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畢業(yè)論文電弧噴涂制備涂層刀具工藝研究 102018211 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 材料成型及控制工程 機械工程系 系 部： 專 業(yè)： 梁紅玉 指導(dǎo)教師： 二一四年六月誠信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。 本人簽名： 年 月 日太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書論文題目： 電弧噴涂制備涂層刀具工藝研究 系部： 機械工程系 專業(yè)： 材料成型及控制工程 學(xué)號： 102018211 學(xué)生 李娜 指導(dǎo)教師（含職稱）： 梁紅玉 （ 教授 ） 專業(yè)負責(zé)人： 趙躍文 1設(shè)計的主要任務(wù)及目標利用電弧噴涂制備涂層刀具；了解電弧噴涂的原理；對比不同工藝參數(shù)下涂層的組織和性能，分析工藝參數(shù)對涂層的組織和性能的影響，為獲得最佳質(zhì)量涂層刀具提供理論依據(jù)。2 設(shè)計的基本要求和內(nèi)容1.了解電弧噴涂涂層刀具的研究背景、目的及意義；2.了解制備涂層刀具的實驗設(shè)備以及制備過程；3.掌握金相顯微鏡、掃描電鏡、維氏硬度儀的原理、操作，了解其注意事項；4.整理相關(guān)數(shù)據(jù)，研究涂層的微觀組織與力學(xué)性能，分析工藝參數(shù)對其影響規(guī)律；5.整理材料，撰寫論文。3主要參考文獻1 徐濱士.表面工程與維修.北京：機械工業(yè)出版社，1996: 3033042 劉新田.表面工程.河南：河南大學(xué)出版社，2000: 133 張健全，徐晉勇等. 熱噴涂技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.山西焦煤科技，2006， 12(8)4 陳學(xué)定，韓文正.表面噴涂技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1994: 2372395 徐濱士，張偉，梁秀兵.熱噴涂材料的應(yīng)用于發(fā)展.材料工程2001,3(12)4進度安排論文各階段名稱起 止 日 期1 查閱資料，完成開題報告2014.01.102014.03.102 閱讀文獻，熟悉工藝過程2014.03.102014.03.313 進行試驗，準備中期檢查2014.04.012014.04.204 查找資料，完成結(jié)果分析2014.04.202014.05.155 撰寫畢業(yè)論文，準備答辯2014.05.152014.06.05電弧噴涂制備涂層刀具工藝研究 摘要：本文用電弧噴涂技術(shù)在45號鋼基體上制備涂層。采用實心絲材1Cr13作為燃燒絲，配合ALO陶瓷粉進行噴涂，制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層。采用正交試驗方案，利用SEM對涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)、性能進行了分析。復(fù)合涂層為典型的層狀結(jié)構(gòu)。影響涂層結(jié)合強度的工藝參數(shù)由主到次依次為噴涂電流、霧化空氣壓力、噴涂距離和噴涂電壓；影響涂層顯微硬度的工藝參數(shù)由主到次是噴涂電流、噴涂距離、噴涂電壓、霧化空氣壓力。復(fù)合涂層的磨損機制主要為硬質(zhì)顆粒的脆性脫落，同時伴隨著磨粒磨損。在金屬相涂層中添加硬質(zhì)相能顯著提高涂層顯微硬度。關(guān)鍵詞：電弧噴涂，涂層 ，組織，性能，工藝參數(shù)The arc spraying coating preparation tool technology was studiedAbstract: In this paper,coatings were sprayed on the substrate of steel 45 by arc spraying using optimized process parameter. Using a solid wire 1Cr13 as the burning of wire to meet the outgoing carry out ALO arc spraying ceramic powder to prepare metal matrix ceramic composite coatings.The scheme of the orthogonal experiment using SEM arc.sprayed coating microstructure on the organizational structure of the worn surface were analyzed. Microstructure of the composite coating showed a typical layered structure. Process parameters which effect the combining strength of the arc sprayed coating are (from main to minor in turns) spraying current, atomizing air pressure, spraying distance, and spraying voltage. Process parameters which effect the micro.hardness of the arc sprayed coating are (from main to minor in turns) spraying current, spraying distance, spraying voltage, atomizing air pressure.The wear mechanism of composite coating are mainly falls off the brittleness of hard particle, at the same time accompanied by abrasive wear.Hard phase is added in the metallic phase coating can significantly increase the coating micro hardness.KEY WORDS:arcs praying ,coatings,organization,performance,process parameters目錄1 緒論11.1 熱噴涂技術(shù)11.2 電弧噴涂21.2.1 電弧噴涂的原理及特點21.2.2 電弧噴涂涂層的形成過程31.2.3 涂層的結(jié)合機理51.2.4 電弧噴涂工藝過程和工藝參數(shù)51.3 電弧噴涂的發(fā)展趨勢71.4 本課題研究意義及內(nèi)容92 電弧噴涂涂層的制備及試驗方法102.1 涂層的制備工藝102.1.1 電弧噴涂的設(shè)備102.1.2 噴涂工藝參數(shù)102.1.3 電弧噴涂材料112.2 電弧噴涂涂層表征儀器及實驗方法112.2.1 電弧噴涂涂層檢測儀器112.2.2 涂層硬度的測定122.2.3 涂層結(jié)合強度的檢測122.2.4涂層磨損性能實驗133 涂層組織結(jié)構(gòu)的研究143.1 正交試驗方案設(shè)計143.2 電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層組織的影響153.2.1 噴涂電壓對涂層組織的影響153.2.2 霧化空氣壓力對涂層組織的影響163.2.3 噴涂距離對涂層組織的影響183.2.4 噴涂電流對涂層組織的影響194 涂層性能的研究204.1 涂層的顯微硬度204.1.1 涂層顯微硬度分析204.1.2 各因素對顯微硬度的影響234.1.3 涂層顯微硬度的分布244.2 涂層的結(jié)合強度254.2.1 拉伸試驗及實驗結(jié)果254.2.2 工藝參數(shù)對結(jié)合強度的影響274.2.3 涂層厚度對結(jié)合強度的影響284.3 涂層的耐磨性294.3.1 涂層的干摩擦試驗294.3.2 復(fù)合涂層的磨損機理32結(jié)論34參考文獻36致謝37太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1 緒論1.1 熱噴涂技術(shù)熱噴涂工藝已成為材料表面改性、表面強化和保護的新技術(shù)之一。熱噴涂技術(shù)是利用特定的熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化，并借助自身的動力或外加氣流將熔滴加速，以一定的速度噴射到表面經(jīng)過凈化或粗化的工件表面形成涂層的工藝方法。其工藝方法的多樣性、涂層種類的廣泛性和應(yīng)用上的經(jīng)濟性是該技術(shù)最突出的優(yōu)點。從大型鋼結(jié)構(gòu)件的防護，到近代生物工程、納米技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域，都可發(fā)揮其獨特的作用。因此，熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已遍及航空航天、機械冶金、交通運輸、石油化工、煤炭電力和紡織造紙等各個工業(yè)部門。熱噴涂材料的分類有多種，通常按材料形態(tài)有噴涂粉、絲材、粉芯絲材等；按材料種類有金屬及特殊金屬材料、有機聚合物材料、陶瓷材料及陶瓷復(fù)合粉、生物材料；按涂層結(jié)構(gòu)有納米涂層材料、合金涂層材料、非晶態(tài)涂層材料以及由這些材料復(fù)合構(gòu)成的復(fù)合涂層材料。目前，為了滿足對材料多功能、高性能等的要求，多種材料的復(fù)合、納米材料、新型合金或非晶材料的使用成為熱噴涂材料發(fā)展的主要趨勢。根據(jù)噴涂熱源來分，熱噴涂有四種基本方法：等離子噴涂、電弧噴涂、火焰噴涂和特殊噴涂。等離子噴涂是以等離子電弧為熱源的熱噴涂，電弧噴涂是以電弧為熱源的熱噴涂，火焰噴涂是以氣體火焰為熱源的熱噴涂。熱噴涂過程中，噴涂材料的粒子被熱源加熱到熔融狀態(tài)或高塑性狀態(tài)，在外加氣體壓力或在焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的顆粒與基體發(fā)生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時因急冷而快速凝固，顆粒逐層沉積而成涂層。電弧噴涂技術(shù)是熱噴涂技術(shù)的一種，也是表面工程的重要組成部分。在近40年的發(fā)展歷程中，隨著噴涂設(shè)備、噴涂材料和噴涂工藝的不斷發(fā)展與更新，電弧噴涂技術(shù)得到了飛躍性的發(fā)展和推廣應(yīng)用，已成為熱噴涂領(lǐng)域中最引人注目的技術(shù)之一。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，到 20 世紀末，在所有熱噴涂技術(shù)中，電弧噴涂的技術(shù)應(yīng)用比例占 15%，其市場比例排第 3位5。在近十年里，電弧噴涂設(shè)備不斷發(fā)展，應(yīng)用廣泛。防磨損涂層是電弧噴涂最主要的一種應(yīng)用。滾輪，機軸，車軸，齒輪箱之類的機器零件在安裝前都要噴涂。電弧噴涂也用于磨損部件的修復(fù)。電弧噴涂防腐涂層用于管道，鍋爐，海上平臺，大橋以及混凝土和其他金屬結(jié)構(gòu)中的鋼筋。美國海軍也廣泛使用電弧噴涂進行船體建造和維修。電弧噴涂在維修渦輪機葉片時已被證明十分有效。汽車業(yè)也用電弧噴涂技術(shù)對發(fā)動機和其他汽車部件進行噴涂5。1.2 電弧噴涂1.2.1 電弧噴涂的原理及特點電弧噴涂是利用兩根連續(xù)送進的金屬作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，利用壓縮空氣將熔化的絲材霧化，并以高的速度噴向工件表面形成涂層的一種熱噴涂方法。其工作原理如圖1所示。噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料通過送絲裝置均勻連續(xù)的分別送進電弧噴涂槍中的導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正負極并保證兩根絲材在未接觸前的可靠絕緣。當兩根金屬絲材端部由于送進而相互接觸時，發(fā)生短路而產(chǎn)生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣將熔融金屬熔化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。噴涂及形成過程如圖1所示。圖1 電弧噴涂原理圖1一直流電源 2一絲盤 3一金屬絲 4一送絲滾論 5一導(dǎo)電快 6一導(dǎo)電嘴 7一空氣噴嘴 8一壓縮空氣 9一電弧 10一噴涂粒子11一涂層 12一工件高速電弧噴涂技術(shù)具有以下特點：(1)涂層結(jié)合強度較高、硬度高、孔隙率低 電弧噴涂時，熔滴溫度可達6000以上，微熔滴加熱溫度、噴射速度都比火焰噴涂時高，因此粒子的動能和熱能都比較高，從而獲得較高的結(jié)合強度和涂層強度。試驗證明，電弧噴涂的結(jié)合強度約是火焰噴涂層的2.5倍。電弧噴涂形成的涂層硬度要比噴涂材料高30%一80%。電弧噴涂涂層的孔隙率小于8%，低于火焰噴涂所得的涂層的孔隙率。(2)生產(chǎn)率高、安全可靠 電弧噴涂的生產(chǎn)率正比于噴涂電流，它的高效率表現(xiàn)在單位時間內(nèi)噴涂金屬的用量大。(3)能源利用率高，噴涂成本低 電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法，而能源費用降低50%以上。除它的能源利用率很高外，加之電能的價格又遠低于氧氣和乙炔，其費用通常僅為火焰噴涂的1/5一1/10，等離子噴涂成本的1/5一1/20，而其噴涂效率卻提高了近一倍。(4)設(shè)備造價低、使用維修方便、便于現(xiàn)場施工電弧噴涂設(shè)備成本只有等離子噴涂設(shè)備的1/4一1/6。而且電弧噴涂設(shè)備體積小、重量輕、移動方便、易損件少，維修方便，易于現(xiàn)場施工。1.2.2 電弧噴涂涂層的形成過程電弧噴涂涂層形成過程比較復(fù)雜，涉及流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、冶金熱力學(xué)、傳熱學(xué)等領(lǐng)域，另外噴涂工藝參數(shù)如噴涂電壓、噴涂電流、空氣壓力、噴涂距離等也對涂層的形成有一定的影響。盡管各種噴涂和噴焊方法所用熱源、涂層質(zhì)量即結(jié)合強度有所差異，但其噴涂過程、噴涂時粒子流的特點、涂層的成分與涂層的結(jié)合機理卻基本相同。噴涂材料從進入熱源到形成涂層，整個噴涂過程要經(jīng)歷以下階段：（1） 噴涂材料的加熱和熔化 電源的正負極分別和一根金屬絲相連，并與噴嘴端部形成一定的角度。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度是兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，電弧區(qū)可產(chǎn)生高達 4000K6000K 的高溫，兩根金屬絲端部熔化成熔滴，霧化氣流的拖拽作用使熔滴被霧化，加速噴射到基體的表面。（2）熔滴的霧化 熔滴的霧化效果直接影響到涂層的質(zhì)量，因此噴涂中一個重要的參數(shù)就是與物化有關(guān)的氣體壓力。霧化氣流在噴涂中起兩個作用：一是將熔化的金屬從絲材端部剪開并霧化成熔滴；二是為霧化熔滴提供飛行動力。霧化氣體的壓力在一定程度上影響到了電弧的穩(wěn)定性、熔滴的形成及霧化的效果。 （3）熔滴的飛行 離開熱源的高溫區(qū)的熔化態(tài)或軟化態(tài)的細小粒子在氣流或射流的推動下向前噴射，在達到基體表面之前的階段屬于粒子的飛行階段。在飛行過程中，粒子的飛行速度隨著粒子離開噴嘴距離的增大而發(fā)生如下變化：粒子首先被氣流或射流加速，飛行速度從小變大，達到一定距離后飛行速度逐漸變小。這些具有一定溫度和飛行速度的粒子到達基體表面是即進入噴涂階段。（4）涂層的形成 具有一定速度的熔融粒子高速飛行，遇到基體表面的阻礙會產(chǎn)生強烈碰撞，粒子的動能轉(zhuǎn)化成熱能并部分傳給基體，同時微細粒延凸凹不平的表面產(chǎn)生變形，變形的粒子迅速冷卻、收縮、凝固，呈扁平狀黏結(jié)在基體表面。噴涂過程中金屬絲材端部不斷熔化.脫離.霧化，而這一過程產(chǎn)生的粒子束源源不斷的運動并沖擊基體表面，產(chǎn)生碰撞-變形-冷凝-收縮過程，變形的粒子與基體表面之間，以及顆粒與顆粒之間互相黏結(jié)在一起，從而形成涂層。涂層形成過程如圖 1.2 所示。圖1.2 涂層形成過程圖1.3為典型電弧噴涂層橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可以看出，典型的涂層是由扁平顆粒、氧化物、孔隙等組成。圖1.3 電弧噴涂層橫截面結(jié)構(gòu)示意圖1.2.3 涂層的結(jié)合機理 涂層的結(jié)合包括涂層和基體表面的結(jié)合及顆粒之間的結(jié)合。涂層與基體表面的結(jié)合強度稱為結(jié)合力；顆粒之間的結(jié)合強度稱為內(nèi)聚力。大量的研究表明，這類結(jié)合有三種形式：（1）機械結(jié)合 高速熔融的粒子與經(jīng)過凈化和粗化處理的工件表面撞擊后產(chǎn)生變形，與凹凸不平的表面相互嚙合，形成機械結(jié)合。顆粒的快速冷卻及收縮進一步增強了結(jié)合。這是熱噴涂涂層的主要結(jié)合形式。（2）冶金、化學(xué)結(jié)合 涂層與基材表面之間相互擴散，在結(jié)合面上生成金屬間化合物或固溶體，稱為冶金或化學(xué)結(jié)合。（3）物理結(jié)合 主要由范德瓦力或次價鍵形成的一種結(jié)合模式。1.2.4 電弧噴涂工藝過程和工藝參數(shù)電弧噴涂工藝的一般過程為：噴涂預(yù)處理 噴涂噴涂后處理。（1） 噴涂預(yù)處理 這一過程包括表面的清洗和粗化處理。清洗的目的是除去表面的污、油、銹等，采用的清洗方法一般有堿洗法、溶液洗滌法和蒸汽清洗法。對于基體表面的氧化膜可采用切削加工法、人工法和酸洗法去除。粗化通常選用的方法是噴砂，它是用高速壓縮空氣將砂粒噴射撞擊到待噴涂基體表面上，使基體形成凹凸不平的粗糙表面的預(yù)處理工藝，可根據(jù)硬度的要求選擇使用冷硬鐵砂、氧化鋁砂、氧化硅等。另外，對不適合噴砂的表面可采用鋼刷刮刷或車削加工的方法。粗化后應(yīng)盡快噴涂，避免二次氧化和污染。（2）噴涂涂層 工件經(jīng)預(yù)處理后，一般先在表面噴涂底層，檢驗合格后，然后再噴涂工作層。電弧噴涂是金屬絲在噴槍口相交產(chǎn)生短路而引發(fā)電弧、熔化，通過壓縮空氣使熔融的液滴霧化，以一定的速度噴向工件表面，從而形成連續(xù)的涂層。（3）噴涂后處理 為了改善涂層的質(zhì)量，噴涂后應(yīng)進行必要的處理。其方法主要有手工打磨、機械加工、封閉處理、高溫擴散處理、熱等靜壓處理及激光束處理等。手工打磨是用砂紙、拋光布等手工方法打磨涂層表面，以改善涂層表面的粗糙度；機械加工是用機床對涂層進行切削加工，以獲得所需尺寸和表面粗糙度；封閉處理是用封閉劑對涂層進行孔隙的密封，以提高工件的防護性能。等靜壓處理是將噴涂后的工件放入高壓容器中，沖入氫氣后，加壓加溫，以使涂層和基體金屬內(nèi)存在的缺陷受熱受壓后得到消除及改善，進而提高涂層的質(zhì)量及強度。電弧噴涂的主要工藝參數(shù)有：噴涂電壓、噴涂電流、霧化空氣壓力、噴涂距離等。（1）噴涂電壓噴涂電壓是指金屬絲尖端之間的電弧電壓，電壓的有效控制可以保持霧化區(qū)幾何形狀的穩(wěn)定。每種材料都有電弧穩(wěn)定燃燒的電壓值。噴涂電壓越低融融的粒子尺寸就越小，但當?shù)陀谂R界電壓，電弧就不能穩(wěn)定的燃燒；噴涂電壓越高，粒子的尺寸就越大，當高于臨界電壓時，材料的元素?zé)龘p程度大大增加，伴隨著熔融顆粒的增大，沉積率逐漸下降。因此，在保證噴涂質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量降低電壓值。（2） 噴涂電流 電流也是影響涂層質(zhì)量的主要因素。當噴涂電流較小時，噴涂材料熔化得不充分，甚至出現(xiàn)未熔絲材，而且粒子變形也不充分；隨著電流的增大，功率也隨之增大，噴涂材料熔融良好，顆粒變形充分，有利于粒子之間的良好結(jié)合；但當電流過大時，由于噴涂材料的氧化嚴重，導(dǎo)致涂層中孔隙和夾雜物明顯提高，致使涂層質(zhì)量下降。因此，要準確定位電流區(qū)間。（3） 霧化空氣壓力 空氣壓力在很大程度上決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度，粒子霧化越充分，所得到的涂層也越致密，得到的涂層的質(zhì)量就越高。壓力過小，導(dǎo)致粒子變形不充分，粒子之間不能很好的結(jié)合；壓力過大，粒子物化的更細小，但同時也增加了粒子的氧化程度，降低涂層的質(zhì)量。（4）噴涂距離噴涂距離是重要的參數(shù)之一，它決定顆粒撞擊到零件表面的沖擊力及涂層的溫度。隨噴涂距離的增加，粒子的速度不斷的增加，但粒子的熱能在不斷減少，因此，綜合考慮涂層質(zhì)量，噴涂距離的范圍一般在 80mm200mm 之間。1.3 電弧噴涂的發(fā)展趨勢 電弧噴涂技術(shù)就是熱噴涂技術(shù)的發(fā)展方向，在美國、日本、德國和西方主要發(fā)達國家已規(guī)定：不用電弧噴涂技術(shù)處理的鋼結(jié)構(gòu)是偽劣產(chǎn)品1。電弧噴涂技術(shù)重點應(yīng)用于防腐、耐磨及特種功能。在近40年的發(fā)展后，尤其是在近20年，電弧噴涂技術(shù)得到了快速的發(fā)展，通過電弧噴涂技術(shù)可以制備耐磨又耐腐、致密、結(jié)合強度高的高質(zhì)量涂層，目前接近等離子噴涂的水平，在國際上已部分取代火焰噴涂和等離子噴涂。據(jù)統(tǒng)計，在所有的熱噴涂技中，電弧噴涂的應(yīng)用市場比例已接近第三位。電弧噴涂技術(shù)的進步主要表現(xiàn)在噴涂材料、噴涂設(shè)備、噴涂理論三個方面研究所取得的成效。（1） 噴涂材料的發(fā)展 在電弧噴涂中，噴涂材料有多種多樣，一般可分為實芯絲材和粉芯絲材。實芯絲材制造簡單，成本較低，但性能單一，不能得到高性能的復(fù)合涂層。而粉芯絲材能夠使涂層具有金屬基復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)特性。 20世紀70年代以來，粉芯絲材的出現(xiàn)給電弧噴涂技術(shù)帶來了生機。粉芯絲材既克服了高合金成分難以拔絲的困難，同時還能使一些不導(dǎo)電的顆粒材料(陶瓷及碳化物)填充到粉芯絲材中，在電弧噴涂上得以應(yīng)用，如AIO、TiO、TiB和CrC等。由于粉芯絲材的成分具有易調(diào)節(jié)、生產(chǎn)周期短、選材便利以及成本較低等優(yōu)點，因此促進了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。近來隨著高合金和鋅鋁合金(85/15)絲材的出現(xiàn)，使電弧噴涂技術(shù)得到更快的發(fā)展。 北京工業(yè)大學(xué)的方建筠、魏琪等人在20 鋼基體上噴涂含陶瓷TiB/AlO，TiB，CrC，TiB，CrC及TiB、CrC、AlO的管狀噴涂絲材，采用光學(xué)顯微鏡 對涂層的微觀特性進行分析。結(jié)果表明，涂層中含有TiB、CrC、AlO、CrO等陶瓷相。通過對涂層常規(guī)性能測試表明，含TiB/AlO 和CrC 的涂層孔隙率較低、結(jié)合強度高、并具有優(yōu)良的耐磨性及抗熱震性18。 賀定勇，張發(fā)云、蔣建敏等人采用電弧噴涂含TiC陶瓷粉末的粉芯絲材，在低碳鋼基體上制備了鐵基復(fù)合涂層。結(jié)果表明：采用電弧噴涂工藝可制備含TiC陶瓷硬質(zhì)相的復(fù)合涂層，在鐵基體上彌散分布著一定量的TiC硬質(zhì)顆粒，使整個涂層得到強化，涂層顯微硬度平均值約為1137 HV0.1，涂層的抗磨粒磨損性能較好，相對Q235鋼提高了6倍17。他們又分別將WC、Cr3C2 等碳化物陶瓷粉末與304不銹鋼帶軋制成2種粉芯絲材，采用電弧噴涂技術(shù)在Q235鋼基體上制備鐵基復(fù)合涂層。結(jié)果表明：碳化物陶瓷粉末的加入使涂層的硬度和耐磨性顯著提高，涂層的平均顯微硬度值高達11001200 HV0.1，鐵基復(fù)合涂層的耐磨性比Q235鋼高1618倍18。 （2） 噴涂設(shè)備的進展 為進一步拓寬電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用范圍，科研工作者在引進國外技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了適合我國國情的電弧噴涂設(shè)備，已開發(fā)出高速電弧噴涂(HVAS)、低壓(真空)電弧噴涂、保護氣體電弧噴涂、燃燒電弧噴涂(ComAr)、復(fù)合超音速電弧噴涂(SonArc)技術(shù)等；研制出新型電弧噴槍，提高了霧化效果，降低了涂層孔隙率；改進了噴涂電源，大大地提高了噴涂電源的穩(wěn)定性；通過對噴涂設(shè)備的自動化改造，使計算機控制和機器人操作等技術(shù)在電弧噴涂中的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。（3） 基礎(chǔ)理論及工藝的進展 目前，對電弧噴涂技術(shù)的理論研究主要集中在:反應(yīng)機理、溫度場、速度場，粒子狀態(tài)及影響因素，界面擴散及冶金反應(yīng)、涂層性能及涂層質(zhì)量的評定和計算及其模擬等方面。 在受到挑戰(zhàn)的同時，電弧噴涂也迎來了發(fā)展的機遇。正是由于電弧噴涂有較多的優(yōu)點，使熱噴涂中從事電弧噴涂研究的工作者產(chǎn)生了極大興趣?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，在為其它技術(shù)領(lǐng)域注入活力的同時，也為電弧噴涂克服自身的缺點提供了新的技術(shù)途徑。從提高壓縮空氣氣流的速度出發(fā)，來提高噴涂粒子的速度，使粒子的速度達到或超過音速，進而提高電弧噴涂涂層與基體的結(jié)合強度，并同時降低孔隙率，這種發(fā)展機遇是一定會被人們抓住的。1.4 本課題研究意義及內(nèi)容伴隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們對當前機加工刀具的要求也越來越高，使得普通高速工具鋼和硬質(zhì)合金刀具已不能勝任這些材料的機械加工，迫切需要一種耐磨性更高、壽命更長、能穩(wěn)定實現(xiàn)高精、高效、長時間機械切削加工的超硬刀具。刀具表面涂層技術(shù)是根據(jù)市場需求而發(fā)展起來的表面改性技術(shù)。該技術(shù)可使切削刀具具備良好的綜合性能， 不僅可有效地延長刀具使用壽命， 而且還能大幅度地提高加工效率。涂層技術(shù)主要應(yīng)用到基體為高速鋼和硬質(zhì)合金刀具中。其主要作用有: 使刀具具有優(yōu)良的耐磨性、紅硬性、抗氧化性， 即使在惡劣的加工環(huán)境下， 其涂層薄膜與基體仍有良好的結(jié)合強度。因此， 為滿足現(xiàn)代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求， 世界各國都十分注重涂層技術(shù)的發(fā)展。如今， 涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50 %， 其中數(shù)控加工設(shè)備對鋼件銑削、鉆、鍵等等加工， 使用涂層刀具更達到9 0% 以上。本課題主要內(nèi)容：利用電弧噴涂制備涂層刀具。要解決的問題：（1） 了解電弧噴涂原理；（2） 了解制備涂層刀具的實驗設(shè)備以及制備過程；（3）噴涂工藝參數(shù)對涂層組織的影響規(guī)律；（4）噴涂工藝參數(shù)對涂層性能的影響規(guī)律。2 電弧噴涂涂層的制備及試驗方法2.1 涂層的制備工藝2.1.1 電弧噴涂的設(shè)備 本課題采用中國農(nóng)機院表面工程技術(shù)研究所制造的DZ.ARC400型高速電弧噴涂系統(tǒng)，由電弧噴槍、噴涂電源、送絲機構(gòu)和空氣壓縮機等組成。電弧噴涂設(shè)備如圖 2.1 所示：（a）電弧噴槍（b）噴涂系統(tǒng)（c）噴涂電源（d）送絲機構(gòu)圖2.1 電弧噴涂設(shè)備2.1.2 噴涂工藝參數(shù)電弧噴涂前應(yīng)該對試樣進行清理，實樣表面先用用丙酮清洗除去油污，然后對基體表面噴砂處理，來除去鐵銹和粗化基體表面，為下一步的噴涂做好準備。電弧噴涂最重要的工藝參數(shù)為：噴涂電流、噴涂電壓、霧化空氣壓力、噴涂距離。通過參考文獻并經(jīng)過反復(fù)實驗，表2.1為本實驗采用的工藝參數(shù)。表2.1 電弧噴涂工藝參數(shù)噴涂電流/A噴涂電壓/V噴涂距離/霧化空氣壓力/MPa16024024321002000.50.72.1.3 電弧噴涂材料本試驗采用 45 鋼作為基體材料，試樣尺寸長寬高為 30 mm10 mm2mm。噴涂絲材直徑為3mm 的實心 1Cr13 馬氏體不銹鋼絲，所用陶瓷粉末為AL2O3粉，其成分見表 2.2。表 2.2 噴涂絲材 1Cr13 成分成分C(碳)Si(硅)Mn(錳)P(磷)S(硫)Cr(鉻)含量0.1500.1000.1000.0350.03011.513.52.2 電弧噴涂涂層表征儀器及實驗方法2.2.1 電弧噴涂涂層檢測儀器1 光學(xué)顯微鏡本實驗采用 OLYMPOS 型光學(xué)顯微鏡。該顯微鏡是將光轉(zhuǎn)換技術(shù)，計算機圖像處理技術(shù)和光學(xué)圖像分析完美結(jié)合，可以很容易地在電腦上觀察光學(xué)圖像，從而對圖像進行光學(xué)測繪，評級和分析等。2 掃描電鏡（SEM）本實驗采用日立 S.4800 型掃描電子顯微鏡對基體的表面形貌進行觀察，并用其配備的EDAX 型能譜儀對涂層組織進行能譜分析，掃描電子顯微鏡的分辨率為 3.5nm，加速電壓為 25kV，電流為 30A。使用該掃描電鏡時，其樣品制備工作簡單，不用切成薄片，圖像分辨率較高，電子束損害程度較小，可以更好的觀察基體的形貌。2.2.2 涂層硬度的測定噴涂后的涂層經(jīng)切樣、磨樣、拋光、清洗等過程制成金相試樣。 測量涂層的硬度采用的是上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的寶棱牌數(shù)字顯微硬度儀，型號為 HXD.1000，壓頭為正棱錐形金剛石壓頭。由于涂層相對于大塊材料來說，厚度較薄，本實驗主要測量涂層表面、橫截面的顯微硬度。將制備好的金相試樣放在電子顯微硬度儀上進行觀察，選定待測區(qū)域，所選用的加載載荷為 200gf（1.96N），并保持加載 15s，然后卸去載荷，測量對角線長度，得到維氏硬度值讀數(shù)。試驗中要選擇多個區(qū)域測量多個硬度值，并取其平均數(shù)作為涂層的硬度值。2.2.3 涂層結(jié)合強度的檢測 用粘結(jié)劑對偶試樣拉伸試驗法測定涂層的結(jié)合強度，結(jié)合強度試驗所用粘結(jié)劑為天津燕?；瘜W(xué)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 HY.914 室溫快速固化環(huán)氧膠，在 100 N液壓萬能實驗機上進行拉伸試驗，拉伸試驗后根據(jù)斷面類型和斷裂強度公式來評定其結(jié)合強度。 結(jié)合強度的計算公式為: R=F/A 式中 R-所求的涂層的結(jié)合強度； F-斷裂時所施加的力的大??； S-試樣的橫截面積； 實驗結(jié)果可能有下述五種斷裂形式: a 試樣基體與涂層在界面完全分離；b 涂層內(nèi)部層間完全分離； c 涂層與粘結(jié)劑的界面完全分離； d 粘結(jié)劑本身層間完全分離； e上述幾種情況綜合存在的多種分離狀態(tài) ； 2.4 拉伸試樣圖 上述五種斷裂形式中，若為 a、b 或者 a 和 b 同時存在的三中狀態(tài)時，該結(jié)果可作為測定的結(jié)合強度，除此以外的狀態(tài)如果發(fā)生，則測定結(jié)果無效，應(yīng)重新制作試樣進行試驗。2.2.4 涂層磨損性能實驗圖2.5 環(huán)-塊磨損實驗示意圖該實驗的涂層磨損方式是環(huán)塊相對滑動對磨，使用的機器是 MM.200 型磨損試驗機。在進行磨損的時候，試樣塊固定不動，通過對磨環(huán)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)相對滑動運動，如圖 2.5所示。在磨損時采用無潤滑摩擦磨損，切線速度均為 0.4 m/s。 對磨環(huán)材料為 GCr15(0.951.05C，0.20.4Mn，0.150.35Si，1.31.65Cr，0.3 Ni，0.25Cu，余量為 Fe (wt%)，對磨環(huán)經(jīng) 860淬火，250回火后，硬度為 60HRC。摩擦磨損過程中跟蹤收集記錄下摩擦力矩，卸載后清洗磨損后的試樣，用涂層的失重來衡量涂層的耐磨性能。試驗結(jié)束后利用 PHILIPS XL30/TMP 型掃描電鏡對磨損表面的形貌以及成分進行分析，研究涂層摩擦磨損機理。3 涂層組織結(jié)構(gòu)的研究采用正交試驗方法研究了電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層組織結(jié)構(gòu)的影響。利用金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡來觀察涂層的組織形貌，了解不同電弧噴涂工藝參數(shù)下涂層的顯微組織。3.1 正交試驗方案設(shè)計 基材表面經(jīng)2060目剛玉噴砂（噴砂壓力為0.6MPa）處理后，在DZ.ARC.400 電弧噴涂設(shè)備上進行噴涂試驗?？疾斓墓に噮?shù)為噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離、霧化空氣壓力。不同的工藝參數(shù)稱為因素，而每一個工藝參數(shù)的不同取值稱為水平。根據(jù)正交表的原則：正交表的因素數(shù)與水平數(shù)不小于要考察的因素數(shù)和水平數(shù)，因此在均勻分布各個范圍的工藝參數(shù)并結(jié)合實驗需要的基礎(chǔ)上，本文采用了 L9（3）正交表，其參數(shù)選擇如表 3.1所示。表 3.1 四因素三水平參數(shù)選擇水平噴涂電流/A噴涂電壓/V噴涂距離/霧化空氣壓力/MPa1160241000.52200281500.63240322000.7表 3.2 噴涂工藝參數(shù)正交實驗方案水平噴涂電流/A噴涂電壓/V噴涂距離/霧化空氣壓力/MPaNO.1NO.2NO.31601601602428321001502000.50.60.7NO.4NO.5NO.62002002002428321502001000.70.50.6NO.7NO.8NO.92402402402428322001001500.60.70.53.2 電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層組織的影響涂層的組織形態(tài)決定涂層的性能。電弧噴涂時各個工藝參數(shù)都會對涂層的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此，工藝參數(shù)在一定程度上決定了涂層的性能。本節(jié)主要研究的是電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層組織的影響。在SEM下，觀察涂層表面的組織結(jié)構(gòu)。3.2.1 噴涂電壓對涂層組織的影響圖3.1、圖3.2圖 3.3是試樣1、2、3在噴涂電壓分別為 24V，28V 和 32V的涂層的顯微組織圖。圖 3.1 中的 B 點和圖 3.3 中的 C 點、D 點、E 點分別為涂層中觀察到的孔隙。從掃描照片中可以看出，3號試樣的孔隙明顯比 1 號和 2 號多。這是因為隨著噴涂電壓的增加，霧化液滴的尺寸也增大，元素?zé)龘p程度加劇，氧化物含量增高，涂層致密性下降。涂層中孔隙的形成原因主要有二個:一是在顆粒沉積過程中形成。這是由于涂層是由許多變形粒子堆疊形成的，變形粒子在堆疊過程中，不能完全重疊，特別是那些速度和溫度較低的粒子，變形更不充分，在粒子堆積過程中容易形成孔隙，如圖 3.1 中的 B 點和圖 3.3 中的 C 點；二是有少量空氣溶解在熔融金屬液滴中，形成涂層后冷卻，空氣逸出形成孔隙，這類孔隙一般比較圓滑，成球形，如圖 3.3 中的 E 點。 圖3.1.1 表面形貌 圖3.1.2 橫截面形貌圖3.1 1號試樣掃描照片 圖3.2.1 表面形貌 圖3.2.2 橫截面形貌圖3.2 2號試樣掃描照片圖3.3.1 表面形貌 圖3.3.2 橫截面形貌圖3.3 3號試樣掃描照片3.2.2 霧化空氣壓力對涂層組織的影響圖3.4、圖3.5圖 3.6是試樣4、5、6在霧化空氣壓力分別為 0.7MPa，0.5MPa 和 0.6MPa的涂層的顯微組織圖。從圖中可以看出，4 號試樣的孔隙要少于 5 號和 6 號試樣，其中 5 號試樣的孔隙最多，這是由于 5號試樣的霧化空氣壓力較小，金屬顆粒霧化不充分，在連續(xù)撞擊到基體形成涂層時霧化粒子不能充分扁平化，粒子的堆積過程中層與層之間不能較好的疊加，易形成孔隙，降低涂層的致密性。圖3.4.1 表面形貌 圖3.4.2 橫截面形貌圖3.4 4號試樣掃描照片圖3.5.1 表面形貌 圖3.5.2 橫截面形貌圖3.5 5號試樣掃描照片圖3.6.1 表面形貌 圖3.6.2 橫截面形貌圖3.6 6號試樣掃描照片3.2.3 噴涂距離對涂層組織的影響圖 3.7、圖 3.8、圖3.9是試樣7號、8號、9 號在噴涂距離為200mm、100mm、150mm的涂層的顯微組織圖。由圖可以看出，9號試樣的孔隙最少，其次為7號試樣，孔隙最多的為8號試樣。噴涂距離過大或過小都會影響涂層的質(zhì)量，當噴涂距離過小時，一、由于霧化粒子的速度較小，在撞擊到基體時變形不充分，粒子不能較好的重疊；二、由于噴涂距離近，粒子霧化不充分，且基體和涂層受到電弧的加熱，溫度會升高，氧化現(xiàn)象比較嚴重。二者綜合作用，導(dǎo)致涂層孔隙率升高，致密性下降，如1號、6號和8號試樣。當噴涂距離過大時，熔融粒子的溫度和速度會隨著距離的增加而降低，粒子在撞擊到基體時變形不充分，變形粒子的不充分重疊會形成孔隙，如3號和5號試樣。噴涂距離適中，為150mm時，粒子霧化充分且速度較大，在撞擊到基體時粒子扁平化充分，孔隙減少，如2號、4號和9號試樣。圖3.7.1 表面形貌 圖3.7.2 橫截面形貌圖3.7 7號試樣掃描照片圖3.8.1 表面形貌 圖3.8.2 橫截面形貌圖3.8 8號試樣掃描照片圖3.9.1 表面形貌 圖3.9.2 橫截面形貌圖3.9 9號試樣掃描照片3.2.4 噴涂電流對涂層組織的影響 由1號9號試樣的掃描形貌可以看出，隨著噴涂電流的增大，涂層孔隙減少。隨著噴涂電流的增大，絲材的熔化溫度增高，霧化粒子所含的熱焓增多，當高速飛行的霧化粒子連續(xù)撞擊到基體表面時，有利于熔融粒子的鋪展，涂層的致密性提高，孔隙率降低。如7號、8號和9號試樣的噴涂電流最高，為240A，與其他試樣相比，孔隙較少，涂層的致密性較高。但是噴涂電流也不能過大，過大的電流會導(dǎo)致熔融粒子中的元素?zé)龘p加劇，粒子沉積效率降低，涂層孔隙率增加，致密性下降。4 涂層性能的研究評價涂層性能涉及到多方面的技術(shù)指標，對絕大多數(shù)涂層來說，檢測的項目是相同的，但性能指標稍有區(qū)別。4.1 涂層的顯微硬度 涂層硬度與涂層材料類別、涂層的顯微組織、涂層的相結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。噴涂材料的性質(zhì)很大程度上影響涂層硬度，但涂層硬度與噴涂材料硬度不同，即使是同一種噴涂材料，涂層硬度通常也是不同的。這是因為，基體和熔融顆粒之間存在溫差，當顆粒到達基體表面形成涂層時迅速降溫，形成涂層的顆粒相當于進行了“熱處理”，因此涂層本身硬度低于顆粒硬度。對同一種材料的涂層，顯微組織對涂層的顯微硬度也有較大的影響，涂層越致密顯微硬度越高；相反，涂層內(nèi)含有氣孔和氧化物等夾雜物，致使組織不均勻，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的疏松，硬度也就很低。本節(jié)主要研究電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層顯微硬度的影響。4.1.1 涂層顯微硬度分析按照第三章表 3.2 正交試驗表來制備九組試樣。試樣經(jīng)過打磨、拋光，在 HXD.1000 型數(shù)字顯微硬度儀進行顯微硬度的測量，載荷為100gf(0.98N)，加載時間為 15s。每組試樣測量五個點，并取其平均值作為涂層的顯微硬度值。表 4.1為測定涂層的顯微硬度值，圖 4.1為涂層顯微硬度壓痕。表 4.1 涂層的顯微硬度試樣號測量點1測量點2測量點3測量點4測量點5平均值1564.94669.93566.05535.91541.25575.622704.14626.84609.02654.74620.52643.053584.07553.75583.96591.96547.01572.154579.12515.07587.99579.68563.60565.095561.38559.26549.93499.14566.46547.236606.93561.28590.28542.51543.31568.867593.23512.69546.95601.87672.98585.548457.52501.75697.98677.04672.98601.459798.691036.5794.781271.8722.12771.86圖 4.1.1 涂層顯微硬度壓痕圖 4.1.2 壓痕放大圖 4.1 涂層顯微硬度壓痕掃描照片1Cr13 不銹鋼涂層的顯微硬度 400HV，當添加陶瓷外送粉時，由表4.1可以看出，19號式樣硬度均高于400HV。氧化鋁以彌散形式分布在涂層中，使涂層硬度明顯高于單純的1Cr13 不銹鋼涂層。充分證明了陶瓷顆粒的存在，涂層的顯微硬度顯著提高。電弧噴涂工藝參數(shù)對涂層顯微硬度影響的結(jié)果分析見表。表4.2 采用顯微硬度作為參照標準的正交優(yōu)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為水平i的三次實驗結(jié)果之和 ，i=1、2、3 ， KiAV=Ki/3 由表4.2極差分析結(jié)果可見，RI=92.56，RU=62.2，RL=91.69，RP=52.01，其中 RI RL RP RU，表明在本實驗中工藝參數(shù)對涂層硬度影響由主到次是噴涂電流、噴涂距離、噴涂電壓和霧化空氣壓力。按K1AV 、K2AV 、K3AV數(shù)值確定個因數(shù)最佳水平組合為I3+U3+L2+P1即噴涂電流為240 A，噴涂電壓為32 V，噴涂距離為150 mm，噴涂霧化壓力為0.5 MPa 。由顯微硬度測試結(jié)果表 5.4 可以看出，涂層的顯微硬度從大到小依次為 9 2 8 7 1 3 6 4 5。4.1.2 各因素對顯微硬度的影響(1)噴涂電流對涂層顯微硬度的影響在四個工藝參數(shù)中，噴涂電流是影響涂層顯微硬度的主要因素。這是因為：一、噴涂電流較小時，粒子獲得的能量不能使其充分熔化，與其他粒子在沉積時發(fā)生的熱反應(yīng)不足，與基體接觸后很快就凝固了。當噴涂電流增大后，粒子接受的熱量增加，自身熔化充分，熔融的粒子與基體撞擊時，粒子的鋪展性好，粒子相互層疊，這會增大陶瓷顆粒在涂層中的沉積率，涂層的致密度提高，硬度增大；二、采用高電流噴涂時，金屬粒子氧化程度較大，涂層硬度較高。但如果電流過大，會使涂層產(chǎn)生較多氧化物而變得疏松硬度反而減小。所以應(yīng)該將噴涂電流控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，同時注意與其他3個影響因素的合理匹配，才能獲得硬度較高的涂層。(2) 噴涂距離對涂層顯微硬度的影響噴涂距離是影響涂層顯微硬度的次要因素。這是因為：當噴涂距離較小時，一、熔融粒子在撞擊基體材料之前一直處于加速的過程中，飛行距離較短，到達基體前速度并不是很高，在撞擊基體的過程中，粒子不能充分的變形，彼此之間不能很好的結(jié)合，導(dǎo)致涂層中的孔洞增多，涂層的硬度下降；二、電弧的高溫會提高涂層的溫度，加速熔融粒子的氧化，涂層的氧化程度加重，氧化物和孔隙率增多，從而降低涂層的顯微硬度。隨著噴涂距離的增大，粒子撞擊基體時變形充分，涂層致密好，硬度升高。當噴涂距離過大時，粒子在飛行過程中損失的能量過多，雖然粒子到達涂層時有很高的速度，但是過能量損失過多使粒子溫度降低，撞擊時扁平化程度降低，涂層致密性降低，使得涂層的硬度減小。所以應(yīng)該將噴涂距離控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，同時注意與其他3個影響因素的合理匹配，才能獲得硬度較高的涂層。(3) 噴涂電壓對涂層顯微硬度的影響 噴涂電壓是指兩金屬絲尖端之間的電壓，它反映的是絲材尖端間隙的大小。噴涂電壓的大小一定程度上決定了噴涂絲材的熔化程度。當噴涂電壓太低