关器件：功率晶体管( g t r ) ，功率场效应管 ( m o s f e t ) ，绝缘栅晶体管( i g b t ) ，可关断晶闸管( g t o ) 等相继出现。7 0 年代 末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于t i g 和手工电弧焊，后来又推广到 c 0 2 、m a g 等焊接方法和切割。1 9 8 2 年，华南理工大学访问学者在德国首先研 制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从t i g 到手工电弧焊、气体保护焊以 及切割，促进了焊接设备更新换代的发展。8 0 年代末又出现i g b t 式逆变焊机， 主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、m o s f e t ，i g b t 等为 开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频p w m 开关技术和微电子控制技术，淘 汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积小、 重量轻、多功能、多用途等优点，而且具良好的动、静态特性和工艺特性。 因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1 9 8 9 年世界焊接与切割博览会( 埃森博览会) 上有3 0 多家厂商展出了弧焊逆变器。1 9 9 3 年的埃森会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据i i wx i i c1 9 9 3 年1 1 月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占1 7 ，其中 在气体保护焊和n g 焊中占3 0 以上。日本日立公司的i g b t 逆变焊机己占 m i g m a g 焊机的7 0 ，占t i g 焊机的9 5 以上，占切割机的1 0 0 ，日本钨极氩 弧焊是一种能够较好控制线能量，又易于推广应用的焊接方法。它以钨极和工 8 件作为两极，氢气为电离的保护气体，在钨极和工件间产生电离现象，形成电 弧。由于氩气能有效地隔绝空气，它本身又不溶于金属，不和会属反应，因此， 可成功地焊接易氧化的多种金属材料，其热源和填丝可分别控制，因而热输入 易调节，可进行各种位置的焊接。 普通钨极氩弧焊在焊接较薄材料时，应注意：( 1 ) 焊件对工艺参数变化的影 响非常敏感，如电流稍大或焊接速度较慢，焊件就会由于热量的积累而过热烧 穿，反之则不易焊透；( 2 ) 对装配要求很严，如自j 隙稍大就易烧穿。钨极氩弧焊 控制线能量通常有两个选择：一是提高焊接速度，在自动化的焊接生产线上常 采用；二是更好地控制焊接能量而不必提高焊接速度，这必须有保证小电流电 弧稳定的电源。脉冲t i g 焊就是近年来发展起来的一种方法。其主要参数：基值 电流、脉冲电流、脉冲电流时间、基值电流时间。占空比、频率等分别可调， 可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的熔深和均匀焊透的焊缝根部；由 于采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，获得较低的电弧能量；问歇时 间的存在，将明显减小对焊件的热输入，使熔池冷却时间增长，减小焊件上的 热积累，提高焊缝抗烧穿和熔池保持能力，减小焊接过渡区和焊件的变形。脉 冲钨极氩弧焊采用低频调制的直流或交流脉冲电流加热工件，电流幅值按定 频率周期地变化，脉冲电流时工件上形成熔池，基值电流时熔池凝固，焊缝由 许多焊点相互重叠而成。 1 3 1 钨极氩弧焊的原理 钨极氩弧焊( g t a w ) 是典型的惰性气体保护焊，它是在氩气的保护下使用充 填材或不使用充填材的一种焊接方法，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化 母材和填充焊丝的一种焊接方法。其原理如图1 1 所示。焊接时氩气从焊枪的喷 嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池 及邻近过渡区的有害影响，从而获得优质的焊缝。焊接时，为防止焊件变形和 产生焊接裂纹，必须注意母材的约束，焊接顺序及需要的预热( 9 5 1 0 0 。c ) 等。 图卜1 钨极惰性气体保护焊示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cp l a no f t h ei n e r tg a st u n g s t e na r cw e l d i n g 卜喷嘴2 一钨极3 一电弧4 一焊缝 5 一工件6 - f f 池7 一填充焊丝8 一惰性气体 9 1 3 2 钨极氩弧焊的特点 钨极氩弧焊由于电弧是在氩气中进行燃烧，因此具有如下优点：1 ) 氩气具 有极好的保护作用，能有效地隔绝周围空气：它本身既不与金属起化学反应， 也不溶于金属，使得焊接过程中熔池的冶会反应简单易控制，因此为获得高质 量的焊缝提供了良好条件；2 1 钨极电弧非常稳定，即使在很小的电流情况下 ( ) ，仍可稳定燃烧，特别适合于薄板材料的焊接；3 ) 相对于电子束焊接、 激光焊接等熔焊方法，氩弧焊设备简单、价格便宜。但钨极氩弧焊也存在以下 的问题：1 ) 钨极承载电流能力差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微 粒有可能进入熔池而引起央钨。因此熔敷速度小、熔池浅、生产率低，2 ) 氩弧 受周围气流影响较大，不适合室外操作。对于低熔点和易蒸发的金属( 如铅、锡、 锌) 焊接较困难。 由于钨极氩弧焊方法具有一系列的优点，考虑到我单位拥有钨极氢弧焊设 备及工艺基础，且壳体的焊接结构特点较适合于钨极氩弧焊，因此，钨极氩弧 焊方法确定为该项目研究内容之一。 1 3 3 钨极氩弧焊应用的领域 由于钨极氩弧焊本身的焊接特点，目前钨极氩弧焊广泛用于飞机制造、原 子能