铸钢辊轧表面等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层的研究.doc

江苏科技大学江苏科技大学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 学 院 冶金与材料工程学院 专 业 材料成型及控制工程 学生姓名 张 亚 飞 班级学号 0745561239 指导教师 二零一一年六月 江苏科技大学毕业论文 铸钢辊轧表面等离子喷涂铸钢辊轧表面等离子喷涂 NiCr Cr3C2涂层的研涂层的研 究究 Investigation of Plasma Sprayed NiCr Cr3C2 Coating on the surface of the cast steel roller 摘要摘要 轧辊是冶金业的重要部件 是实现金属轧制的直接工具 它的质量直接关系到 冶金企业的生产成本 质量和效率 轧辊的失效方式主要有辊身断裂 辊颈断裂 辊 面麻点 剥落及磨损等 其中辊面磨损是最主要的失效方式 轧辊的修复方式主要有 堆焊 表面激光强化 热喷涂等工艺 离子喷涂技术是热喷涂中应用最为广泛一种 本文主要研究等离子喷涂工艺应用于修复轧辊表面磨损等缺陷 本课题利用等离子喷 涂工艺 通过对不同工艺参数的控制 利用正交分析法 确定最主要的影响参数及最 优参数 利用 EDS 和 XRD 分析测试手段 研究了断口形貌和涂层的组织结构 本实 验采用 NiCr Cr3C2 作为喷涂粉末 NiCr Cr3C2具有很高的耐磨 耐蚀 耐高温和抗氧 化性 将其喷涂到基体材料表面将会大大提高基体表面的性能 对于提高轧辊的使用 寿命具有重要意义 关键词关键词 轧辊 等离子喷涂 NiCr Cr3C2涂层 正交分析 Abstract Roller is an important component of metallurgical industry It is a direct tool for metal rolling So its quality is directly related to metallurgical production costs quality and efficiency The main failure modes of roller are the roller barrel fracture roller neck fracture the roller surface pitting spalling and wear Roller surface wear is the most important failure mode The main methods of roller are welding repair surface enhanced laser thermal spraying process The thermal plasma spraying technique is the most widely used in the thermal spraying process This study is applied to repair the roller surface wear and other defects by plasma spraying process This subject make the most important parameters and the optimal parameters through the control of different process parameters and orthogonal analysis by plasma spraying process And also microstructure and fracture of the plasma sprayed coating were investigated by means of EDS and XRD NiCr Cr3C2 is used as the spray powder in this experience NiCr Cr3C2 with high wear resisting Corrosion high temperature oxidation resistance sprayed to the substrate surface will greatly improve the performance of the substrate surface It is of great significance for improving the life of the roller Key words roller plasma spray NiCr Cr3C2 coating orthogonal analysis 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 前言 1 1 2 轧辊 1 1 2 1 轧辊的应用及分类 1 1 2 2 轧辊的失效方式 2 1 2 3 轧辊的修复技术 3 1 3 热喷涂技术 4 1 4 等离子喷涂 5 1 4 1 等离子喷涂的基本原理 5 1 4 2 等离子喷涂的主要特点 6 1 4 3 等离子喷涂的工艺参数 6 1 4 4 涂层的结合机理 7 1 4 5 等离子涂层的功能 8 1 5 等离子喷涂工艺在国内外的研究现状及发展趋势 9 1 6 研究内容 10 第二章第二章 实验设备及试验方法实验设备及试验方法 11 2 1 实验材料 11 2 2 实验设备 11 2 3 试验原理及方法 12 2 3 1 实验原理 12 2 3 2 试验方法 12 第三章第三章 实验结果与正交分析分析实验结果与正交分析分析 15 3 1 前言 15 3 2 原始试样分析 15 3 2 1 原始试样成分 15 3 3 试验结果及正交分析 15 3 3 1 正交试验结果分析 18 3 3 2 影响因素主次分析 19 第四章第四章 显微组织与力学性能分析显微组织与力学性能分析 20 4 1 前言 20 4 2 显微组织分析 20 4 3 力学性能分析 25 结论结论 27 致谢致谢 28 主要参考文献主要参考文献 29 第一章第一章 绪论绪论 1 1 前言前言 轧辊是实现轧制过程中金属变形的直接工具 它的质量和使用寿命直接关系到冶 金企业的生产效率 产品质量及生产成本 同时轧辊也是冶金企业的主要消耗部件 在轧钢生产成本中占很重的比例 1 轧辊的质量要求主要有硬度 强度 耐高温 耐 腐蚀等 大多数情况下 轧辊失效的原因是表面的破坏 因此为了提高轧辊质量和使 用寿命 对轧辊表面进行修复和强化具有重要的经济意义 自 20 世纪 80 年代 随着超音速火焰喷涂为典型代表的新型热喷涂技术的问世 由于其超高的焰流速度和相对较低的温度 在高性能涂层制备方面显现出明显技术优 势 使得超音速喷涂技术成为了一类最有活力 最有发展前景的热喷涂技术 目前超 音速喷涂主要有超音速电弧喷涂 超音速火焰喷涂 超音速等离子喷涂以及超音速微 弧等离子喷涂等 它们的成功开发进一步拓展喷涂技术在航空 航天 机械 石油 化工 电子 兵器 冶金 能源 轻纺 造船等国民经济的各个领域中的应用 并且 在国民经济各个部门中所占的地位也越来越显著 超音速等离子喷涂技术是当今热喷 涂技术领域的重点发展方向之一 由于具有焰流温度高 射流速度快等特点 超音速 等离子喷涂技术几乎可以喷涂任何粉末材料 且能够制备出高质量的涂层 特别是高 质量的陶瓷涂层 高效能超音速等离子喷涂技术在国防 工业及航空航天等重要领域 有着广泛的应用前景 已成为高科技维修 制造与再制造的关键技术 1 2 轧辊轧辊 1 2 1 轧辊的应用及分类轧辊的应用及分类 轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件 利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧 碾钢材 它主要承受轧制时的动静载荷 磨损和温度变化的影响 轧辊可分为铸铁系 轧辊 铸钢系轧辊和锻钢系轧辊 1 铸铁系轧辊 铸铁系轧辊的含碳量在 2 5 3 5 左右 按主要材质可分为普通铸铁轧辊 高镍 铬无限冷硬复合铸铁轧辊 高铬复合铸铁轧辊和合金球墨铸铁轧辊四大类 铸铁轧辊 中常见的组织可分为基体 渗碳体 石墨三大类 基体组织主要氏体 铁素体 珠光 体 贝氏体和马氏体 石墨在铸铁中的形态一般有片状和球状两种 2 铸钢系轧辊 铸钢系轧辊可分为两类 钢轧辊 含碳量 0 4 1 4 和半钢轧辊 含碳量 1 4 2 4 钢轧辊含碳量低 故硬度较低 其组织一般由铁素体和珠光体组成 随着含 碳量增加 铁素体量减少 珠光体量增加 为提高硬度 可加入 Cr Ni Mo 等合金 元素 或者进行特殊热处理 由于钢轧辊具有高的抗拉强度和韧性 适用于轧制温度 高 轧制载荷大的开坯轧机或初轧机 也可用做支撑辊 半钢轧辊含碳量在铸钢辊和铸铁辊之间 其组织主要由珠光体构成 并含有一定 的碳化物 因此 其强度比铸钢轧辊稍高 比铸铁轧辊低 其硬度比一般铸钢轧辊高 半钢轧辊的最主要特点是内部硬度降落很小 因此 特别适用于制造深孔型轧辊 同 时广泛应用于型钢轧机粗轧和精轧机架 热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作辊 半 钢轧辊材质中若增加硅含量 通过石墨化处理 具有高的抗热裂性和强韧性 作为初 轧机开坯轧辊 大型型钢粗轧辊 开坯连轧机轧辊和热轧带钢连轧机立辊 可获得良 好的轧制效果 3 锻钢系轧辊 锻钢系轧辊通过冶炼 锻造 热处理 使轧辊辊身工作层具有均匀一致高硬度 高耐磨性和优良的抗事故能力 同时保证轧辊辊颈和辊身芯部具有一定的强度和高的 韧性 按使用条件 锻钢轧辊可分为锻钢热轧辊及锻钢冷轧辊 锻钢热轧辊主要用于热 轧开坯及型钢粗轧辊 锻钢冷轧辊被广泛用于冷轧辊 锻钢冷轧辊使用要求高 辊身 表面必须具有高而均匀的硬度 以保证冷轧带材或钢板的尺寸精度和良好的表面质量 辊身具有一定的淬硬层深度 具有高的抗事故能力 为此 对轧辊的原始组织要求很 严 一是纯净的冶金质量 二是组织的均匀性 1 2 2 轧辊的失效方式轧辊的失效方式 轧辊的失效方式主要有辊身断裂 辊颈断裂 辊面麻点 剥落及磨损 轧辊可分 为热轧和冷轧两种 不论是冷轧还是热轧都是以剥落及磨损为主 其中磨损失效占更 大比例 对冷轧辊而言 轧制负荷一般较高 磨损形式主要以磨粒磨损为主 热轧辊轧 制过程中 轧辊表面与高温轧件和冷却水交替发生作用 变形时辊缝中又夹杂大量氧化 铁皮 因此热轧辊以粘着磨损 磨粒磨损与腐蚀磨损等形式同时存在 冷轧辊在工作 过程中要承受很大的轧制应力 加上轧件的焊缝 夹杂 边裂等问题 容易导致瞬间 高温 使冷轧辊受到强烈热冲击造成划伤 裂纹 粘辊 剥落甚至报废 2 因此 冷轧 辊要有抗弯曲应力 扭转应力 剪切应力引起的开裂和剥落的能力 同时也要有高的 耐磨性 高的接触疲劳强度 高的断裂韧性和热冲击强度等 根据轧机及轧制位置的 不同 热轧辊一般可分为 初轧辊 钢坯连轧辊 型钢轧辊 中厚板轧辊 线材轧辊 带钢热轧辊等 3 热轧辊的轧制温度较高 轧辊工作时承受较大的冲击力 在冷热交替 状态下易产生冷热疲劳裂纹 破坏形式主要有 4 6 磨损 表面裂纹 龟裂 起皮剥落 掉渣 粘辊 辊颈扭断等 其中 70 以上以磨损失效为主 而热疲劳裂纹边缘剥落加 剧磨损失效 1 轧辊的主要质量要求有强度 硬度 耐热性及耐用性 无论热轧或冷 轧 轧辊的失效方式是以磨损和剥落为主 其中磨损占相当大的比重 轧辊的磨损失 效会给生产带来很大的损失 尤其是在严重磨料磨损条件下大量使用的冷硬铸铁轧辊 其寿命周期按正常班次计算仅三个月 7 由于轧辊报废 设备检修周期太短 给生产造 成了巨大的经济损失 1 2 3 轧辊的修复技术轧辊的修复技术 目前轧辊的表面修复与强化技术主要包括轧辊表面的喷涂 堆焊 激光强化等 其中堆焊和喷涂技术已在冶金行业得到广泛应用 喷涂是利用喷涂设备将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融化状态 并将 加速形成的熔滴高速喷向基体形成涂层 涂层具有很高的硬度 耐磨 耐蚀和耐氧化 性 从而达到修复轧辊表面的目的 堆焊是在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨 耐蚀 耐热等性能金属层的焊接 工艺 堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法 越来越广泛地应用于重 要零部件的修复 是轧辊修复的一种重要途径 激光强化是利用高密度的能量输入 使轧辊表面瞬时达到高温 而后随着激光束 的移动 表面温度又快速下降 从而造成轧辊表面的组织改性 轧辊的激光强化与修 复技术主要为激光淬火 激光熔凝 激光合金化 激光熔覆 1 3 热喷涂技术热喷涂技术 热喷涂技术是表面工程中的一个重要分支 在表面技术中占有重要地位 它是通 过火焰 电弧或等离子体等热源 将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融化状 态 并将加速形成的熔滴高速喷向基体形成涂层 涂层具有耐磨损 耐腐蚀 耐高温 和隔热等优异性能 并能对磨损 腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复 热 喷涂技术的应用主要包括 长效防腐 机械修复及先进制造技术 模具制作与修复 制造特殊的功能涂层等四个方面 目前 热喷涂技术已广泛应用于几乎所有工业领域 以及家庭用品 如不粘锅 红外线保健电热器等 热喷涂技术是材料表面强化与保 护的重要技术 增加材料表面硬度和耐磨性一直以来都是热喷涂领域的主要研究方向 利用热喷涂技术制备耐磨涂层 防止机械设备零部件失效并提高其寿命 已经得到广 泛应用 热喷涂以热源形式可分为四大类 火焰喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂和特种 喷涂 8 10 1 火焰喷涂 火焰喷涂技术分粉末火焰喷涂和丝材火焰喷涂 其中在制备热障涂层研究中多以 粉末喷涂为主 喷涂中通常使用乙炔和氧组合提供热量 也可以使用甲基乙炔 丙二 炔 MPS 丙烷 氢气或天然气 喷枪通过气阀引入乙炔和氧气 二者混合后在喷嘴处 产生燃烧火焰 喷枪上设有粉斗或进粉管 利用送粉气流产生的负压抽吸粉末 使粉 末随气流进入火焰 粉末在火焰中被加热熔化或软化后 在气流及焰流的作用下喷射 到基材表面形成涂层 2 电弧喷涂 电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属 用高速气 流把熔化的金属雾化 并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术 电 弧喷涂是钢结构防腐蚀 耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种 热喷涂方法 电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源 控制装置 电弧喷枪 送丝机及 压缩空气供给系统等组成 3 等离子喷涂 等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方 法 它采用刚性非转移型等离子弧为热源 一喷涂粉末材料为主的热喷涂方法 加热 熔化喷涂粉末 使之形成涂层 等离子喷涂包括大气等离子喷涂 保护气氛等离子喷 涂 真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂 等离子喷涂是所有的热喷涂工艺中灵活性最 强的一个 它可以产生足够的能量熔化任何材料 它具有 超高温特性 便于进行 高熔点材料的喷涂 喷射粒子的速度高 涂层致密 粘结强度高 由于使用惰性 气体作为工作气体 所以喷涂材料不易氧化 1 4 等离子喷涂等离子喷涂 1 4 1 等离子喷涂的基本原理等离子喷涂的基本原理 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源 将喷涂粉末材料加热到熔融或 半熔融状态 在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面 形成喷涂涂 层的一种热喷涂表面加工方法 首先根据工艺需要经进气管通入氮气 氩气或混入 5 15 的氢气 这些气体进入弧柱区发生电离 成为等离子体 钨极与前枪体有一段 距离 在电源的空载电压加到喷枪上以后 并不能立即产生电弧 需要在前枪体与后 枪体之间并联一个高频电源 高频电源接通使钨极端部与前枪体之间产生火花放电 引燃电弧 电弧引燃后 切断高频电路 引燃后的电弧在孔道中在机械压缩效应 自 磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下 电弧被压缩 形成非转移型等离子弧 11 温 度升高 喷射速度加大 此时往前枪体的送粉管中输送粉状材料 粉末在等离子焰流 中被加热到熔融状态 并高速喷打在零件表面上 撞击零件表面时熔融状态的球形粉 末发生塑性变形 粘附于零件表面 各粉粒之间也依靠塑性变形而互相结合起来 在 零件表面获得一定厚度的喷涂层 从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度 耐磨 耐 热 耐腐蚀 绝缘 隔热 润滑等各种特殊物理化学性能 以满足零件不同工作条件 的要求 图 1 1 等离子喷涂示意图 Fig 1 1 Schematic of plasma spray 1 4 2 等离子喷涂的主要特点等离子喷涂的主要特点 等离子喷涂除了具有和其他喷涂方法一样的优点 如零件尺寸不受限制 基体材 质广泛 加工余量小 可喷涂强化普通基材零件表面外 还具有以下优点 12 1 基体受热小 零件不变形 不改变热处理状态 由于喷涂时零件不带电 基 体金属不熔化 所以尽管等离子焰流的温度较高 但能量非常集中 等离子弧的轴向 温度梯度很大 一般零件温升不超过 200 摄氏度 零件不会发生变形 这对于修复薄 壁件 细长杆以及一些精密零件非常有利 由于在 200 摄氏度以下基体金属的热处理 性质不会发生变化 可以对一些高强度钢材实施喷涂 2 能够喷涂的材料广泛 图层的种类多 由于等离子焰流的温度高 可以将各 种喷涂材料加热到熔融状态 因而可供等离子喷涂的材料非常广泛 3 工艺稳定 涂层质量高 等离子喷涂的工艺参数都可以定量控制 工艺稳定 涂层再现性好 在等离子喷涂中 熔融状态的粒子飞行速度可达 180m s 480m s 甚至 更高 熔融微粒在和零件碰撞时变形充分 涂层致密 与基体的结合强度高 1 4 3 等离子喷涂的工艺参数等离子喷涂的工艺参数 等离子喷涂的工艺参数主要有电功率 送粉量 气体流量和喷涂距离以及盆腔移 动速度 基体金属的温度等 12 1 送粉量及电功率 送粉量和电功率这两个工艺参数是喷涂过程的主要参数又是需要经常变动的参数 而且这两个参数是互相联系的 在确定这两个参数时重点是保证二者的恰当匹配 当 送粉量不变时 若电功率过小 则粉末熔化不良 涂层中夹杂的生粉多 粉末撞击工 件时变形不充分 并有较多的粉末弹跳损失 沉积效率低 涂层质量下降 若电功率 过大 虽然粉末的熔化和撞击变形较好 但粉末受热氧化烧蚀严重 涂层中夹杂较多 烟尘 熔化粒子飞溅严重 同样会使沉积效率降低 涂层质量下降 对于一定牌号一 定粒度的粉末 送粉量的大小和电功率的值相适应 2 喷涂距离 粉末在等离子焰流中加热和加速都需要一段时间 因此应有一个合适的喷涂距离 喷涂距离过近 就会因粉末加热不良 撞击变形不充分而影响涂层质量 还会使零件 受等离子焰流的影响而严重氧化 同时也会使基体温度升高 造成热变形 喷涂距离 过远又会使已经加热到熔融状态的粉末在与零件接触时冷了下来 飞行速度也开始降 低 同样影响涂层质量 喷涂效率会明显降低 3 主气 二次气及送粉气的流量 通入喷枪用于压缩电弧并发生电离的气体称为主气 等离子喷涂常用 Ar 气等作为 主气 为了提高等离子弧的热焓常在离子气体中加入 N2 H2 称为二次气或次级气 用于带动粉末的气体称为送粉气 主气的流量是重要的工艺参数之一 直接影响到等 离子焰流的热焓和流速 继而影响涂层效率和涂层孔隙率等 气流过大或过小均会导 致喷涂效率的降低和涂层孔隙率的增加 气流量过大 离子浓度减少 过量的气体会 冷却等离子的焰流 使热焓温度下降 不利于粉末的加热 粉末熔化不均匀 使喷涂 效率降低 涂层组织疏松 孔隙率增加 气流量太小 会使喷枪工作电压下降使焰流 软弱无力 并容易引起喷嘴烧蚀 送粉气的流量对涂层质量影响也很大 对外送粉喷 枪而言送粉气对涂层质量的影响尤其严重 送粉气流量过小会使粉末难以到达焰流中 心 过大则会使粉末穿过焰流中心 产生严重的 边界效应 导致涂层疏松 结合强 度降低 4 喷枪移动速度 喷枪移动速度对涂层质量和喷涂效率的影响在一定的范围内并不明显 在一定送 粉量下喷枪移动速度或喷枪与工件的相对速度的快慢 意味着单位时间内 喷枪扫过 工件面积的多少或每次喷涂的厚度 所以调节喷枪速度实际上是控制每次喷涂的厚度 此外喷枪移动速度对工件的升温也有影响 为不使基体局部温升过高而造成热变形火 热应力过大 也希望在保证覆盖的前提下 用较快的喷枪移动速度 5 基体金属温度 基体金属温度是喷涂工艺的一项重要参数 多数工件在喷涂前 需要进行一定的 预热 目的是除去湿气 并使表面活化 有利于涂层与基体的结合 以控制基体相对 图层的热膨胀 1 4 4 涂层的结合机理涂层的结合机理 涂层的结合机理包括涂层与基体表面的结合及涂层内聚的结合 前者的结合强度 称为结合力 后者的结合强度称内聚力 研究和经验表明 涂层与基体表面间的 宏观 界面结合以机械结合为主 物理 化学结合为辅 涂层片层状颗粒之间的 微观 界面 结合可能属于物理 化学结合的成分更多一些 喷涂粉末被送粉气流载入等离子焰流 很快呈熔化或半熔化状态 并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形 粘 附在零件表面 各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接 从而获得良好的层状致密涂层 涂层与基体的另一种结合方式是冶金结合 通过粉末颗粒的熔化并与基体相互渗透而 结合 由于等离子喷涂火焰温度和速度极高 几乎可以熔化并喷涂任何材料 形成的 涂层结合强度较高 孔隙率低且喷涂效率高 使用范围广等很多优点 故在航空 冶 金 机械 机车车辆等部门得到广泛的应用 在热喷涂技术中等离子喷涂占据着最重 要的地位 1 4 5 等离子涂层的功能等离子涂层的功能 大致来说 涂层依照其主要用途可以分为保护性涂层和功能性涂层两类 11 等离 子喷涂涂层传统应用于耐磨 耐蚀 氧化 耐高温等领域 这些图层的制备技术已 在工业生产中得到广泛应用 近年来 新型的功能性涂层 如生物涂层 纳米涂层 超导涂层等正受到人们的重视 得到了迅速的发展 等离子涂层的典型性能是耐磨涂层和热障涂层 1 等离子涂层的耐磨性能 等离子喷涂可以提高工件的耐磨性 耐蚀性 热绝缘性 厚度可达 1mm 以上 NiCr Cr3C2具有良好的耐热耐蚀性 在金属碳化物中抗氧化能力最强 在空气中温度 为 1 100 1 400 才开始显著氧化 在高温条件下依然保持相当高的硬度 13 其他碳 化物如 Cr2C3 WC 和一些金属氧化物如 Al2O3 Cr2O3 TiO2 ZrO2等由于具有较高的 硬度而常用于制备耐磨涂层 2 等离子涂层的热障性能 热障涂层性能的提高主要通过两种途径实现 降低涂层的导热率和增加涂层的厚 度 热障涂层 TBCs 广泛应用于航空发动机等高温工作条件下的热屏蔽涂层 其厚 度一般小于1mm TBCs硬度高 化学稳定性好 可显著降低基材温度 从而提高发动 机效率 减少燃油损耗 延长使用寿命 典型的TBCs由金属结合层和陶瓷层组成 在 金属层中加入陶瓷 形成多层的由金属底层逐渐向陶瓷工作层过度的阶梯式梯度涂层 金属层多采用MCrAlY 主要作用是在底层于面层之间提供一粘结层 同时保护基体不 受氧化 腐蚀 TBCs的陶瓷层经常加入少量的Y2O3和Zr2O3作为隔热涂层 它的热膨胀 系数与金属基体匹配很好 导热率很低 漆涂层坚硬致密 抗高温燃气冲蚀和抗震性 能优异 等离子喷涂热障涂层由于工艺本身的特点 不可避免地存在着大量的气孔 气孔的存在有利于降低涂层的密度 并保证涂层具有较低的热导率 但是 由于涂层 整体为片层状结构 而且片层之间含有大量与基体表面平行的微裂纹 从而降低了涂 层的力学性能 并导致较差的结合力 在一定程度上限制了热障涂层的应用 14 1 5 等离子喷涂工艺在国内外的研究现状及发展趋势等离子喷涂工艺在国内外的研究现状及发展趋势 等离子喷涂在传统的耐磨 耐热 耐腐蚀和抗氧化方面已经有了广泛的应用 近 年来正试图在生物 超导和复合材料等高科技领域发挥特长 因而取得了一定的应用 喷涂耐高温陶瓷是目前发展的热点 而复合材料和金属间化合物的喷涂也有增大的趋 势 目前 国内外的等离子喷涂设备正朝着高能 高速的方向发展 设备的不断改进 将使可喷材料的范围更广 纳米涂层以及其它一些导热 导电 绝缘等功能涂层的制 备将是今后很长一段时间内发展的主要方向 今后等离子喷涂技术的研究应该集中在 以下几个方面 1 热喷涂涂层的主要性能取决于涂层中扁平粒子的层间结合和扁平粒子内部结 构 而粒子与基体碰撞后的扁平化过程主要受粒子碰撞速度 熔化状态等因素的制约 15 16 因此提高热喷涂射流的粒子的速度成为当今国内外热喷涂技术发展的趋势 2 涂层设计和喷涂工艺参数的优化 通过建立各种材料的喷涂工艺参数数据库 合理的模型预测涂层的性能 对涂层进行优化 3 应用于大面积长效防护技术 对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件采用喷 涂铝 锌及其合金涂层 代替传统的刷油漆的方法 实行阴极保护进行长效大气防腐 4 等离子弧或等离子火焰产生时 发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官 并 辐射出红外 紫外线等 对人眼 皮肤伤害极大 因此 需研究开发出能有效防止光 辐射 高噪音 有害衍生气体 粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机 从而从根本上 改善工作环境 17 1 6 研究内容研究内容 1 以涂层与基体的结合强度为指标 采用正交试验法研究工艺参数对涂层质量 的影响的影响大小并确定最有参数 2 通过扫描电镜观察不同参数条件下涂层的形貌 并通过 EDS 及 XRD 分析涂 层与基体的结合方式 3 测量基体与涂层的维氏硬度并与基体材料比较 第二章第二章 实验设备及试验方法实验设备及试验方法 2 1 实验材料实验材料 基体试样 GCr15 砂纸 E 7 高温结构胶 无水乙醇 棉签 NiCr Cr3C2 Cr3C2 75 NiCr 25 粉末 高纯 N2 高纯 Ar 2 2 实验设备实验设备 1 3710 型等离子喷涂系统 图 2 1 SG 100 型等离子喷枪 图 2 2 3710 型控制柜 Fig 2 1 SG 100 spary gun Fig 2 2 3710 control console 等离子喷涂设备比较复杂 是指能够产生高温热源 加热 熔化 雾化 加速被 喷涂材料 并在基体表面沉积形成涂层所用的装置总称 等离子喷涂设备主要包括 等离子电源 等离子喷枪送粉器 控制系统 气体流量控制系统 送粉率控制系统 和冷却水系统 机械手 旋转工作台 本课题使用的等离子喷涂系统为 Praxair 公司生产的 3710 型等离子喷涂系统 主 要包括 HF 2210 型等离子喷涂专用电源 SG 100 型等离子喷枪 3710 型控制柜 1264 型送粉器和 AMS3265 型制冷热交换器 上海的维肯螺旋空气压缩机等 等离子喷枪是 喷涂设备中的核心装置 等离子喷枪含阴阳两极 中间留有空隙通入等离子气体 同 时用循环冷却水保护枪体和阴极棒 SG 100 型等离子喷枪是一把可适用于许多应用的 80kw 的多态喷枪 送粉方式有枪内送粉和枪外送粉两种 本试验采用枪外送粉 3710 型控制柜可以控制两个送粉器和用于工件冷却等用途的辅助电路 控制柜具有安全自 锁 以防止在水 电及气路有故障时保护喷枪工作 2 其他主要设备 其他主要设备主要包括广东的 百通牌 喷砂机 CMT 5205电子万能试验机 XQ 2 金相试样镶嵌机 ZEISS大型金相显微镜 MH 5显微硬度计 日本电子JSM 6480扫描 电镜 INC牛津能谱分析仪 SAT 5100超景深测试仪 X射线衍射仪 JA 1202型电子 天平 切割机 抛光机 烘箱等 2 3 试验原理及方法试验原理及方法 2 3 1 实验原理实验原理 NiCr Cr3C2具有良好的耐磨 耐腐蚀 抗高温氧化性能 被大量用作金属表面保 护的热喷涂材料 Cr3C2 NiCr 粉由两种不同性能的组份构成 其中 NiCr 合金具有良好 的耐热耐蚀性 Cr C 系有 Cr3C2 Cr7C3和 Cr23C6三种化合物 其中 Cr3C2是最常见与 最重要的一种 Cr3C2是一种耐磨耐腐蚀和抗高温氧化的新型硬质合金 被称为 硬质 合金中的不锈钢 其抗高温氧化性好 耐腐蚀性和耐磨性好 硬度为 88 90HRC 与 WC Co 合金相当 并能保持到 600 而不明显下降 密度低 为一般 WC Co 合金的一 半 热膨胀系数与钢接近 这些碳化铬所具有的特点 使其在金属碳化物中抗氧化能 力最强 在空气中只有在 1100 1400 才开始显著氧化 在高温条件下依然保持相当 高的硬度 Cr3C2还具有很强的耐蚀性和耐磨性 本课题采用的 NiCr Cr3C2粉为 75 的 Cr3C2和 25 的 NiCr 构成 将 NiCr Cr3C2用等离子喷涂强化技术应用于铸钢轧辊的 表面强化 以提高其耐磨 耐蚀 耐热 抗高温氧化等性能 从而提高设备寿命 等离子喷涂设备的喷枪的钨电极 阴极 和喷嘴 阳极 分别接电源负极和正极 工件不 带电 通过高频火花引燃电弧 使供给喷枪的工作气体 Ar 或 N2 在电弧的作用下电离 成等离子体 在机械压缩效应 自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下 电弧被压 缩 形成非转移型等离子弧 送粉流输送粉末喷涂材料进人等离子弧 并被迅速加热 至熔融或半熔融状态 随等离子流高速撞击经预处理的基材表面 并在基材表面形成 牢固的喷涂层 将 NiCr Cr3C2粉末用于等离子喷涂到材料表面形成 NiCr Cr3C2涂层 将会大大提 高材料表面性能 2 3 2 试验方法试验方法 1 基体试样准备 选用厚度约为 10mm 直径约为 25mm 的圆柱形 GCr15 试样 对于经过初加工的基 体试样 首先要先进行打磨 去除表面杂质及油质物 用打磨砂纸粗磨 将打磨后的 试样及时擦干 以减少生锈 用酒精冲洗 然后将洗好的试样放入盛有酒精的烧杯中 进行超声波清洗 去除表面油污 清洗后吹干密封 清洗时需要带一次性塑料手套 2 喷砂粗化 试样清洗吹干后要用喷砂机进行喷砂粗化 粗化使用白刚玉砂进行 粗化处理的 目的是增加涂层于基材间的接触面 增加涂层与基材的机械咬合力 使净化处理过的 表面更加活化 以提高图等于基材的结合强度 同时 基材表面粗化还可以改变图层 中的残余应力分布 对提高图层的结合强度也是有利的 3 等离子喷涂强化 将喷涂设备预热 然后将粗化后的试样清洗晾干后测量好厚度并记录后 放到夹 具上 调整好喷涂距离 喷涂功率 送粉量 喷涂电流 主气等参数 之后开始喷涂 喷涂结束后测量试样厚度 计算涂层厚度 涂层厚度在 0 3mm 比较适宜 实验时以 Ar 作为主气 N2作为辅气 为了确定等离子喷涂工艺与 NiCr Cr3C2涂层性能之间的关系 提高涂层的质量 研究了等离子弧电流 电压 送粉速率 喷涂距离及主气流量等主 要工艺参数对涂层性能的影响规律 以便获得 NiCr Cr3C2金属陶瓷涂层的最佳等离子 喷涂工艺 17 4 测量涂层与基体试样的结合强度 图 2 3 拉伸试样的胶接 图 2 4 拉伸试验 Fig 2 3 Bonding tensile strength test sample Fig 2 4 Experience of tensile strength test 涂层结合强度是指涂层和基体材料表面之间的结合能力 是反映涂层质量的重要 力学性能指标 采用 E 7 高温结构胶作为胶接剂 将涂层与加载块胶接起来 如图 2 3 试样 所示 拉伸试样示意图如图 2 4 所示 E 7 高温结构胶为双组份环氧树脂 对铝 铜 钢 陶瓷 玻璃等材料都具有良好的粘结力 能长期在 200 左右的环境下使用 具有 良好的密封性 按质量配比为甲组分 乙组分 10 1 5 的比例调均匀后 抹于涂层与已 喷砂处理并清洗干净的加载块上 均匀挤压 然后置于自行设计的专用夹具中 静置 4 小时以后置于烘箱中 100 下烘 4 小时 使胶水固化 之后 将溢出的粘接胶清除干 净后 装夹于万能试验机上拉伸 直至断裂 来测量涂层与试样表面的结合强度 5 观察喷涂试样的金相组织 将圆柱形试样切成长方体小块 将小块镶嵌后标上号再依次进行打磨和抛光 依 次用 1 号 3 号 4 号砂纸打磨 之后用抛光机抛光直到表面无划痕 采用 ZEISS 大型 金相显微镜和 JSM 6480 扫描电镜观察涂层的显微组织结构 涂层与基体的结合情况 以及涂层中的微观缺陷 如孔洞 裂纹 夹杂物等 并用牛津 INCA 能谱仪对涂层进 行线扫描和对不同的区域进行点分析 分析涂层成分以及与基体之间是否存在元素扩 散 第三章第三章 实验结果与正交分析分析实验结果与正交分析分析 3 1 前言前言 以拉伸试验得到的涂层与基体的结合强度为指标 采用正交分析法 比较极差大 小 及对位极图的分析 从而找出影响因素的主次顺序 根据绪论中的理论分析选择 喷涂距离 主气流量 送粉速率 功率这四个参数来做正交试验 对 Cr3C2 NiCr 涂层 正交表进行四因素三水平的正交试验 采用极差分析 21 得出影响因素的主次顺序 找出最优组 优化等离子喷涂工艺参数 3 2 原始试样分析原始试样分析 基体试样为 GCr15 即铬平均含量为 wcr 15 的铬滚动轴承钢 该钢是一种合金 含量较少 具有良好性能 应用最广泛的高碳铬滚动轴承钢 经过淬火加回火后具有 高而均匀的硬度 良好的耐磨性 高的接触疲劳性能 该钢冷加工塑性中等 切削性 能一般 焊接性能差 对形成白点敏感性大 有回火脆性 喷涂粉末为 NiCr Cr3C2 其中 NiCr 合金具有良好的耐热耐蚀性 Cr3C2还具有很 强的硬度 耐蚀性 耐磨性和高温抗氧化性 3 2 1 原始试样成分原始试样成分 表 3 1 GCr15 的化学成分 Tab 3 1Chemical composition of GCr15 wt 表 3 2 Cr3C2 NiCr 成分 Tab 3 2 Composition of Cr3C2 NiCr 化学成分Cr3C2NiCr 含量 7525 3 3 试验结果及正交分析试验结果及正交分析 在等离子喷涂中 对涂层性能影响大的因素很多 难以通过全面试验考察各因素 化学成分 C Mn Si S P Cr 元素含量 0 95 1 050 21 0 400 15 0 35 0 020C A B 最优参数 A2B1C1D1 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 10 20 30 40 50 60 结合强度 MPa 因素的位极 图 3 6 因素效应关系图 Fig 3 6 The factor effect diagram 3 3 1 正交试验结果分析正交试验结果分析 1 功率 功率是影响喷涂效果的最主要因素 在本试验采用的功率中 采用小功率 20kw 喷 涂的涂层与基体的结合强度大于功率 30kw 的喷涂的涂层与基体的结合强度 这是因为 当送粉速率一定时 功率过大 粉末受热氧化烧蚀严重 涂层中夹着较多烟尘 熔化 粒子飞溅严重 使沉积效率降低 涂层质量下降 但是功率过小会使粉末熔化不良 涂层中夹杂的生粉多 撞击时变形不充分 有较多的粉末弹跳损失 沉积效率低 从 而涂层质量也不好 在本实验中采用的功率 20kw 是最优的功率 2 送粉速率 送粉速率与功率是相互配合的 本实验中当送粉量过大为 30g min 1时 离子浓度 减少 过量的气体会冷却等离子的焰流 使热焓温度下降 不利于粉末的加热 粉末 熔化不均匀 使喷涂效率降低 涂层组织疏松 孔隙率增加 从而影响喷涂质量 本 实验采用的送粉速率 20g min 1与功率为 20kw 是恰当匹配的 3 喷涂距离 本实验采用的喷涂距离为 105mm 的喷涂质量最好 这是因为喷涂距离较小 为 90mm 时 因粉末加热不良 撞击变形不充分而影响涂层质量 还会使零件受等离子 焰流的影响而严重氧化 同时也会使基体温度升高 造成热变形 喷涂距离过远 为 120mm 时 使已经加热到熔融状态的粉末在与零件接触时冷了下来 飞行速度也开始 降低 同样影响涂层质量 喷涂效率会明显降低 4 主气流量 本实验中 主气流量为 60L min 喷涂的涂层质量最好 因为 流量过大 离子浓 度减少 过量的气体会冷却等离子的焰流 使热焓温度下降 不利于粉末的加热 粉 末熔化不均匀 使喷涂效率降低 涂层组织疏松 孔隙率增加 从而影响涂层质量 3 3 2 影响因素主次分析影响因素主次分析 由正交表极差分析及元素位极图可以得出工艺参数对结合强度的影响大小依次为 功率 送粉速率 喷涂距离 主气流量 从极差值来看 功率是影响结合强度的最主要因 素 极差达到 42 103MPa 送粉速率对结合强度影响处于第二位 极差为 13 674MPa 喷涂距离次之 极差为 13 353MPa 主气流量对结合强度影响最小 极差仅为 8 947MPa 其中的第二组参数为 A2B1C1D1 性能最好 为最优参数 第四章第四章 显微组织与力学性能分析显微组织与力学性能分析 4 1 前言前言 Cr3C2 NiCr 粉末经过喷枪喷涂到基体表面 粉末在喷涂过程中高温熔化 撞击到 基体表面 形成涂层 涂层中会存在三种主要孔隙 分别由气泡 生粉夹杂和熔滴层 叠产生的孔隙 在扫描电镜下 气泡产生的孔隙周围比较圆润 无明显棱角 由生粉 夹杂产生的孔隙 中间存在无变形的粒子 周围存在很大的疏松组织 由熔滴层叠产 生的孔隙形状比较狭长 经过显微硬度试验测得 涂层表面硬度远大于基体表面硬度 对于提高轧辊表面硬度具有重要意义 4 2 显微组织分析显微组织分析 1 原始粉末形态 在扫描电镜下原始粉末形态为表面粗糙 直径约几十微米的颗粒状或不规则的球 形 图 4 1 Cr3O2 NiCr 原始粉末形貌 Fig 4 1Shape of originalCr3O2 NiCr powder 2 涂层表面微观形貌 4 2 NiCr Cr3C2涂层形貌 Fig 4 2 Shape of NiCr Cr3C2 coating 由图 4 1 和图 4 2 比较可以看出 NiCr Cr3C2粉末喷涂到基体表面后 粉末颗粒形 状由于受热熔化和与基体的撞击而发生变形 喷涂后的涂层中的 NiCr Cr3C2变得更加 扁平 致密 3 涂层拉伸断面 图 4 3 试样断裂后的宏观断口形貌 Fig 4 3 Fracture of bonding strength test 图层与基体断裂有两种情况 涂层与基体结合强度较高导致涂层间断裂 如图 4 3a 所示 涂层与基体的结合强度低于涂层间的结合强度 导致涂层与基体粘结处断裂 如图 4 3b 所示 4 涂层微观形貌 a 涂层间断裂 b 涂层与基体 粘结处断裂 图 4 4 NiCr Cr3C2涂层显微组织形貌 Fig 4 4Microstructure of NiCr Cr3C2 coatings 图 4 4 可以看出 涂层具有一定的孔隙 孔隙形状不规则 分布也不规则 涂层 的孔隙率受多种因素的影响 粉末的形状 大小 物理特性以及喷涂工艺参数等都会 影响涂层的孔隙率 孔隙的形成机制主要有变形粒子间的不完全重叠 气孔的形成和 凝固收缩三种 涂层是由粉末粒子在等离子焰流中加热加速后撞击基体或已沉积涂层 变形而相互堆叠形成的 在堆叠过程中 粒子往往难以完全重叠 特别是温度和速度 较低的粒子 变形不充分 更易产生不完全重叠 从而形成孔隙 熔化的粒子内溶解 了一定的气体 在涂层的形成过程中 喷涂粒子从液态变为固态是一个极快的凝固过 程 当部分气体来不及从粒子内逸出 便留在变形粒子内形成气孔 喷涂材料的液态 密度与固态密度不同 当两者相差较大时 变形粒子凝固时会发生收缩 在收缩过程 中 就会形成孔洞 这种收缩孔洞一般都比较小 此外 高温高速的熔滴撞击基体时 产生溅射形成孔隙 熔滴蒸汽冷凝时也会形成孔隙 22 图 4 4 中 A 处的孔洞是由于气孔而形成的孔隙 由于气孔形成的孔隙都在扁平 喷涂粒子的内部 一般比较小 且形状比较圆润 往往没有比较分明的棱角 具有金 属收缩的特点 B 处孔隙呈扁条状 跨在两相邻粒子上 是由于喷涂粒子的不完全重 叠造成的孔隙 图中 C 处 可看出一个比较圆整基本无变形的粒子周围存在较大范围 的疏松 根据其形状 尺寸等特点并比对原始粉末颗粒 可判断该孔隙为夹生粉末颗 粒夹杂在涂层中造成的疏松孔隙 B A C 基基 体体 涂层涂层 图 4 5NiCr Cr3C2 涂层组织形貌 2 Fig 4 5 Microstructure of NiCr Cr3C2 coating 2 图4 5 中 2 涂层采用的喷涂功率最低 涂层粉末熔合不好 有生粉夹杂 涂层间存 在许多孔隙 但涂层涂层与基体结合较好 图 4 6 NiCr Cr3C2 涂层组织形貌 3 Fig 4 6Microstructure of NiCr Cr3C2 coating 3 图4 6中3 涂层采用的喷涂功率最高 涂层粉末熔化较好 孔隙少 但是大功率容 易使粉末过烧 涂层与基体间产生明会显界线 从而导致涂层与基体的结合强度低 图 4 7 NiCr Cr3C2 r 涂层组织形貌 6 Fig 4 7Microstructure of NiCr Cr3C2 coating 6 基体基体涂层涂层 涂层涂层 涂层涂层 基体基体 涂层涂层 涂层涂层基体基体 涂层涂层 图 4 7 中6 涂层采用的喷涂功率介于 2 试样和 3 试样之间 此涂层孔隙涂层较 3 试样多 涂层与基体的结合强度介于试样 2 试样和试样 3 试样之间 图 4 8NiCr Cr3C2涂层线扫描分析 Fig 4 8 Line scan analysis of NiCr Cr3C2 coating by plasma spraying 图 4 8 为 NiCr Cr3C2涂层与基体两侧 EDS 线扫描结果 从中可以看出 在 NiCr Cr3C2喷涂层与基体的界面处 Ni 和 Cr 元素含量出现突变 涂层与基体之间没有元素的 相互扩散现象 这说明 等离子喷涂时 尽管焰流温度很高 粒子受热熔化状态较好 速度也较快 具有较高的能量 但熔融粒子撞击到基体表面时 急速冷却 凝固 喷 涂粒子所具有的热量大部分被快速散失 不能使基体表面熔化 高温停留时间极短 因而 几乎没有元素之间的相互扩散现象 23 同时从涂层与基体的微观形貌也可看出 涂层与基体存在明显界限 因此涂层与基体的结合基本没有出现冶金结合 属于机械 结合 由图 4 9 基体 粉末和涂层断口的 XRD 可以看出原始 Cr3C2 NiCr 粉末主要以 Ni Cr3C2及 Ni Cr 组成 在涂层断口处 仍主要以 Ni Cr3C2及 Ni Cr 组成 并未发 现基体材料中的相 说明未发生涂层与基体的相互熔合渗透 说明在制备 Cr3C2 NiCr 涂层过程中并没有发生明显的相变 涂层中的硬质相仍为 Cr3C2相 涂层的抗磨损能力 不会降低 综合可以看出 Cr3C2 NiCr 涂层与 GCr15 基体的结合主要为机械锚合 Chromium Ka1 Nickel Ka1 Iron Ka1 20304050607080 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 intensity 2therat A Fe B Fe Cr A A B B 304050607080 0 50 100 150 200 250 C C B B B B B intensity 2therat A Ni BCr3C2 CNi Cr A A A B B C 20304050607080 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180