电弧喷涂制备涂层刀具工艺研究

电弧喷涂制备涂层刀具工艺研究摘要：本文用电弧喷涂技术在45号钢基体上制备涂层。采用实心丝材1Cr13作为燃烧丝，配合ALO陶瓷粉进行喷涂，制备金属基陶瓷复合涂层。采用正交试验方案，利用SEM对涂层的显微组织结构、性能进行了分析。复合涂层为典型的层状结构。影响涂层结合强度的工艺参数由主到次依次为喷涂电流、雾化空气压力、喷涂距离和喷涂电压；影响涂层显微硬度的工艺参数由主到次是喷涂电流、喷涂距离、喷涂电压、雾化空气压力。复合涂层的磨损机制主要为硬质颗粒的脆性脱落，同时伴随着磨粒磨损。在金属相涂层中添加硬质相能显著提高涂层显微硬度。关键词：电弧喷涂，涂层，组织，性能，工艺参数ThearcsprayingcoatingpreparationtooltechnologywasstudiedAbstract:Inthispaper,coatingsweresprayedonthesubstrateofsteel45byarcsprayingusingoptimizedprocessparameter.Usingasolidwire1Cr13astheburningofwiretomeettheoutgoingcarryoutALOarcsprayingceramicpowdertopreparemetalmatrixceramiccompositecoatings.TheschemeoftheorthogonalexperimentusingSEMarc.sprayedcoatingmicrostructureontheorganizationalstructureofthewornsurfacewereanalyzed.Microstructureofthecompositecoatingshowedatypicallayeredstructure.Processparameterswhicheffectthecombiningstrengthofthearcsprayedcoatingare(frommaintominorinturns)sprayingcurrent,atomizingairpressure,sprayingdistance,andsprayingvoltage.Processparameterswhicheffectthemicro.hardnessofthearcsprayedcoatingare(frommaintominorinturns)sprayingcurrent,sprayingdistance,sprayingvoltage,atomizingairpressure.Thewearmechanismofcompositecoatingaremainlyfallsoffthebrittlenessofhardparticle,atthesametimeaccompaniedbyabrasivewear.Hardphaseisaddedinthemetallicphasecoatingcansignificantlyincreasethecoatingmicrohardness.KEYWORDS:arcspraying,coatings,organization,performance,processparameters目录1绪论.11.1热喷涂技术.11.2电弧喷涂.21.2.1电弧喷涂的原理及特点.21.2.2电弧喷涂涂层的形成过程.31.2.3涂层的结合机理.51.2.4电弧喷涂工艺过程和工艺参数.51.3电弧喷涂的发展趋势.71.4本课题研究意义及内容.92电弧喷涂涂层的制备及试验方法.102.1涂层的制备工艺.102.1.1电弧喷涂的设备.102.1.2喷涂工艺参数.102.1.3电弧喷涂材料.112.2电弧喷涂涂层表征仪器及实验方法.112.2.1电弧喷涂涂层检测仪器.112.2.2涂层硬度的测定.122.2.3涂层结合强度的检测.122.2.4涂层磨损性能实验.133涂层组织结构的研究.143.1正交试验方案设计.143.2电弧喷涂工艺参数对涂层组织的影响.153.2.1喷涂电压对涂层组织的影响.153.2.2雾化空气压力对涂层组织的影响.163.2.3喷涂距离对涂层组织的影响.183.2.4喷涂电流对涂层组织的影响.194涂层性能的研究.204.1涂层的显微硬度.204.1.1涂层显微硬度分析.204.1.2各因素对显微硬度的影响.234.1.3涂层显微硬度的分布.244.2涂层的结合强度.254.2.1拉伸试验及实验结果.254.2.2工艺参数对结合强度的影响.274.2.3涂层厚度对结合强度的影响.284.3涂层的耐磨性.294.3.1涂层的干摩擦试验.294.3.2复合涂层的磨损机理.32结论.34参考文献.36致谢.3711绪论1.1热喷涂技术热喷涂工艺已成为材料表面改性、表面强化和保护的新技术之一。热喷涂技术是利用特定的热源将喷涂材料加热熔化或软化，并借助自身的动力或外加气流将熔滴加速，以一定的速度喷射到表面经过净化或粗化的工件表面形成涂层的工艺方法。其工艺方法的多样性、涂层种类的广泛性和应用上的经济性是该技术最突出的优点。从大型钢结构件的防护，到近代生物工程、纳米技术等高新技术领域，都可发挥其独特的作用。因此，热喷涂技术的应用领域已遍及航空航天、机械冶金、交通运输、石油化工、煤炭电力和纺织造纸等各个工业部门。热喷涂材料的分类有多种，通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等；按材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料及陶瓷复合粉、生物材料；按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。目前，为了满足对材料多功能、高性能等的要求，多种材料的复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。根据喷涂热源来分，热喷涂有四种基本方法：等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂和特殊喷涂。等离子喷涂是以等离子电弧为热源的热喷涂，电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂，火焰喷涂是以气体火焰为热源的热喷涂。热喷涂过程中，喷涂材料的粒子被热源加热到熔融状态或高塑性状态，在外加气体压力或在焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的颗粒与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时因急冷而快速凝固，颗粒逐层沉积而成涂层。电弧喷涂技术是热喷涂技术的一种，也是表面工程的重要组成部分。在近40年的发展历程中，随着喷涂设备、喷涂材料和喷涂工艺的不断发展与更新，电弧喷涂技术得到了飞跃性的发展和推广应用，已成为热喷涂领域中最引人注目的技术之一。据有关资料统计，到20世纪末，在所有热喷涂技术中，电弧喷涂的技术应用比例占15%，其市场比例排第3位5。在近十年里，电弧喷涂设备不断发展，应用广泛。防磨损涂层是电弧喷涂最主要的一种应用。滚轮，机轴，车轴，齿轮箱之类的机器零件在安装前都要喷涂。电弧喷涂也用于磨损部件的修复。电2弧喷涂防腐涂层用于管道，锅炉，海上平台，大桥以及混凝土和其他金属结构中的钢筋。美国海军也广泛使用电弧喷涂进行船体建造和维修。电弧喷涂在维修涡轮机叶片时已被证明十分有效。汽车业也用电弧喷涂技术对发动机和其他汽车部件进行喷涂5。1.2电弧喷涂1.2.1电弧喷涂的原理及特点电弧喷涂是利用两根连续送进的金属作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，利用压缩空气将熔化的丝材雾化，并以高的速度喷向工件表面形成涂层的一种热喷涂方法。其工作原理如图1所示。喷涂时，两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置均匀连续的分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正负极并保证两根丝材在未接触前的可靠绝缘。当两根金属丝材端部由于送进而相互接触时，发生短路而产生电弧，使丝材端部瞬间熔化，压缩空气将熔融金属熔化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。喷涂及形成过程如图1所示。3图1电弧喷涂原理图1一直流电源2一丝盘3一金属丝4一送丝滚论5一导电快6一导电嘴7一空气喷嘴8一压缩空气9一电弧10一喷涂粒子11一涂层12一工件高速电弧喷涂技术具有以下特点：(1)涂层结合强度较高、硬度高、孔隙率低电弧喷涂时，熔滴温度可达6000以上，微熔滴加热温度、喷射速度都比火焰喷涂时高，因此粒子的动能和热能都比较高，从而获得较高的结合强度和涂层强度。试验证明，电弧喷涂的结合强度约是火焰喷涂层的2.5倍。电弧喷涂形成的涂层硬度要比喷涂材料高30%一80%。电弧喷涂涂层的孔隙率小于8%，低于火焰喷涂所得的涂层的孔隙率。(2)生产率高、安全可靠电弧喷涂的生产率正比于喷涂电流，它的高效率表现在单位时间内喷涂金属的用量大。(3)能源利用率高，喷涂成本低电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法，而能源费用降低50%以上。除它的能源利用率很高外，加之电能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷涂的1/5一1/10，等离子喷涂成本的1/5一1/20，而其喷涂效率却提高了近一倍。(4)设备造价低、使用维修方便、便于现场施工电弧喷涂设备成本只有等离子喷涂设备的1/4一1/6。而且电弧喷涂设备体积小、重量轻、移动方便、易损件少，维修方便，易于现场施工。1.2.2电弧喷涂涂层的形成过程电弧喷涂涂层形成过程比较复杂，涉及流体力学、空气动力学、冶金热力学、4传热学等领域，另外喷涂工艺参数如喷涂电压、喷涂电流、空气压力、喷涂距离等也对涂层的形成有一定的影响。尽管各种喷涂和喷焊方法所用热源、涂层质量即结合强度有所差异，但其喷涂过程、喷涂时粒子流的特点、涂层的成分与涂层的结合机理却基本相同。喷涂材料从进入热源到形成涂层，整个喷涂过程要经历以下阶段：（1）喷涂材料的加热和熔化电源的正负极分别和一根金属丝相连，并与喷嘴端部形成一定的角度。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度是两根金属丝间产生电弧，电弧区可产生高达4000K6000K的高温，两根金属丝端部熔化成熔滴，雾化气流的拖拽作用使熔滴被雾化，加速喷射到基体的表面。（2）熔滴的雾化熔滴的雾化效果直接影响到涂层的质量，因此喷涂中一个重要的参数就是与物化有关的气体压力。雾化气流在喷涂中起两个作用：一是将熔化的金属从丝材端部剪开并雾化成熔滴；二是为雾化熔滴提供飞行动力。雾化气体的压力在一定程度上影响到了电弧的稳定性、熔滴的形成及雾化的效果。（3）熔滴的飞行离开热源的高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段属于粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离开喷嘴距离的增大而发生如下变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小变大，达到一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面是即进入喷涂阶段。（4）涂层的形成具有一定速度的熔融粒子高速飞行，遇到基体表面的阻碍会产生强烈碰撞，粒子的动能转化成热能并部分传给基体，同时微细粒延凸凹不平的表面产生变形，变形的粒子迅速冷却、收缩、凝固，呈扁平状黏结在基体表面。喷涂过程中金属丝材端部不断熔化.脱离.雾化，而这一过程产生的粒子束源源不断的运动并冲击5基体表面，产生碰撞-变形-冷凝-收缩过程，变形的粒子与基体表面之间，以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起，从而形成涂层。涂层形成过程如图1.2所示。图1.2涂层形成过程图1.3为典型电弧喷涂层横截面结构示意图，由图可以看出，典型的涂层是由扁平颗粒、氧化物、孔隙等组成。图1.3电弧喷涂层横截面结构示意图1.2.3涂层的结合机理涂层的结合包括涂层和基体表面的结合及颗粒之间的结合。涂层与基体表面的结合强度称为结合力；颗粒之间的结合强度称为内聚力。大量的研究表明，这类结合有三种形式：6（1）机械结合高速熔融的粒子与经过净化和粗化处理的工件表面撞击后产生变形，与凹凸不平的表面相互啮合，形成机械结合。颗粒的快速冷却及收缩进一步增强了结合。这是热喷涂涂层的主要结合形式。（2）冶金、化学结合涂层与基材表面之间相互扩散，在结合面上生成金属间化合物或固溶体，称为冶金或化学结合。（3）物理结合主要由范德瓦力或次价键形成的一种结合模式。1.2.4电弧喷涂工艺过程和工艺参数电弧喷涂工艺的一般过程为：喷涂预处理喷涂喷涂后处理。（1）喷涂预处理这一过程包括表面的清洗和粗化处理。清洗的目的是除去表面的污、油、锈等，采用的清洗方法一般有碱洗法、溶液洗涤法和蒸汽清洗法。对于基体表面的氧化膜可采用切削加工法、人工法和酸洗法去除。粗化通常选用的方法是喷砂，它是用高速压缩空气将砂粒喷射撞击到待喷涂基体表面上，使基体形成凹凸不平的粗糙表面的预处理工艺，可根据硬度的要求选择使用冷硬铁砂、氧化铝砂、氧化硅等。另外，对不适合喷砂的表面可采用钢刷刮刷或车削加工的方法。粗化后应尽快喷涂，避免二次氧化和污染。（2）喷涂涂层工件经预处理后，一般先在表面喷涂底层，检验合格后，然后再喷涂工作层。电弧喷涂是金属丝在喷枪口相交产生短路而引发电弧、熔化，通过压缩空气使熔融的液滴雾化，以一定的速度喷向工件表面，从而形成连续的涂层。（3）喷涂后处理为了改善涂层的质量，喷涂后应进行必要的处理。其方法主要有手工打磨、机械加工、封闭处理、高温扩散处理、热等静压处理及激光束处理等。手工打磨是用砂纸、抛光布等手工方法打磨涂层表面，以改善涂层表面的粗糙度；机械加工是用机床对涂层进行切削加工，以获得所需尺寸和表面粗糙度；封闭处理是用封闭剂对涂层进行孔隙的密封，以提高工件的防护性能。等静压处理是将喷涂后的工件放入高压容器中，冲入氢气后，加压加温，以使涂层和基体金属内存在的缺陷受热受压后得到消除及改善，进而提高涂层的质量及强度。7电弧喷涂的主要工艺参数有：喷涂电压、喷涂电流、雾化空气压力、喷涂距离等。（1）喷涂电压喷涂电压是指金属丝尖端之间的电弧电压，电压的有效控制可以保持雾化区几何形状的稳定。每种材料都有电弧稳定燃烧的电压值。喷涂电压越低融融的粒子尺寸就越小，但当低于临界电压，电弧就不能稳定的燃烧；喷涂电压越高，粒子的尺寸就越大，当高于临界电压时，材料的元素烧损程度大大增加，伴随着熔融颗粒的增大，沉积率逐渐下降。因此，在保证喷涂质量的前提下，应尽量降低电压值。（2）喷涂电流电流也是影响涂层质量的主要因素。当喷涂电流较小时，喷涂材料熔化得不充分，甚至出现未熔丝材，而且粒子变形也不充分；随着电流的增大，功率也随之增大，喷涂材料熔融良好，颗粒变形充分，有利于粒子之间的良好结合；但当电流过大时，由于喷涂材料的氧化严重，导致涂层中孔隙和夹杂物明显提高，致使涂层质量下降。因此，要准确定位电流区间。（3）雾化空气压力空气压力在很大程度上决定了喷涂粒子的雾化程度和飞行速度，粒子雾化越充分，所得到的涂层也越致密，得到的涂层的质量就越高。压力过小，导致粒子变形不充分，粒子之间不能很好的结合；压力过大，粒子物化的更细小，但同时也增加了粒子的氧化程度，降低涂层的质量。（4）喷涂距离喷涂距离是重要的参数之一，它决定颗粒撞击到零件表面的冲击力及涂层的温度。随喷涂距离的增加，粒子的速度不断的增加，但粒子的热能在不断减少，因此，综合考虑涂层质量，喷涂距离的范围一般在80mm200mm之间。81.3电弧喷涂的发展趋势电弧喷涂技术就是热喷涂技术的发展方向，在美国、日本、德国和西方主要发达国家已规定：不用电弧喷涂技术处理的钢结构是伪劣产品1。电弧喷涂技术重点应用于防腐、耐磨及特种功能。在近40年的发展后，尤其是在近20年，电弧喷涂技术得到了快速的发展，通过电弧喷涂技术可以制备耐磨又耐腐、致密、结合强度高的高质量涂层，目前接近等离子喷涂的水平，在国际上已部分取代火焰喷涂和等离子喷涂。据统计，在所有的热喷涂技中，电弧喷涂的应用市场比例已接近第三位。电弧喷涂技术的进步主要表现在喷涂材料、喷涂设备、喷涂理论三个方面研究所取得的成效。（1）喷涂材料的发展在电弧喷涂中，喷涂材料有多种多样，一般可分为实芯丝材和粉芯丝材。实芯丝材制造简单，成本较低，但性能单一，不能得到高性能的复合涂层。而粉芯丝材能够使涂层具有金属基复合材料的优质特性。20世纪70年代以来，粉芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料(陶瓷及碳化物)填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用，如AIO、TiO、TiB和CrC等。由于粉芯丝材的成分具有易调节、生产周期短、选材便利以及成本较低等优点，因此促进了电弧喷涂技术的发展。近来随着高合金和锌铝合金(85/15)丝材的出现，使电弧喷涂技术得到更快的发展。北京工业大学的方建筠、魏琪等人在20钢基体上喷涂含陶瓷TiB/AlO，TiB，CrC，TiB，CrC及TiB、CrC、AlO的管状喷涂丝材，采用光学显微镜对涂层的微观特性进行分析。结果表明，涂层中含有TiB、CrC、AlO、CrO等陶瓷相。通过对涂层常规性能测试表明，含TiB/AlO和CrC的涂层孔隙率较低、结合强度高、并具有优良的耐磨性及抗热震性18。贺定勇，张发云、蒋建敏等人采用电弧喷涂含TiC陶瓷粉末的粉芯丝材，在低碳钢基体上制备了铁基复合涂层。结果表明：采用电弧喷涂工艺可制备含TiC9陶瓷硬质相的复合涂层，在铁基体上弥散分布着一定量的TiC硬质颗粒，使整个涂层得到强化，涂层显微硬度平均值约为1137HV0.1，涂层的抗磨粒磨损性能较好，相对Q235钢提高了6倍17。他们又分别将WC、Cr3C2等碳化物陶瓷粉末与304不锈钢带轧制成2种粉芯丝材，采用电弧喷涂技术在Q235钢基体上制备铁基复合涂层。结果表明：碳化物陶瓷粉末的加入使涂层的硬度和耐磨性显著提高，涂层的平均显微硬度值高达11001200HV0.1，铁基复合涂层的耐磨性比Q235钢高1618倍18。（2）喷涂设备的进展为进一步拓宽电弧喷涂技术的应用范围，科研工作者在引进国外技术的基础上研制了适合我国国情的电弧喷涂设备，已开发出高速电弧喷涂(HVAS)、低压(真空)电弧喷涂、保护气体电弧喷涂、燃烧电弧喷涂(ComAr)、复合超音速电弧喷涂(SonArc)技术等；研制出新型电弧喷枪，提高了雾化效果，降低了涂层孔隙率；改进了喷涂电源，大大地提高了喷涂电源的稳定性；通过对喷涂设备的自动化改造，使计算机控制和机器人操作等技术在电弧喷涂中的实现成为现实。（3）基础理论及工艺的进展目前，对电弧喷涂技术的理论研究主要集中在:反应机理、温度场、速度场，粒子状态及影响因素，界面扩散及冶金反应、涂层性能及涂层质量的评定和计算及其模拟等方面。在受到挑战的同时，电弧喷涂也迎来了发展的机遇。正是由于电弧喷涂有较多的优点，使热喷涂中从事电弧喷涂研究的工作者产生了极大兴趣。科学技术的发展，在为其它技术领域注入活力的同时，也为电弧喷涂克服自身的缺点提供了新的技术途径。从提高压缩空气气流的速度出发，来提高喷涂粒子的速度，使粒子的速度达到或超过音速，进而提高电弧喷涂涂层与基体的结合强度，并同时降低孔隙率，这种发展机遇是一定会被人们抓住的。1.4本课题研究意义及内容伴随着制造业的发展，人们对当前机加工刀具的要求也越来越高，使得普10通高速工具钢和硬质合金刀具已不能胜任这些材料的机械加工，迫切需要一种耐磨性更高、寿命更长、能稳定实现高精、高效、长时间机械切削加工的超硬刀具。刀具表面涂层技术是根据市场需求而发展起来的表面改性技术。该技术可使切削刀具具备良好的综合性能，不仅可有效地延长刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高加工效率。涂层技术主要应用到基体为高速钢和硬质合金刀具中。其主要作用有:使刀具具有优良的耐磨性、红硬性、抗氧化性，即使在恶劣的加工环境下，其涂层薄膜与基体仍有良好的结合强度。因此，为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国都十分注重涂层技术的发展。如今，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%，其中数控加工设备对钢件铣削、钻、键等等加工，使用涂层刀具更达到90%以上。本课题主要内容：利用电弧喷涂制备涂层刀具。要解决的问题：（1）了解电弧喷涂原理；（2）了解制备涂层刀具的实验设备以及制备过程；（3）喷涂工艺参数对涂层组织的影响规律；（4）喷涂工艺参数对涂层性能的影响规律。2电弧喷涂涂层的制备及试验方法2.1涂层的制备工艺2.1.1电弧喷涂的设备本课题采用中国农机院表面工程技术研究所制造的DZ.ARC400型高速电弧喷涂系统，由电弧喷枪、喷涂电源、送丝机构和空气压缩机等组成。电弧喷涂设备如图2.1所示：11（a）电弧喷枪（b）喷涂系统（c）喷涂电源（d）送丝机构图2.1电弧喷涂设备2.1.2喷涂工艺参数电弧喷涂前应该对试样进行清理，实样表面先用用丙酮清洗除去油污，然后对基体表面喷砂处理，来除去铁锈和粗化基体表面，为下一步的喷涂做好准备。电弧喷涂最重要的工艺参数为：喷涂电流、喷涂电压、雾化空气压力、喷涂距离。通过参考文献并经过反复实验，表2.1为本实验采用的工艺参数。表2.1电弧喷涂工艺参数喷涂电流/A喷涂电压/V喷涂距离/雾化空气压力/MPa16024024321002000.50.7122.1.3电弧喷涂材料本试验采用45钢作为基体材料，试样尺寸长宽高为30mm10mm2mm。喷涂丝材直径为3mm的实心1Cr13马氏体不锈钢丝，所用陶瓷粉末为AL2O3粉，其成分见表2.2。表2.2喷涂丝材1Cr13成分成分C(碳)Si(硅)Mn(锰)P(磷)S(硫)Cr(铬)含量0.1500.1000.1000.0350.03011.513.52.2电弧喷涂涂层表征仪器及实验方法2.2.1电弧喷涂涂层检测仪器1光学显微镜本实验采用OLYMPOS型光学显微镜。该显微镜是将光转换技术，计算机图像处理技术和光学图像分析完美结合，可以很容易地在电脑上观察光学图像，从而对图像进行光学测绘，评级和分析等。2扫描电镜（SEM）本实验采用日立S.4800型扫描电子显微镜对基体的表面形貌进行观察，并用其配备的EDAX型能谱仪对涂层组织进行能谱分析，扫描电子显微镜的分辨率为3.5nm，加速电压为25kV，电流为30A。使用该扫描电镜时，其样品制备工作简单，不用切成薄片，图像分辨率较高，电子束损害程度较小，可以更好的观察基体的形貌。2.2.2涂层硬度的测定喷涂后的涂层经切样、磨样、抛光、清洗等过程制成金相试样。测量涂层的硬度采用的是上海泰明光学仪器有限公司生产的宝棱牌数字显微硬度仪，型号为HXD.1000，压头为正棱锥形金刚石压头。由于涂层相对于大块材料来说，厚度较薄，本实验主要测量涂层表面、横截面的显微硬度。将制备好13的金相试样放在电子显微硬度仪上进行观察，选定待测区域，所选用的加载载荷为200gf（1.96N），并保持加载15s，然后卸去载荷，测量对角线长度，得到维氏硬度值读数。试验中要选择多个区域测量多个硬度值，并取其平均数作为涂层的硬度值。2.2.3涂层结合强度的检测用粘结剂对偶试样拉伸试验法测定涂层的结合强度，结合强度试验所用粘结剂为天津燕海化学有限责任公司生产的HY.914室温快速固化环氧胶，在100N液压万能实验机上进行拉伸试验，拉伸试验后根据断面类型和断裂强度公式来评定其结合强度。结合强度的计算公式为:R=F/A式中R-所求的涂层的结合强度；F-断裂时所施加的力的大小；S-试样的横截面积；实验结果可能有下述五种断裂形式:a试样基体与涂层在界面完全分离；b涂层内部层间完全分离；c涂层与粘结剂的界面完全分离；d粘结剂本身层间完全分离；e上述几种情况综合存在的多种分离状态；2.4拉伸试样图上述五种断裂形式中，若为a、b或者a和b同时存在的三中状态时，该结果可作为测定的结合强度，除此以外的状态如果发生，则测定结果无效，应重新制作试样进行试验。142.2.4涂层磨损性能实验图2.5环-块磨损实验示意图该实验的涂层磨损方式是环块相对滑动对磨，使用的机器是MM.200型磨损试验机。在进行磨损的时候，试样块固定不动，通过对磨环的旋转实现相对滑动运动，如图2.5所示。在磨损时采用无润滑摩擦磨损，切线速度均为0.4m/s。对磨环材料为GCr15(0.951.05C，0.20.4Mn，0.150.35Si，1.31.65Cr，0.3Ni，0.25Cu，余量为Fe(wt%)，对磨环经860淬火，250回火后，硬度为60HRC。摩擦磨损过程中跟踪收集记录下摩擦力矩，卸载后清洗磨损后的试样，用涂层的失重来衡量涂层的耐磨性能。试验结束后利用PHILIPSXL30/TMP型扫描电镜对磨损表面的形貌以及成分进行分析，研究涂层摩擦磨损机理。153涂层组织结构的研究采用正交试验方法研究了电弧喷涂工艺参数对涂层组织结构的影响。利用金相显微镜和电子扫描显微镜来观察涂层的组织形貌，了解不同电弧喷涂工艺参数下涂层的显微组织。3.1正交试验方案设计基材表面经2060目刚玉喷砂（喷砂压力为0.6MPa）处理后，在DZ.ARC.400电弧喷涂设备上进行喷涂试验。考察的工艺参数为喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离、雾化空气压力。不同的工艺参数称为因素，而每一个工艺参数的不同取值称为水平。根据正交表的原则：正交表的因素数与水平数不小于要考察的因素数和水平数，因此在均匀分布各个范围的工艺参数并结合实验需要的基础上，本文采用了L9（3）正交表，其参数选择如表3.1所示。表3.1四因素三水平参数选择水平喷涂电流/A喷涂电压/V喷涂距离/雾化空气压力/MPa1160241000.52200281500.63240322000.7表3.2喷涂工艺参数正交实验方案水平喷涂电流/A喷涂电压/V喷涂距离/雾化空气压力/MPaNO.1NO.2NO.3160160160242832100150200NO.4NO.520020024281502000.70.516NO.6200321000.6NO.7NO.8NO.92402402402428322001001503.2电弧喷涂工艺参数对涂层组织的影响涂层的组织形态决定涂层的性能。电弧喷涂时各个工艺参数都会对涂层的组织结构产生影响，因此，工艺参数在一定程度上决定了涂层的性能。本节主要研究的是电弧喷涂工艺参数对涂层组织的影响。在SEM下，观察涂层表面的组织结构。3.2.1喷涂电压对涂层组织的影响图3.1、图3.2图3.3是试样1、2、3在喷涂电压分别为24V，28V和32V的涂层的显微组织图。图3.1中的B点和图3.3中的C点、D点、E点分别为涂层中观察到的孔隙。从扫描照片中可以看出，3号试样的孔隙明显比1号和2号多。这是因为随着喷涂电压的增加，雾化液滴的尺寸也增大，元素烧损程度加剧，氧化物含量增高，涂层致密性下降。涂层中孔隙的形成原因主要有二个:一是在颗粒沉积过程中形成。这是由于涂层是由许多变形粒子堆叠形成的，变形粒子在堆叠过程中，不能完全重叠，特别是那些速度和温度较低的粒子，变形更不充分，在粒子堆积过程中容易形成孔隙，如图3.1中的B点和图3.3中的C点；二是有少量空气溶解在熔融金属液滴中，形成涂层后冷却，空气逸出形成孔隙，这类孔隙一般比较圆滑，成球形，如图3.3中的E点。17图3.1.1表面形貌图3.1.2横截面形貌图3.11号试样扫描照片图3.2.1表面形貌图3.2.2横截面形貌图3.22号试样扫描照片图3.3.1表面形貌图3.3.2横截面形貌图3.33号试样扫描照片183.2.2雾化空气压力对涂层组织的影响图3.4、图3.5图3.6是试样4、5、6在雾化空气压力分别为0.7MPa，0.5MPa和0.6MPa的涂层的显微组织图。从图中可以看出，4号试样的孔隙要少于5号和6号试样，其中5号试样的孔隙最多，这是由于5号试样的雾化空气压力较小，金属颗粒雾化不充分，在连续撞击到基体形成涂层时雾化粒子不能充分扁平化，粒子的堆积过程中层与层之间不能较好的叠加，易形成孔隙，降低涂层的致密性。图3.4.1表面形貌图3.4.2横截面形貌图3.44号试样扫描照片图3.5.1表面形貌图3.5.2横截面形貌图3.55号试样扫描照片19图3.6.1表面形貌图3.6.2横截面形貌图3.66号试样扫描照片3.2.3喷涂距离对涂层组织的影响图3.7、图3.8、图3.9是试样7号、8号、9号在喷涂距离为200mm、100mm、150mm的涂层的显微组织图。由图可以看出，9号试样的孔隙最少，其次为7号试样，孔隙最多的为8号试样。喷涂距离过大或过小都会影响涂层的质量，当喷涂距离过小时，一、由于雾化粒子的速度较小，在撞击到基体时变形不充分，粒子不能较好的重叠；二、由于喷涂距离近，粒子雾化不充分，且基体和涂层受到电弧的加热，温度会升高，氧化现象比较严重。二者综合作用，导致涂层孔隙率升高，致密性下降，如1号、6号和8号试样。当喷涂距离过大时，熔融粒子的温度和速度会随着距离的增加而降低，粒子在撞击到基体时变形不充分，变形粒子的不充分重叠会形成孔隙，如3号和5号试样。喷涂距离适中，为150mm时，粒子雾化充分且速度较大，在撞击到基体时粒子扁平化充分，孔隙减少，如2号、4号和9号试样。20图3.7.1表面形貌图3.7.2横截面形貌图3.77号试样扫描照片图3.8.1表面形貌图3.8.2横截面形貌图3.88号试样扫描照片图3.9.1表面形貌图3.9.2横截面形貌图3.99号试样扫描照片3.2.4喷涂电流对涂层组织的影响由1号9号试样的扫描形貌可以看出，随着喷涂电流的增大，涂层孔隙减少。随着喷涂电流的增大，丝材的熔化温度增高，雾化粒子所含的热焓增多，当高速飞行的雾化粒子连续撞击到基体表面时，有利于熔融粒子的铺展，涂层的致密性提高，孔隙率降低。如7号、8号和9号试样的喷涂电流最高，为240A，与21其他试样相比，孔隙较少，涂层的致密性较高。但是喷涂电流也不能过大，过大的电流会导致熔融粒子中的元素烧损加剧，粒子沉积效率降低，涂层孔隙率增加，致密性下降。4涂层性能的研究评价涂层性能涉及到多方面的技术指标，对绝大多数涂层来说，检测的项目是相同的，但性能指标稍有区别。4.1涂层的显微硬度涂层硬度与涂层材料类别、涂层的显微组织、涂层的相结构等因素有关。喷涂材料的性质很大程度上影响涂层硬度，但涂层硬度与喷涂材料硬度不同，即使是同一种喷涂材料，涂层硬度通常也是不同的。这是因为，基体和熔融颗粒之间存在温差，当颗粒到达基体表面形成涂层时迅速降温，形成涂层的颗粒相当于进行了“热处理”，因此涂层本身硬度低于颗粒硬度。对同一种材料的涂层，显微组织对涂层的显微硬度也有较大的影响，涂层越致密显微硬度越高；相反，涂层内含有气孔和氧化物等夹杂物，致使组织不均匀，结构相应的疏松，硬度也就很低。本节主要研究电弧喷涂工艺参数对涂层显微硬度的影响。4.1.1涂层显微硬度分析按照第三章表3.2正交试验表来制备九组试样。试样经过打磨、抛光，在22HXD.1000型数字显微硬度仪进行显微硬度的测量，载荷为100gf(0.98N)，加载时间为15s。每组试样测量五个点，并取其平均值作为涂层的显微硬度值。表4.1为测定涂层的显微硬度值，图4.1为涂层显微硬度压痕。表4.1涂层的显微硬度试样号测量点1测量点2测量点3测量点4测量点5平均值1564.94669.93566.05535.91541.25575.622704.14626.84609.02654.74620.52643.053584.07553.75583.96591.96547.01572.154579.12515.07587.99579.68563.60565.095561.38559.26549.93499.14566.46547.236606.93561.28590.28542.51543.31568.867593.23512.69546.95601.87672.98585.548457.52501.75697.98677.04672.98601.459798.691036.5794.781271.8722.12771.8623图4.1.1涂层显微硬度压痕图4.1.2压痕放大24图4.1涂层显微硬度压痕扫描照片1Cr13不锈钢涂层的显微硬度400HV，当添加陶瓷外送粉时，由表4.1可以看出，19号式样硬度均高于400HV。氧化铝以弥散形式分布在涂层中，使涂层硬度明显高于单纯的1Cr13不锈钢涂层。充分证明了陶瓷颗粒的存在，涂层的显微硬度显著提高。电弧喷涂工艺参数对涂层显微硬度影响的结果分析见表。表4.2采用显微硬度作为参照标准的正交优化表K1K2K31790.821681.181958.851726.251791.731912.871745.9319801704.921894.711797.451738.69K1AVK2AVK3AV596.94560.39652.92575.42597.24637.62581.98660568.31631.57599.15579.56R92.5662.291.6952.01注：Ki为水平i的三次实验结果之和，i=1、2、3，KiAV=Ki/3由表4.2极差分析结果可见，RI=92.56，RU=62.2，RL=91.69，RP=52.01，其中RIRLRPRU，表明在本实验中工艺参数对涂层硬度影响由主到次是喷涂电流、喷涂距离、喷涂电压和雾化空气压力。按K1AV、K2AV、K3AV数值确定个因数最佳水平组合为I3+U3+L2+P1即喷涂电流为240A，喷涂电压为32V，喷涂距离为150mm，喷涂雾化压力为0.5MPa。由显微硬度测试结果表5.4可以看出，涂层的显微硬度从大到小依次为928713645。4.1.2各因素对显微硬度的影响(1)喷涂电流对涂层显微硬度的影响在四个工艺参数中，喷涂电流是影响涂层显微硬度的主要因素。这是因为：一、喷涂电流较小时，粒子获得的能量不能使其充分熔化，与其他粒子在沉积时发生的热反应不足，与基体接触后很快就凝固了。当喷涂电流增大后，粒子接受的热量增加，自身熔化充分，熔融的粒子与基体撞击时，粒子的铺展性好，粒子25相互层叠，这会增大陶瓷颗粒在涂层中的沉积率，涂层的致密度提高，硬度增大；二、采用高电流喷涂时，金属粒子氧化程度较大，涂层硬度较高。但如果电流过大，会使涂层产生较多氧化物而变得疏松硬度反而减小。所以应该将喷涂电流控制在适当的范围内，同时注意与其他3个影响因素的合理匹配，才能获得硬度较高的涂层。(2)喷涂距离对涂层显微硬度的影响喷涂距离是影响涂层显微硬度的次要因素。这是因为：当喷涂距离较小时，一、熔融粒子在撞击基体材料之前一直处于加速的过程中，飞行距离较短，到达基体前速度并不是很高，在撞击基体的过程中，粒子不能充分的变形，彼此之间不能很好的结合，导致涂层中的孔洞增多，涂层的硬度下降；二、电弧的高温会提高涂层的温度，加速熔融粒子的氧化，涂层的氧化程度加重，氧化物和孔隙率增多，从而降低涂层的显微硬度。随着喷涂距离的增大，粒子撞击基体时变形充分，涂层致密好，硬度升高。当喷涂距离过大时，粒子在飞行过程中损失的能量过多，虽然粒子到达涂层时有很高的速度，但是过能量损失过多使粒子温度降低，撞击时扁平化程度降低，涂层致密性降低，使得涂层的硬度减小。所以应该将喷涂距离控制在适当的范围内，同时注意与其他3个影响因素的合理匹配，才能获得硬度较高的涂层。(3)喷涂电压对涂层显微硬度的影响喷涂电压是指两金属丝尖端之间的电压，它反映的是丝材尖端间隙的大小。喷涂电压的大小一定程度上决定了喷涂丝材的熔化程度。当喷涂电压太低时，电弧就不能稳定的燃烧，不能得到质量良好的涂层；当电压的增大时，在丝材接触的瞬间产生的热量就越多，因此，丝材熔化的就越充分。但不能只把喷涂电压值设定的太高，过高的电压会使丝材中的元素严重的烧损，形成的涂层致密性下降，出现过多的孔洞，时涂层的显微硬度下降。(4)雾化空气压力对涂层显微硬度的影响雾化空气压力决定了喷涂粒子的雾化程度和飞行速度，雾化空气压力越大，粒子雾化越充分，飞行速度就越快，所得到的涂层也越致密，涂层的显微组织越26致密，涂层的显微硬度值也就越高，因此雾化空气对涂层的显微硬度的影响也和大。一、当雾化空气压力较小时，粒子的飞行速度底，当撞击基体表面形成涂层时，粒子不能充分变形，形成的涂层孔洞增多，致使涂层的硬度下降；二、当雾化空气压力过大时，气流中氧含量增多并且喷涂粒子的相对表面积急剧增加，二者综合作用，导致涂层氧化加剧，涂层致密性降低，影响涂层的显微硬度，因此要选择适当的雾化压力。4.1.3涂层显微硬度的分布按照最佳的工艺参数的组合进行电弧喷涂，分析涂层显微硬度的分布情况。硬度值在基体到涂层的方向上成梯度分布。显微硬度从涂层与基体结合部位开始升高，在中间部位达到了最高值，然后开始下降，在接近涂层最外层时硬度最低。在接近基体与涂层结合处，基体受到的冲击力大于涂层内部，因此，靠近基体的涂层组织要比涂层内部的组织更加致密、结实，所以界面结合处硬度值很高。随着涂层厚度的增大，硬度值会有一个下降的过程，这是因为喷涂内部会有一些孔洞，使涂层的硬度值降低。随着涂层厚度逐渐增加，熔融粒子雾化更充分、能量更高、速度更快，使得涂层致密提高，显微硬度值提高，直至达到最大。随后，硬度值出现大小交替变化，类似一个波浪形的振荡过程。在接近涂层表面部位时，涂层的硬度值越低。由于接近表层时，熔融粒子的冲击作用减小，且热量也随之降低，硬度值很明显的下降。4.2涂层的结合强度涂层的结合强度是测试涂层表面性能的指标之一，直接影响着涂层的使用寿命。它反映了涂层与基体金属之间界面的结合质量，包括颗粒间的结合强度(内聚力)和涂层与基材的结合强度(附着力)。4.2.1拉伸试验及实验结果按照第三章表3.2正交试验的方案制备试样，用HY.914材料拉伸试验系统进行拉伸试验，测定每个试样的的结合强度。每种工艺的涂层拉伸5个试样，并取其平均值作为涂层的结合强度。通过极差进行了工艺参数的优化，并分析了各27因素对涂层结合强度的影响。分析拉伸试验后的断面形貌，涂层基本是从基体上脱落，且脱落面积占到了90%以上；没有出现完全从胶结层断裂的现象，仅有少数是混合断面，沿胶层破断面积约占总面积的5%左右。涂层结合强度实验结果见表4.3，涂层与基体的结合形貌见图4.2。图4.2涂层与基体的结合形貌由图4.2中可以看出，涂层与基体结合良好。说明喷砂粗化效果很好，结合方式主要为机械咬合，当大颗粒的粒子撞击到基体时，也可能发生钎合现象。表4.3涂层结合强度试验结果编号结合强度/MPa平均强度/MPa123.4227.0526.6324.8730.4026.47227.9028.4329.2029.4827.6328.53326.3329.6728.4929.1030.6228.84430.1329.8428.9929.3230.1129.68524.1029.5327.6825.4729.5727.2728630.3126.9228.7229.9327.7328.72730.