高耐磨合金钢电弧喷涂药芯焊丝及应用研究

华中科技大学硕士学位论文高耐磨合金钢电弧喷涂药芯焊丝及应用研究姓名：戴明辉申请学位级别：硕士专业：材料工程指导教师：余圣甫2011-05-25华中科技大学硕士学位论文I摘要本论文研究成分配比不同的几种合金钢电弧喷涂药芯焊丝，在低碳钢表面进行喷涂形成高耐磨的高合金钢电弧喷涂涂层。测试电弧喷涂涂层的显微硬度、耐磨粒磨损性能、孔隙率以及与基体的结合强度；通过金相显微镜、环境扫描电子显微镜（ESEM）、EDS能谱仪等分析手段研究了电弧喷涂涂层的微观结构；分析了Al、Ni、B对涂层性能以及组织结构的影响。研究结果表明：喷涂药芯焊丝中Al含量的增加，并不能提高其结合强度。Al在电弧喷涂雾化阶段烧损较大，形成氧化铝，沉积在涂层表面时不利于金属雾化颗粒融合，成为夹渣，形成孔隙，降低涂层与基体的结合强度。因此Al含量增加，涂层的孔隙率增加，显微硬度与耐磨性下降。涂层中的B与Fe形成FeB与Fe2B的混合相，能与基体有效结合，与Ni形成Ni-Cr-B-Si系自熔合金，有良好的浸润性，因此B能促进涂层与基体的结合强度。此外，B还与C形成B4C硬质相，还能与Cr形成硼铬化物CrB，Cr2B硬质相，分布在涂层中，提高涂层的耐磨性。Ni在涂层中的主要作用是形成Ni-Cr-B-Si系自熔合金，提高涂层与基体的结合强度，对涂层的孔隙率、硬度以及耐磨性作用不明显。通过对涂层表面的磨损形貌分析，表明涂层表面的磨损机理为微观切削磨损机理，磨粒在涂层表面主要产生压痕而不是切屑。涂层中的孔隙与夹渣易于形成切屑，降低了涂层的耐磨性。用研制的药芯焊丝对搅拌车的落料槽进行电弧喷涂，有效地提高了使用寿命，取得了良好的效果。关键词：电弧喷涂；药芯焊丝；合金元素；耐磨性；结合强度华中科技大学硕士学位论文IIAbstractInthepaper,wedesignedandinvestigatedseveralalloysteelcompositionoffluxcoredwiresforarcspraying.Alloysteelcoatingswithhighwearresistanceweredepositedonlowcarbonsteelsurface.Micro-hardness,abrasivewearresistance,porosity,andthebondingstrengthofthearcsprayedcoatingweretested.Throughthemicroscope,environmentalscanningelectronmicroscope(ESEM),EDSanalysis,themicrostructureofarcsprayedcoatingswasstudied,moreover,theeffectsofAl,Ni,Bonthecoatingperformanceandstructurewerealsoanalyzedandassessed.TheresultsmanifestedthatwiththeincreaseofAlcontent,thebondingstrengthwasnotimproved.Inthearcsprayatomizationstage,Alwasburnedandtransformedintoaluminumoxidetodepositonthesurfaceofthecoatings.Asaluminumoxidecouldnoteasilyintegratewiththemetalaerosolparticlesandbecameslag,thenalargenumberofporesformed,asaresult,thebondingstrengthofthecoatingandsubstratewouldreduce.Andthelosswasmorethanthatfortheexothermicreaction.Therefore,astheAlcontentsincreased,theporosityofcoatingincreased,andthehardnessandwearresistancedecreased.SinceBcombinedwithFetoformthemixedphasesFeBandFe2B,whichcouldeffectivelybindwithsubstrate,andBandNicouldformtheNi-Cr-B-Siself-fluxingalloysystemwithgoodinfiltration,soBcouldpromotethebondingstrengthofcoatingandsubstrate.Inanaddition,BwithCorCrcouldformB4CorCrB，Cr2B,thesehardphaseswasabletoenhancewearresistanceofthecoating.WhileNiwasmainlyusedtoformtheNi-Cr-B-Siself-fluxingalloysystem,itcouldpromotethebondingstrengthofcoating,butitsroletotheporosity,hardnessandwearresistanceofcoatingwasnotobvious.Accordingtotheanalysisofthewearofthecoatingsurface,itwasdeterminedthatthewearmechanismwasmicro-cuttingwear,fortheabrasivesproducedindentationbutnotchipsonthecoatingsurface.Andtheporosityandslagwereconducivetotheformationofchip,whichfinallyreducedthewearresistanceofthecoating.Thecoredwirewiththebestperformanceinthispaperwasutilizedforarcspraying华中科技大学硕士学位论文IIIonthedropchuteofmixerwhicheffectivelyimprovedtheservicelife,andachievedgoodresults.Keywords:arcspraying;coredwire;alloysteelcoating;wearresistance;bondingstrength独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。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：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究背景与意义钢铁材料失效的三种方式为：断裂、腐蚀和磨损，每年世界钢材消耗的50%是因为磨损造成的。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损等三个基本类型，而磨粒磨损在磨损类型中占据主要地位。为了减少零件因表面局部损坏而报废，提高零件的使用寿命，世界各国都在研究提高零件表面性能的各种表面技术。通过表面改性技术提高零部件表面的耐磨粒磨损性能是一种昀通用的方式，而热喷涂技术是目前表面工程领域内表面改性的昀有效的技术之一[1]。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层，达到赋予基体表面特殊功能的目的。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，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。依热源的不同，热喷涂可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）等[2-4]。电弧喷涂技术在所有热喷涂技术中因其具有成本低、加工方便、质量好、使用设备简单、操作方便等特点，在机械设备维修及防护方面得到广泛的应用[1]。电弧喷涂原理图如图1-1所示。雾化气流辅助雾化气雾化帽金属丝导电嘴涂层图1-1电弧喷涂原理示意图华中科技大学硕士学位论文2电弧喷涂材料包括实心丝材和药芯丝材两大类。常用的实心丝材有铝、镍、锌、铜等金属及其合金丝材，以及碳钢、合金钢等。实心丝材主要是经过熔炼、浇注、拔丝等加工工序加工而成，其特点主要是操作方便，效率高，成分稳定，但是存在的问题有：加工工艺困难，成产周期长，丝材成分难以调节。而药芯丝材的主要特点就是加工工艺简单，成分调节容易。药芯丝材，是由金属外皮包裹不同类型的金属或者合金粉末、陶瓷及非金属化合物粉末拉拔而成。研究一种药芯丝材只用改变药芯成分配合上不同的金属钢带就可以实现，从而获得性能不同的喷涂涂层，所以药芯丝材是现在电弧喷涂丝材研究的主要方向，其应用前景更广阔[5]。药芯丝材的轧制过程如图1-2所示。图1-2药芯丝材的轧制过程示意图目前国内外对耐磨钢铁材料进行了大量的研究，也取得了长足的进步，在工业生产与实践应用环节已取得较好的成效。其中合金钢在耐磨钢铁材料里的应用越来越广泛，主要合金成分包括Cr、Ni、Mo、Nb等合金元素，在加入这些合金元素后可以有效提高合金钢的耐磨性，比原有钢材的耐磨性提高两到三倍[6]。因此根据合金钢的成分设计一种药芯焊丝用来进行电弧喷涂以改善零件表面耐磨性有较好的实际意义，也可以对研究合金成分在喷涂过程中发生的冶金原理提供一些理论依据。现阶段由于电弧喷涂技术发展已经较为成熟，对电弧喷涂工艺的研究也基本定型，因此设计符合具体实际要求的药芯丝材是目前国内外研究的主要方向。根据其他学者的研究以及实验室研究成果基础上，设计一种新型高耐磨合金钢电弧喷涂药芯焊丝以及对其应用做一定的研究，在设计出具体的药芯丝材后只需微调喷涂工艺就可以达到实际运用的效果。华中科技大学硕士学位论文31.2研究现状与运用1.2.1电弧喷涂技术的特点及其发展现状热喷涂技术产生于20世纪初，由于当时喷涂设备与材料的限制，热喷涂技术发展缓慢。20世纪50年代后期，为了满足航空和原子能等尖端技术对于高熔点、高强度涂层的迫切要求，美国等相继发明了等离子喷涂、爆炸喷涂、激光喷涂等表面防护技术，这也在某种程度上限制了电弧喷涂的发展。但是电弧喷涂于其他喷涂技术相比具有一下几个特点：（1）涂层性能好，结合强度高；（2）喷涂效率和能源利用率高。电弧喷涂的能源利用率可达57%,而等离子和火焰喷涂的能源利用率仅为12%左右；（3）设备造价低,使用维护方便,电弧喷枪以及送丝机构体积小,重量轻,携带方便,不需要瓶装气体燃料系统及水冷系统,工作环境适应面广,可以长时间在恶劣环境下工作[7,8]。20世纪70年代以来，药芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。八十年代初，德国Drzeniek等[9]成功将药芯丝材应用于电弧喷涂技术后，药芯丝材发展迅速。随后Steffens等[10-12]把高碳铬铁粉及铬的碳化物(Cr7C3+Cr3C2)粉末、稀土等与低碳钢带制成药芯丝材，并进行电弧喷涂制备耐磨涂层，认为采用药芯丝材进行电弧喷涂能获得与等离子喷涂层性能相当的耐磨涂层。在美国，把药芯丝材成功用于飞机发动机大修及汽车工业、电站锅炉和厚的耐磨板及防