發(fā)布日期：12-20                             來源：豆丁網(wǎng)

摘要

 等離子熔覆技術(shù)與其他表面技術(shù)相比有著無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但熔覆層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，制約該技術(shù)在一些精密設(shè)備上的應(yīng)用。因此，將等離子熔覆技術(shù)推廣到精細(xì)熔覆加工，熔覆層尺寸減小，熔覆精度提高，熔覆層組織均勻程度提高，從而提高工件的整體性能，可以穩(wěn)定批量化生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

  本文對等離子精細(xì)熔覆技術(shù)制備的雙面熔覆紙漿機(jī)磨片失效件進(jìn)行研究，應(yīng)用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射、顯微鏡硬度計(jì)等手段，觀察了雙面熔覆層磨損形貌，分析了雙面精細(xì)熔覆層的組織、成分及硬度，得出了磨片失效的原因。并在此基礎(chǔ)上改變?nèi)鄹膊牧象w系與熔覆工藝，對磨片進(jìn)行等離子精細(xì)單面熔覆，增加了熔覆層厚度，觀察分析其組織、成分、硬度及在干滑動(dòng)磨損條件下的耐磨性。

  分析結(jié)果表明：等離子精細(xì)熔覆所得到的熔覆層厚度僅為1-2mm左右，尺寸明顯減小。從熔覆層與基體的結(jié)合面到頂部大致可分為五種結(jié)晶狀態(tài)：平面晶，胞狀晶，樹枝晶，等軸晶，穗狀晶。

  雙面熔覆失效件的失效模式主要為黏著磨損和高應(yīng)力磨料磨損破壞。磨片失效原因?yàn)椋弘p面熔覆層中組織粗大的一面熔覆層較易磨損，加速了對另一面熔覆層的破壞，熔覆粉末中含有大量Cr，雖提高了熔覆層硬度，卻也增大了脆性，降低了耐磨性。

  等離子精細(xì)熔覆涂層的組織均為硬質(zhì)相（Cr，Fe）7C3與γ-Fe/（Cr，F(xiàn)e）7C3共晶組織，單面熔覆層中硬質(zhì)相（（Cr，F(xiàn)e）7C3）的含量比雙面熔覆層多，且分布均勻，并且共晶組織細(xì)小致密。由滑動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果可知：單面熔覆層的平均摩擦系數(shù)大約為0.5，而不銹鋼基體的平均摩擦系數(shù)為0.7左右。單面熔覆層的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于不銹鋼基體的摩擦系數(shù)。

  關(guān)鍵詞：等離子精細(xì)熔覆，紙漿機(jī)磨片，失效，硬質(zhì)相，耐磨性。

  1緒論

  1.1課題的提出

  在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程中，很多機(jī)械設(shè)備往往在經(jīng)過長期使用后就會(huì)報(bào)廢，大都伴隨著設(shè)備功率消耗越來越大、振動(dòng)原來越劇烈、泄露越來越嚴(yán)重、以及維修費(fèi)用過高。這些現(xiàn)象的發(fā)生都是由一些失效結(jié)果造成的，包括機(jī)械設(shè)備零件的腐蝕、磨損、以及變形老化，甚至出現(xiàn)氣孔和裂紋。腐蝕首先是從零件表面開始的，磨損也是在零件表面發(fā)生，變形則表現(xiàn)為表面相對位置的錯(cuò)移，老化是零件表面與介質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果，疲勞裂紋是由表面向零件內(nèi)部延伸，所以這些問題的“癥結(jié)”都是表面問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的性能要求也越來越高。由于很多機(jī)械零部件要求在高溫、高壓、高速或高濕度的條件下長期穩(wěn)定地工作，因而對材料的性能提出很高的要求。

  我國對于紙和紙板的用量非常大，已經(jīng)超過了8500萬噸，磨漿機(jī)是造紙的主要設(shè)備，而磨盤磨片是磨漿機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，且非常容易損壞，但其市場需求量卻很大。其中，磨片質(zhì)量、磨片的更換周期則直接影響著紙漿的質(zhì)量及其生產(chǎn)率。紙漿磨漿機(jī)磨片對表面耐沖擊磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損性能要求很高，往往由于其快速磨損而導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，甚至整套設(shè)備停產(chǎn)。因此，要解決這些問題，利用表面技術(shù)可以得到很大改善。

  表面技術(shù)在制備功能涂層方面具有很大優(yōu)勢，在于其能夠用多種方法制備出涂層，且性能優(yōu)于基體材料。由這種方法制備出來的涂層厚度一般只有幾毫米，甚至到幾十微米，僅占工件整體厚度的幾十分之一，甚至幾百分之一，卻使工件具有了更加優(yōu)良的耐高溫性及耐磨蝕性能，且其性能遠(yuǎn)高于基體。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，如噴涂、涂敷燒結(jié)、堆焊、電鍍（化學(xué)鍍）、化學(xué)熱處理等，由于所獲得的涂層與基體的結(jié)合力差、性能低、成本高、有污染等，都未獲得成功應(yīng)用。

  目前主要采用馬氏體不銹鋼鑄造齒條后，直接焊接到磨漿機(jī)轉(zhuǎn)子及定子上使用，其抗磨損性能并不理想。激光束熔覆技術(shù)在提高金屬材料表面抗磨粒磨損、腐蝕磨損以及沖擊力磨損方面非常有效，但是它的最大缺陷是效率較低、工藝復(fù)雜且成本比較高，因此僅適合于生產(chǎn)少量高附加值產(chǎn)品，距大規(guī)模推廣應(yīng)用仍有一定的距離。

  而針對等離子熔覆過程中等離子束流的特點(diǎn)而研發(fā)的同步送粉式等離子熔覆厚涂層技術(shù)，則具有等離子束流能量轉(zhuǎn)化率高，設(shè)備造價(jià)低（僅為激光設(shè)備的1/6），設(shè)備維護(hù)方便等獨(dú)特優(yōu)勢，在新材料研制和表面改姓方面逐漸呈現(xiàn)出廣闊的工業(yè)應(yīng)用潛力。等離子熔覆技術(shù)與其他表面技術(shù)相比有著無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是熔覆層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些裂紋，且熔覆層表面粗糙度高于激光熔覆，尤其對于薄層熔覆，更加難以達(dá)到表面精度和光潔度要求，制藥該技術(shù)在一些精密設(shè)備上的應(yīng)用。

  山東科技大學(xué)海納等離子科技有限公司開發(fā)成功的數(shù)控同步送粉表面冶金等離子炬以及相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備，具有大功率、高可靠、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高效熔覆生產(chǎn)提供了可靠的設(shè)備保障，總體經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。現(xiàn)該設(shè)備已用于煤礦采掘運(yùn)輸機(jī)械易損件的表面強(qiáng)化生產(chǎn)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，于近期開發(fā)成功了等離子精細(xì)熔覆設(shè)備與技術(shù)，為本項(xiàng)目的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。等離子熔覆金屬陶瓷涂層技術(shù)，性能達(dá)到了激光熔覆的效果，但生產(chǎn)成本明顯降低，有望成為解決紙漿磨漿機(jī)齒條耐沖擊磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損的有效方法。因而本課題在此基礎(chǔ)上，對等離子精細(xì)熔覆涂層進(jìn)行研究。本文探討了等離子精細(xì)熔覆涂層的形成機(jī)理與特征，通過實(shí)驗(yàn)觀察檢測，對等離子精細(xì)熔覆紙漿機(jī)磨片（雙面熔覆）的失效件進(jìn)行成分、組織及性能的分析，然后改進(jìn)粉末配方，進(jìn)行單面熔覆，進(jìn)而對其熔覆層的組織、成分及性能進(jìn)行分析，從而了解等離子精細(xì)熔覆技術(shù)優(yōu)勢，完善優(yōu)化部分工藝環(huán)節(jié)，進(jìn)而推動(dòng)等離子精細(xì)熔覆的發(fā)展應(yīng)用。

  1.2 等離子熔覆技術(shù)

  1.2.1 等離子精細(xì)熔覆技術(shù)

  等離子精細(xì)熔覆技術(shù)是最近幾年由我國自主研發(fā)的一種新興的表面改性技術(shù)，等離子熔覆技術(shù)以高能密度束為熱源，高能量束流具有效率高、能量集中、應(yīng)用方式靈活、無三廢排放、可實(shí)現(xiàn)其他方法無法實(shí)現(xiàn)等優(yōu)異性能。等離子熔覆凝固結(jié)晶過程是一種非平衡快速凝固過程，同時(shí)具備了過飽和固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)品強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等幾種重要作用來實(shí)現(xiàn)對熔覆涂層的強(qiáng)化。等離子體束與電子束熔覆、激光熔覆不同，在常壓下既可發(fā)生；且工藝過程簡單，在進(jìn)行等離子熔覆之前不需要進(jìn)行任何前處理；設(shè)備成本較低，技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，因而等離子熔覆技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)、低成本、高效的表面改性新技術(shù)。負(fù)壓等離子束熔覆復(fù)合新材料強(qiáng)化技術(shù)標(biāo)志著在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先水平，以成功應(yīng)用于煤礦采掘運(yùn)輸設(shè)備中。

  等離子熔覆技術(shù)采用同步送粉的方式，以高能量密度的等離子弧做為熱源，將合金粉末熔覆在基體材料表面，從而獲得一層組織均勻密度、與基體結(jié)合牢固且呈冶金結(jié)合狀態(tài)的復(fù)合涂層，具有不需要前處理、成分可調(diào)范圍大、熔覆涂層質(zhì)量好、呈冶金結(jié)合成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適于生產(chǎn)耐磨蝕性能良好、耐沖擊的金屬零件，在金屬材料的表面改性方面具有很大的發(fā)展及應(yīng)用前景。

  等離子熔覆技術(shù)有著其他表面技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熔覆層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些裂紋，制約著該技術(shù)在一些精密設(shè)備設(shè)備上的應(yīng)用。

  因此，將等離子熔覆技術(shù)推展到精細(xì)熔覆加工，使處理對象不在僅限于礦山機(jī)械的熔覆處理，將應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，成功運(yùn)用到其他機(jī)械部件表面改性處理上，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景、巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，對等離子熔覆技術(shù)提高了要求，根據(jù)不同的工況條件，待處理工件需要熔覆的金屬陶瓷層尺寸減小，精度及均勻程度提高，工件整體性能大幅度提高，可以穩(wěn)定批量化生產(chǎn)，性價(jià)比優(yōu)于其他表面改性技術(shù)。

等離子精細(xì)熔覆是指通過控制等離子熔覆的工藝流程與工藝參數(shù)，對待加工工件進(jìn)行高精度精細(xì)化處理，使熔覆層尺寸減小，熔覆精度提高，熔覆層組織均勻程度提高，從而提高工件的整體性能，但這些也對該技術(shù)的實(shí)際操作運(yùn)用提高了要求。

  我國紙和紙板產(chǎn)量超過8500萬噸，而磨盤磨片是磨漿機(jī)的關(guān)鍵部位，是一個(gè)易損件，市場需求量巨大。冷軋輥、支撐輥、精整輥、平板輥、大型模具、塑料螺旋擠出桿、汽輪機(jī)葉片、印刷輥、軸與軸承、泥漿泵筒等都需要精細(xì)熔覆。航空航天武器裝備領(lǐng)域存在大量需要精細(xì)熔覆的關(guān)鍵零部件，需要后續(xù)的應(yīng)用研究和市場推廣。

  1.2.2 等離子熔覆技術(shù)的原理

  等離子熔覆技術(shù)是采用高能量密度的等離子弧為熱源，采用同步送粉方式在金屬材料的表面制備得到具有優(yōu)良性能的復(fù)合涂層，涂層能夠滿足耐磨蝕、耐沖擊、耐熱等多項(xiàng)要求，本質(zhì)上是一種非平衡快速熔化、快速凝固過程。等離子熔覆技術(shù)的基本原理如圖1.1：在高能量密度的等離子束流的高溫作用下，金屬材料表面淺層快速熔化，按照等離子束的移動(dòng)方向依次形成與等離子弧的弧斑直徑尺寸相近的熔池，同時(shí)必須將熔覆層合金粉末同步送入熔池中，由于熔池中溫度很高，合金粉末被快速加熱熔化，與熔池中的金屬基體發(fā)生互擴(kuò)散以及各種物理化學(xué)反應(yīng)，形成許多熔池液滴，由于受到等離子束流的吹力、氣體動(dòng)力以及表面張力的共同作用，這些熔池小液滴會(huì)在金屬基體表面鋪展開來。隨著等離子熔覆過程得連續(xù)進(jìn)行，熔池中粉末與金屬基體的熔化與凝固也是不斷進(jìn)行的。沿著等離子束流的移動(dòng)方向，在進(jìn)行熔覆時(shí)，合金粉末不斷送入熔池，與基體表面微熔區(qū)混合互擴(kuò)散并發(fā)生冶金反應(yīng)；而在等離子束移動(dòng)的后方，由于溫度急劇下降，導(dǎo)致熔化速度迅速降低，當(dāng)流入的熱流密度與流出的相平衡時(shí)，合金熔池就開始迅速凝固結(jié)晶，形成與基體材料呈冶金結(jié)合的復(fù)合涂層，等離子熔覆過程中的快速凝固特征以及形成的凝固組織特征與一般合金的冶金過程相比有根大區(qū)別，并直接影響其熔覆涂層的性能。

  等離子熔覆過程是以高能密度的等離子束為熱源的一種近似絕熱的快速加熱和快速冷卻過程，而且其凝固過程是一種動(dòng)態(tài)凝固過程，隨著等離子束的不斷掃描，合金熔池中粉末與基體材料的互擴(kuò)散、熔化與凝固過程是同時(shí)進(jìn)行的。隨著等離子束的不斷向前移動(dòng)，后方的冶金涂層在空氣中由于溫度急劇降低而快速冷卻凝固。冶金熔池中各種溶質(zhì)元素出于極快的凝固速度而來不及完全擴(kuò)散便迅速凝固了，因而等離子熔覆的結(jié)晶過程屬于非平衡快速凝固過程。

  由于等離子熔覆過程是一種快速加熱和冷卻的過程，因而不但可以得到符合相圖規(guī)律的各種合金，也可以得到相圖上不存在的、遠(yuǎn)離平衡的超合金，具有廣泛的應(yīng)用前景。因而有必要研究等離子熔覆的專用熔覆粉末材料。熔覆粉末材料的送入方式也很重要，因?yàn)槿鄹矊拥馁|(zhì)量及各項(xiàng)使用性能直接受其影響。以前使用的預(yù)涂覆方法雖然比較容易將將混合粉末涂覆于基體材料表面，但同時(shí)也存在著很多缺陷，不僅生產(chǎn)效率低、造成粉末大量浪費(fèi)，而且復(fù)合粉末由于黏結(jié)劑的揮發(fā)容易飛濺、易形成氣孔，不容易控制稀釋率、從而導(dǎo)致難以保證熔覆涂層的均勻性。為了彌補(bǔ)預(yù)涂覆方法的不足，采用了同步送粉熔覆技術(shù)。同步送粉法需要提前制備符合平衡相圖規(guī)律的合金粉末。若要制備超合金層，必須使用各成分的粉末形狀、粒度、固態(tài)流動(dòng)性和密度基本一致的混合粉末，且要保證粉末的流動(dòng)性要好，否則會(huì)對熔覆涂層的內(nèi)在和外觀質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

  1.2.3 等離子熔覆技術(shù)特點(diǎn)

  （1）等離子熔覆不需要進(jìn)行任何前處理工作，可直接在油污及銹蝕的金屬工件表面制備與基體呈冶金結(jié)合的高耐蝕復(fù)合涂層，具有堆焊與激光熔覆等技術(shù)所達(dá)達(dá)不到的低成本、高效率等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

  （2）利用等離子熔覆技術(shù)，擴(kuò)大了基體材料的選用范圍。不僅可以使工件的使用壽命增長，而且可以降低制造成本。

  （3）設(shè)備造價(jià)低，對環(huán)境也沒有特殊要求，不需要經(jīng)常進(jìn)行除塵、降溫等操作，維護(hù)簡便且成本較低。

  （4）大大改善了操作環(huán)境，杜絕了有毒氣體的釋放，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也使能耗大幅降低。

  （5）利用等離子熔覆技術(shù)，可以增強(qiáng)易磨損工件的耐磨性，從而提高其使用壽命。在一定程度上降低了停機(jī)檢修的時(shí)間以及費(fèi)用，大大提高了生產(chǎn)效率，增加了產(chǎn)量。

  （6）在負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行等離子熔覆，避免了對流干擾與冷空氣壓縮的負(fù)作用，使等離子弧的穩(wěn)定性及導(dǎo)熱率增強(qiáng)，從而使熔覆質(zhì)量和熔覆效率都大為增加。

  （7）等離子熔覆是在程序控制下進(jìn)行的，操作過程穩(wěn)定易控制，可達(dá)到批量工業(yè)生產(chǎn)的要求。

 1.2.4 等離子熔覆技術(shù)與其它相近技術(shù)的比較