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Cr_3C_2p增强镍基合金涂层的组织与性能研究

作　者: 郭亮
导　师: 宫文彪
学　校: 长春工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子喷涂复合材料涂层抗磨损性能硬度抗热冲击性能
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

结晶器是现代连铸设备的重要部件。结晶器铜板在工作过程中受到高温铁水的冲刷,存在严重的摩擦和磨损。目前结晶器表面强化方法主要采用电镀技术,但存在镀层硬度低、生产周期长、污染环境等缺点,已成为冶金行业亟待解决的问题。等离子喷涂(air plasma spray, APS)是制备耐磨涂层常用的表面工程技术,在航空航天、冶金、能源、机械等工业领域得到广泛应用。金属基复合材料兼备了增强体的高硬度和金属基体的高韧性特点而被广泛应用于耐磨涂层。镍基合金具有优良的耐磨性能和良好的润湿性是较为理想的基体材料,Cr3C2具有很高的硬度且有着与金属相近的物理化学特性,是金属基复合材料常用的增强体。为了改善和提高结晶器铜板的生产工艺及过钢量,本文采用Cr3C2p为增强相、两种镍基合金为基体,采用APS技术在纯铜表面制备耐磨涂层。系统的研究了Cr3C2p增强NiCrBSi和Ni-Fe两种涂层的组织和性能,揭示了增强体含量对涂层组织结构与性能的影响规律。利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜和场发射电子显微镜分析涂层的微观组织结构和元素分布；采用Nikon金相分析系统测试了涂层的孔隙率；为了能为结晶器铜板提供理论与实践参考,本文选用了电镀Ni-Fe层和Ni-Co层与喷涂Cr3C2p/NiCrBSi层和Cr3C2p/Ni-Fe层进行硬度和磨损性能比较,使用FM700显微硬度计进行硬度测试,使用ML-10磨损试验机进行磨粒磨损性能；为了研究涂层在热环境下的失效形式,利用自制的设备对涂层进行了抗冲击性能测试。研究结果表明：两种涂层结构均为层状组织,Cr3C2p增强NiCrBSi涂层由γ-Ni、共晶相Ni3B、CrB、Cr2B、硬质相Cr7C3、(?)%(?)Cr23C6组成。Cr3C2p增强Ni-Fe涂层由基体相γ-Ni、α-Fe和硬质相Cr7C3、Cr23C6组成。两种涂层断口形貌为韧性断口,且能清楚的看出典型的片层状组织结构,从断口上可看到一些气孔和微裂纹。通过扫描电镜和EDS能谱分析表明两种涂层的共同特点是：连续的浅灰色基体相之间分布着不同形状的深灰色铬的碳化物相,随着Cr3C2p含量增加,深灰色碳化物也随之增加,涂层的孔隙率也变大。硬度分析表明,两种涂层的截面硬度曲线呈现波浪式,这说明涂层中存在孔隙导致硬度分布不均匀,而且随着Cr3C2p含量增加,涂层的硬度和耐磨性也逐渐增加。与电镀Ni-Co、Ni-Fe层相比,Cr3C2p/NiCrBSi涂层具有很高的硬度和优良的耐磨损性能,硬度范围在HV0.2950～1020,而Cr3C2p/Ni-Fe涂层硬度和两种电镀层相当,平均在HV0.2400左右。磨损试验表明30%Cr3C2p/NiCrBSi和20%Cr3C2p/Ni-Fe这两种磨损率最低,分别为0.3075mg/mm和0.3667mg/mm,其磨损率仅为电镀Ni-Co层的53%和42%,电镀Ni-Fe层的55%和46%。从喷涂层和电镀镀层的磨损形貌可以看出,喷涂层中硬质相的存在,对基体材料的流失相起到了钉轧作用,磨损犁沟呈断续态,而两种镀层则有明显的犁沟。涂层的抗热疲劳试验表明单一的NiCrBSi涂层抗热震次数仅为25次,而30%Cr3C2p/NiCrBSi复合抗热震次数最高为190次,Ni-Fe涂层抗热震次数为63次,20%Cr3C2p/Ni-Fe复合涂层到达了427次。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-21
  1.1 选题背景及意义  8-9
  1.2 结晶器表面处理技术  9-12
    1.2.1 结晶器工作原理及作用  9
    1.2.2 结晶器铜板失效方式  9-10
    1.2.3 结晶器镀层材料体系  10-12
  1.3 表面工程技术简介  12-19
    1.3.1 热喷涂技术概述  13-15
    1.3.2 等离子喷涂简介  15-18
    1.3.3 结晶器表面热喷涂研究现状  18-19
  1.4 本课题研究内容  19-21
第二章试验材料、方法和设备  21-27
  2.1 试验材料  21-22
    2.1.1 基体材料  21
    2.1.2 涂层材料  21-22
    2.1.3 其它辅助材料  22
  2.2 试验方法及技术路线  22-23
  2.3 样品制备  23-24
    2.3.1 涂层样品制备  23-24
    2.3.2 Cr_3C_2p焰流熔化特点样品制备  24
  2.4 粉末及涂层组织结构分析方法  24-25
    2.4.1 粉末及涂层物相分析  24
    2.4.2 粉末及涂层微观结构及能谱分析  24-25
  2.5 涂层性能测试方法  25-27
    2.5.1 涂层孔隙率测定  25
    2.5.2 涂层显微硬度测试  25
    2.5.3 涂层耐磨损试验方法  25-26
    2.5.4 涂层抗热疲劳性能  26-27
第三章涂层材料及涂层的微观组织结构  27-41
  3.1 原始喷涂粉末的特点  27-28
    3.1.1 碳化铬粉末颗粒  27
    3.1.2 镍铬硼硅粉末(NiCrBSi)  27-28
  3.2 混合喷涂粉末的制备与特点  28-30
    3.2.1 机械混合法制备Cr_3C_2p/NiCrBSi混合粉末  28-29
    3.2.2 机械混合法制备Ni-Fe喷涂粉末  29-30
    3.2.3 机械混合法制备Cr_3C_2p/Ni-Fe混合粉末  30
  3.3 等离子喷涂NiCrBSi涂层及Cr_3C_2p/NiCrBSi复合涂层  30-35
    3.3.1 涂层微观组织  30-34
    3.3.2 NiCrBSi涂层及Cr_3C_2p/NiCrBSi涂层的相组成  34-35
  3.4 等离子喷涂Ni-Fe涂层及Cr_3C_2p/Ni-Fe复合涂层  35-38
    3.4.1 Ni-Fe涂层组织结构  35-36
    3.4.2 Cr_3C_2p/Ni-Fe复合涂层组织结构  36-38
  3.5 涂层孔隙率测试  38-39
  3.6 Cr_3C_2p在等离子弧的熔化行为  39-40
  3.7 本章小结  40-41
第四章涂层的性能测试分析  41-51
  4.1 涂层硬度测试与分析  41-45
    4.1.1 NiCrBSi涂层及CCr_3C_2p/NiCrBSi涂层的硬度  41-43
    4.1.2 Ni-Fe涂层及Cr_3C_2p/Ni-Fe涂层显微硬度测试  43-44
    4.1.3 电镀镀层的硬度  44-45
  4.2 涂层磨损性能  45-48
    4.2.1 NiCrBSi涂层及Cr_3C_2p/NiCrBSi涂层的磨损性能  45-46
    4.2.2 Ni-Fe涂层及Cr_3C_2p/Ni-Fe涂层的磨损性能  46
    4.2.3 复合涂层与电镀层耐磨损性能比较  46-48
  4.3 涂层的抗热震性能测试与分析  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章结论  51-52
致谢  52-53
参考文献  53-57
作者简介  57
攻读硕士学位期间研究成果  57-58

Cr_3C_2p增强镍基合金涂层的组织与性能研究

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