發(fā)布日期：12-27                     來源：豆丁網(wǎng)

1.2.5 等離子熔覆技術研究及應用前景

  利用等離子熔覆技術制備的金屬陶瓷復合涂層性能比較優(yōu)異，實現(xiàn)了熔覆涂層與基體呈冶金結合，而且熔覆涂層的組織均勻性提高。最近幾年，針對等離子熔覆技術的研究主要集中在以下幾個方面：

  （1）涂層的凝固過程、涂層顯微組織、耐磨蝕性及缺陷

  主要研究熔覆涂層的顯微組織特征和性能，其目的是：發(fā)現(xiàn)等離子熔覆在組織性能方面的不足：從而為進一步優(yōu)化工藝參數(shù)提供了一定的指導。這類研究具有很重要的理論與現(xiàn)實意義，很多關于等離子熔覆方面的研究都以此為研究對象。

  （2）各種元素對涂層組織和性能的影響

  調整涂層合金粉末體系中某一種元素的含量，然后分別分析各種含量對涂層組織、性能的影響，最終確定此種元素最利于涂層性能的適合含量。其目的是：分別研究不同元素對熔覆層的組織及性能所產生的影響，從而確定熔覆所需的粉末體系。主要研究過的元素有B、Nb、Cr、Mo、Ni、W、A1及稀土元素（La、Ce）等。

  （3）非正常磨損

  由磨片大面積的碎裂以及斷齒甚至導致停機的磨損就是非正常磨損。這類磨損產生的主要原因有：①由于前期雜質清理不當，而導致一些較硬的大塊雜質隨纖維流一同進入磨漿區(qū)，隨著不斷的摩擦磨損可能會導致磨齒產生裂紋，嚴重時就會產生大面積斷齒。所以，木片以及廢紙在進入磨漿區(qū)之前要進行充分的凈化處理，以保證打漿質量。②在打漿過程中，由于動磨盤與定磨盤之間反復的進行高速度摩擦碰撞而產生較大的沖擊力，當沖擊力超過齒條的屈服條件時，磨齒就會產生微裂紋甚至斷裂。

  上述都是外界因素造成的磨片齒條失效，還有一些磨片自身的存在的質量問題同樣也會引發(fā)磨片失效：首先在磨片材質的選擇上，應該滿足磨片的工況條件，且有足夠高的強韌性，如果磨片材質的脆性很大且耐磨性較低，就會增加更換磨片的時間及經濟成本，降低生產效率。其次如果磨片在鑄造過程中造成質量問題，如縮孔、縮松、甚至裂紋等缺陷，都會影響齒條的性能，造成磨片強度低，塑韌性差，耐沖擊性不好，經過反復磨損就會導致斷齒。因此，這種非正常磨損失效大大降低了生產效率，造成嚴重的經濟損失，應盡可能避免。

1.3.2 紙漿機磨片的材質

1.3.2.1 紙漿機磨片材質的研究

  磨片的耐磨性與磨片材料的硬度和韌性都有關系。為此，磨片材質常遠用高鉻白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵以及不銹鋼。美國、俄羅斯、加拿大、德國、日本、奧地利等國家都爭先恐后的生產紙漿機磨片。通過對國外一系列鑄鐵（鋼）磨片選用材料的研究發(fā)現(xiàn)，經常使用的三種材質中性能最好的是高鉻白口鑄鐵，其次是不銹鋼，鎳硬鑄鐵的性能最差。

  高鉻白口鑄鐵的基體組織為任性良好的奧氏體以及細微狀馬氏體組織，呈片狀和塊狀的碳化物保持了基體的連續(xù)分布狀態(tài)，提高了基體的韌性和耐磨性。因而具有良好耐磨蝕性能的高鉻白口鑄鐵應用非常廣泛。如表1.2為高鉻白口鑄鐵的材料成分。由于其對熱處理及熔煉工藝要求比合金鋼要低，所以在國外具有非常廣泛的應用，但是在我國應用的比較少。

  通過分析磨片的使用情況發(fā)現(xiàn)，合金鑄鐵（鋼）磨片的應用最為廣泛。但是，也有研究通過對比三者的綜合性能指出：就綜合經濟指標來看，不銹鋼磨片明顯優(yōu)于高鉻鑄鐵和冷硬鑄鐵磨片，國內外也有很多采用不同不銹鋼磨片。

  通過閱讀文獻發(fā)現(xiàn)，國內磨片由于韌性較差、抗彎強度低而經常造成磨片大面積的碎裂及斷齒，因而需要經常引進國外材料與技術。與國內的冷硬鑄鐵材料相比，從美國引進的雙磨盤磨漿機磨片的韌性與耐蝕性均較好，但是其硬度較低且耐磨性較差。文獻還研究了從日本引進的高鉻鑄鐵[W（Cr）為22％-32％]磨片，其硬度雖然比美國磨片高、但韌性卻較差。浙江大學研制了一種新型鋼磨片。硬度為45HRC左右，韌性為40-50J/cm2，抗拉強度為1300MPa左右，同時具有合適的抗蝕性，這種磨片的成分和工藝未見公開報道，可能是由于其硬度過低而耐磨性較差。

1.3.2.2 影響磨片耐磨性的因素

 （1）硬度  硬度是影響磨片耐磨性好壞的首要因素。對于不同的磨損機制，對磨片的硬度要求也就不一樣。磨粒磨損對于磨片表面硬度的一般要求為磨粒硬度的一半大小。而疲勞磨損則要求稍低些即可。磨片具有較高硬度就會抑制磨粒的顯微切削作用以及擠壓作用，從而減小對磨片的磨損。

 （2）斷裂韌性 斷裂韌性是評價材料對抗裂紋能力的重要指標，材料的斷裂韌性越高，就越不容易形成裂紋，磨片的耐磨性也就越高。

 （3）塑性 由于具有塑性的材料能夠將材料斷裂時釋放的能量大量吸收而降低了脆性斷裂發(fā)生的概率，減少了侵蝕磨損的發(fā)生，但是塑性卻不利于磨粒磨損。過大的塑性反而會使硬度降低而損害磨片的耐磨性。

 （4）顯微組織 由于材料基體組織起著支撐和黏結碳化物的作用，所以基體與碳化物的高硬度均能增強材料的耐磨性。如果高硬度碳化物強化相的硬度高于與之對磨的磨粒硬度，就會對基體表面形成一定的保護作用，抑制或削弱硬質磨粒對磨片表面的切削，減少對表面的磨損，成碎片狀從磨片表面脫落。因此，高硬度的基體與碳化物的良好結合，能夠增強磨片的耐磨性。

  將馬氏體與奧氏體基體對比發(fā)現(xiàn)，馬氏體基體的抗磨粒磨損性能優(yōu)于奧氏體。而對于耐摩擦磨、耐腐蝕磨損、耐疲勞磨損性能方面奧氏體基體的各項性能都要比馬氏體好。在進行耐磨損試驗中發(fā)現(xiàn)，如果碳化物顆粒的尺寸較小，小于磨粒的切入深度，則影響材料耐磨性的最主要因素就是基體；而如果發(fā)生機械磨損又會加劇腐蝕。所以磨片的損耗不是單一的某一種因素的作用，而是在腐蝕與磨損的雙重作用下發(fā)生的，而且兩種因素不是簡單的疊加作用，而是互相促進，加劇了磨片的損耗。

1.3.2.3 磨片材質的選擇

  從以上對磨片磨損的分析以及影響磨片耐磨性的因素可以看出，要想磨片具備優(yōu)良的各項性能，必須選用合適的磨片材料，而且要具備多方面的性能要求，并且要將各項性能要求綜合起來考慮，使之達到協(xié)調統(tǒng)一，才能使磨片最終達到需要的耐磨蝕性。

  綜上所述，磨片材料不但應具有較高的硬度，還應該具備一定的塑性和斷裂韌性，由高硬度的馬氏體和殘余奧氏體組成的集體組織與高硬度碳化物之間具有良好的結合強度，以及優(yōu)良的耐磨蝕性能。

1.3.1 紙漿機磨片的表面改性

  由以上分析可知，由于造紙過程中原材料所含雜質較多而加速了硬質顆粒對磨片的磨損，因而對紙漿機磨片的耐磨性能要求就非常高。如果采用高合金鑄造磨片，就能顯著提高磨片的耐磨性能，但是另一方面，鑄造成本卻很高，不利于大規(guī)模生產推廣。而將表面改性技術應用到磨片生產中，只在磨齒發(fā)工作表面獲得一層高性能的耐磨涂層，僅使用少量高合金材料，這不僅能解決高成本的問題，而且還能保證甚至提高耐磨片的耐磨性能。

  經查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前許多國內外學者都在研究表面改性技術以得到金屬陶瓷涂層，從而使磨盤磨片的耐磨蝕性能、耐熱能力都得以提高，并且這些研究都取得了一定的成果。其中，初嘉鵬等人利用爆炸噴涂這種新工藝在磨盤磨片的表面牢固、均勻的涂覆上鈷碳化鎢粉末材料，以獲得性能良好的金屬陶瓷層而使磨片的表面硬度和耐磨性都得到提高，降低在工藝處理過程中磨片的變形量。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，獲得的涂層還可以使打漿過程的摩擦系數(shù)得到提高，而且避免了打漿過程中磨片的腐蝕，最終不僅可以使磨片的使用壽命得到顯著提高，而且也提高了打漿質量。

  為了保證熔覆涂層具備優(yōu)良的耐磨性能，需要基體相與強化相之間密切配合來實現(xiàn)。一方面，熔覆涂層中的硬質強化相含量應較高；另一方面，必須有韌性良好的連續(xù)基體相的支撐和粘結作用，為耐磨相提供強大的骨架作用，才能使強化相的耐磨性得到充分發(fā)揮。涂層還需要具備優(yōu)良的韌性，不僅可以減輕工件在快速加熱以及快速冷卻過程中得熱應力以及組織能力，還可以防止工作過程中涂層從基體表面脫落。所以，滿足以上這些性能要求的熔覆涂層組織應該為復合材料組織。希望選用γ鐵基固溶體+金屬碳化物Cr7C3的復合涂層：由于γ鐵基固溶體的韌性和穩(wěn)定性較好、具有緊密的面心立方結構且不發(fā)生固態(tài)相變、在常溫與高溫下都具有非常有益的力學性能，適合充當基體相存在；而金屬碳化物Cr7C3的硬度和穩(wěn)定性都較好，適合作為耐磨相存在。因而這種耐磨性能和耐沖擊性能優(yōu)異的復合陶瓷涂層材料具有很大的應用潛力，有望成為解決低碳鋼零部件耐磨性差、使用壽命短的候選涂層材料。

  本文采用等離子精細熔覆技術，以Fe基合金粉末為添加原料，希望在1Cr17Ni4Mo鑄造不銹鋼基體表面制得以Cr7C3為耐磨增強相、以γ-Fe基固溶體為基體的、十分牢固的高耐磨碳化物-金屬復合材料冶金涂層，從而大幅度提高紙漿機磨片的耐磨蝕性，以期為提高工程機械易損零部件的服役壽命提供有益參考。

 1.4 等離子精細熔覆涂層粉末體系的研究

  從本質上來說，等離子表面熔覆技術其實是一種非平衡快速冶金過程，原則上可不受組成物的相容性、熔點、密度等性質的限制。即可以通過任意的粉末配比，得到理想的性能的合金涂層。

  進行等離子熔覆耐磨涂層時主要選用的粉末材料鐵基、鎳基和鈷基三種物理混合合金粉末。雖然鎳基和鈷基合金粉末都具有良好的自熔性、耐磨蝕性及抗氧化性，但成本非常高，價格相當于鐵基合金粉末的10-30倍，另一方面，雖然鐵基合金粉末的價格比較低，但其自熔性與抗氧化性、熔點適中的金屬或合金；除此之外，還有液相或氣相反應生成法用來生產剩余的一些材料，但是如果材料互不相溶就不能制備合金粉末。

  由于金屬或合金在熔融狀態(tài)下的機械強度要遠低于固態(tài)，因而要粉碎起來所需能量也較少，比粉碎固態(tài)下的金屬或合金更容易操作。霧化法制備的合金粉末具有很多優(yōu)點，如生產成本較低、氧含量不高、具有很高的球形度、可以控制粉末粒度以及適應范圍比較廣，所以在制備特種以及高性能合金粉末方面具有廣闊的應用前景。

  實驗過程中，充分考慮了等離子熔覆技術的特點以及設備的使用情況，而選擇了成本較低、耐磨蝕性能較好的高鉻鐵基合金粉末體系進行研究。

 （1）設計粉末體系的原則 ① 黏度原則，等離子熔覆冶金過程中會發(fā)生很多比較復雜的物理化學反應，其中合金熔池的性質、快速凝固后熔覆涂層的組織形貌及熔覆層的質量均直接受合金熔體黏度的影響，以鐵基合金為例，一些元素如Si、Mn、A1、Cr、As、Ni、Co和Ge等會降低鐵液黏度；而另外一些元素如V、Ta、Nb、Ti、W和Mo等則會增加鐵液黏度。②匹配原則，要求基體材料與熔覆涂層的粉末材料在熔點，熱膨脹系數(shù)等物理性能方面達到一定的匹配度。熔覆涂層中產生開裂的現(xiàn)象比較嚴重，主要原因就是基體材料與合金粉末材料與合金粉末材料的熱膨脹系數(shù)差別很大，因此在熔覆層的制備前，首先要考慮的問題就是基體材料與合金粉末材料的熱膨脹系數(shù)上具有一定的匹配性，還要考慮到基體材料與合金粉末材料之間膨脹系數(shù)的不同而對熔覆涂層的結合強度及抗開裂性能所造成的影響；熔覆涂層中存在的另一個問題就是熔覆涂層與基體之間的結合強度不好，原因是基體材料與合金粉末材料之間的熔點差異過大，導致不能形成良好的冶金結合。如果合金粉末材料的熔點過低，就會使熔覆涂層產生過燒現(xiàn)象，并使基體與涂層之間產生一些夾雜以及孔洞等缺陷；反之，如果合金粉末材料的熔點過高，那么在進行等離子熔覆過程中就會造成基體表面熔化比較多，粉末材料就會融化不完全，而使涂層中含有較多的未熔化顆粒物，最終熔覆涂層被基體嚴重稀釋。所以，在選用合金粉末材料時應盡量使粉末材料與基體材料的熔點相適應。③性能原則：即粉末在設計時應最終滿足工件的使用性能以及用戶希望達到的性能要求；

 （2）元素在鐵基合金中的作用  鐵基合金中的主要元素為Cr、C等，通常除了這兩種元素以外，還需要額外添加一些輔助的合金元素，如Si、Mn、Mo、Ni、Mo、B、Nb等以改善涂層的組織特點和力學性能，下面分別介紹這些合金元素在涂層中的作用：①Cr元素  Cr元素不僅能與Fe元素形成固溶體，還能與Fe元素、C元素形成合金碳化物強化相，從而使合金的耐磨蝕性能顯著提高；②Ni元素 Ni元素能無限固溶于奧氏體中而不形成任何形式的碳化物，而起到穩(wěn)定奧氏體的作用；③Si元素 Si元素能固溶與奧氏體或鐵素體中，起到顯著的固溶強化作用；④Nb元素 Nb元素不僅能固溶于奧氏體中，阻止晶粒進一步長大，還能與C元素形成非常穩(wěn)定的NbC，從而提高合金的抗磨料磨損能力；⑤Mo元素  Mo元素不僅能固溶于γ-Fe中降低碳的溶解度，還能與碳形成硬質碳化物，從而使合金的耐磨性能顯著提高。

  綜上所述，鐵基合金粉末成本較鎳基和鈷基的要低，具有經濟價值意義，并且在工業(yè)領域內很多工件都是鐵基材料，用鐵基粉末進行修復或者處理具有更好的潤濕性能。因此本文參考工廠已有的等離子熔覆產品所用的涂層粉末體系，可有效節(jié)約研發(fā)周期，根據(jù)試驗反饋，及時更改配方，去除在紙漿機磨片中無用或不利的元素成分，增添有利元素，并根據(jù)性價比進行取舍，完善涂層粉末體系，得到專用于紙漿機磨片精細熔覆處理的涂層配方，以便于推廣到大批量的工廠生產應用中去。

1.5 課題研究的意義、目的及內容

1.5.1 課題研究的意義

  等離子束熔覆制備的涂層具有良好的耐磨蝕性、抗沖擊性能等獨特的性能，因而其在建筑、冶金、煤礦機械、軍工機械等領域獲得了成功的應用。以其在煤礦機械上的應用為例，已經實現(xiàn)了工業(yè)化生產；利用等離子熔覆技術生產的煤礦刮板運輸機中的中部槽，通過在井下一定時間的生產應用發(fā)現(xiàn)，經等離子熔覆后的中部槽使用壽命比未熔覆的中部槽壽命大為增加，但生產成本卻增加的很少，另外，這也在一定程度上大大降低了由于更換中部槽而生產的拆遷以及搬運成本，同時也使頻繁更換中部槽的勞動強度得到極大降低，由于中部槽的破壞而造成的煤炭生產中斷的損失也大幅度降低，從而提高了綜合經濟效益。雖然等離子熔覆技術與其他表面技術相比具有很大的優(yōu)勢，但在實驗中發(fā)現(xiàn)，熔覆層中經常會出現(xiàn)一些裂紋，制約該技術在一些精密設備上的應用。因此，將等離子熔覆技術與其他表面技術相比具有很大的優(yōu)勢，但在實驗中發(fā)現(xiàn)，熔覆層中經常會出現(xiàn)一些裂紋，制約該技術在一些精密設備上的應用。因此，將等離子熔覆技術推展到精細熔覆加工，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，使處理對象不在僅限于礦山機械的熔覆處理，將應用領域擴大，陳宮運用到其他機械部件表面改性處理上，具有廣闊的工業(yè)應用前景、巨大的經濟效益和社會效益。

 冷軋輥、支承輥、精整輥、平板輥、大型模具、塑料螺旋擠出桿、汽輪機葉片、印刷輥、軸與軸承、泥漿泵筒等都需要精細熔覆。航空航天武器裝備領域存在大量需要精細熔覆的關鍵零部件，需要后續(xù)的應用研究和市場推廣。

  紙漿磨漿機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致生產效率降低，甚至整套設備停產。近期由山東科技大學青島海納等離子科技有限公司開發(fā)成功的等離子精細熔覆金屬陶瓷涂層技術，性能達到了激光熔覆的效果，但生產成本明顯降低，有望成為解決紙漿磨漿機磨片耐沖擊磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損的有效方法。

  因此，本課題主要針對紙漿磨漿機磨片開展等離子熔覆耐磨蝕金屬陶瓷層的試驗與應用研究，從而了解其技術優(yōu)勢，完善優(yōu)化部分工藝環(huán)節(jié)，進而對推動等離子精細熔覆的發(fā)展應用具有非常現(xiàn)實的重要意義。

1.5.2 課題研究的目的

  將等離子精細熔覆技術應用于紙漿機磨片中，研究目的有二：對磨片材料表面改性，強化膜片性能，延長磨片使用壽命，降低生產成本，縮短制造周期；其二，對產品進行表面修復，恢復磨片強度要求，縮短維修時間，解決企業(yè)生產設備快速搶修難題。同目前磨片表面改性技術相比，等離子熔覆，特別是將該技術發(fā)展到精細熔覆，使該技術脫穎而出。該技術在其他機械零件上的成功運用，使等離子精細熔覆工藝具備足夠實力向其他領域拓展，具有廣闊的工業(yè)應用前景、巨大的經濟效益和社會效益。

  經等離子精細雙面熔覆的磨漿機刀盤齒在江蘇昆山制幣用紙廠使用2個月后，刀盤的刀齒已基本磨損掉，新刀齒高度約35mm，現(xiàn)在只剩下不到5mm，海納公司熔覆的耐磨層部分已經全部消失。制漿加工分粗、中、細3到工序，這次試驗的刀盤安裝在中間工序，主要負責把較長的棉纖維切割成較短的纖維，水溫不超過100℃，水質呈弱堿性。表1.3為經等離子精細熔覆的刀齒與未熔覆刀齒使用情況對比。

  從表中可以看出，刀齒的功耗和加工效率有了很大改善，但是使用壽命卻大大降低。為此，有必要對刀齒進行顯微組織及成分的觀察及分析，以便進行磨損原因的判斷。同時，對刀齒進行等離子精細單面熔覆，增加了鎳基成分，同時增加了熔覆層的厚度，然后再通過觀察分析單面熔覆層的組織成分，與雙面熔覆層進行對比，從而改進公司現(xiàn)有的生產工藝，進而改善產品質量，為大規(guī)模生產標準的制定提供理論依據(jù)和技術支持，使等離子精細熔覆技術走向完善。

1.5.3 課題研究的內容

  （1）對雙面等離子精細熔覆涂層的失效件通過光鏡、掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射、電子探針、顯微硬度計等對方法對涂層的成分組織、相組成和顯微硬度等性能進行分析研究，揭示其失效原因。

對磨片進行單面精細熔覆，并利用光鏡、掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射、電子探針、顯微硬度計等涂層進行分析，觀察分析耐磨金屬陶瓷層的組織、成分及性能，在于滑動磨損條件下進行磨損試驗，分析涂層的組織性能變化情況。

（2）結合分析得到的實驗結果，以優(yōu)化現(xiàn)有的生產工藝，為等離子精細熔覆技術在以后更廣泛的應用領域提供參考的理論知識。完成理論與時間相結合的統(tǒng)一。

結論

  本文通過研究等離子精細熔覆技術制備的雙面熔覆齒條失效件，分析雙面熔覆齒條失效的原因，然后在此基礎上改進配方，對齒條進行等離子單面精細熔覆，觀察分析單面熔覆層的組織成分及性能，結果分析如下:

 （1）等離子精細熔覆所得到的熔覆層厚度都在1-2mm左右，比原工藝得到的6mm左右等離子熔覆層厚度明顯減小。從微觀上看，可以得到熔覆層從冶金層與基體的結合面到頂部大致可分為五種結晶狀態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝晶、等軸晶以及穗狀晶。

 （2）對雙面熔覆失效的磨損面進行觀察，發(fā)現(xiàn)失效的模式主要為黏著磨損和高應力磨料磨損破壞。通過對雙面精細熔覆層的組織、成分及硬度等方面進行分析，認為磨片失效原因為：雙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。

 （3）等離子精細熔覆得到的物相均為硬質相（Cr，F(xiàn)e）7C3與γ-Fe/（Cr，F(xiàn)e）7C3共晶組織，改進后的單面熔覆層中硬質相（Cr，Fe）7C3的含量比較多，且分布均勻，并且共晶組織細小致密。出滑動磨損試驗結果可知：單面熔覆涂層的平均摩擦系數(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。單面熔覆涂層的摩擦系數(shù)遠低于不銹鋼基體的摩擦系數(shù)。而單面精細熔覆層在實際工況下的耐磨性能還有待驗證。