镍基碳化钨氮化铬复合涂层组织与性能研究

摘要

随着我国石油炼制、化工、钢铁等行业的快速发展，阀门的市场需求量越来越大，其使用环境越来越复杂，使用要求越来越苛刻和严格。本文以304L不锈钢精密阀门为研究对象，以提高球阀的耐磨性为研究目标，采用氧-乙炔火焰喷焊技术和PVD多弧离子镀技术，在和球阀阀芯同材料的304L钢表面制备了镍基碳化钨涂层和镍基碳化钨氮化铬复合涂层。利用XRD、SEM、EDS等微观组织表征方法，研究了不同WC含量的Ni60(WC)涂层和Ni60(WC)-CrN复合涂层的组织形貌、力学性能和摩擦磨损性能的影响，进而得出了不同WC含量及其CrN离子镀膜涂层对阀门耐磨性能的影响规律。本文主要研究工作及结论如下： （1）Ni60(WC)涂层主要成分为Ni，Cr，Fe与和C形成的Ni3Fe、WC、Ni3Si、W2C和Cr2C3等合金相，WC粉末弥散分布在Ni60涂层中，能够明显提高涂层平均硬度。WC含量为10%和25%的Ni60(WC)涂层的硬度平均值分别为HV886和HV1025，但提高WC含量会增加涂层的孔隙率，WC含量为10%和25%的Ni60(WC)涂层的孔隙率分别为2.76%和3.46%。CrN镀膜结构致密，表面有少量的熔滴和凹坑，具有较高的硬度，能够有效提高复合涂层平均硬度，Ni60(WC)涂层硬度越高，Ni60(WC)-CrN复合涂层硬度也越高，10%WC-CrN和25%WC-CrN复合涂层的硬度平均值分别为HV1354和HV1401。 （2）常温摩擦下，Ni60(WC)涂层中随着WC含量增大，磨损量减少，摩擦系数增高，5N载荷下10%WC和25%WC涂层的摩擦系数分别为0.49和0.66，7N载荷下摩擦系数分别为0.55和0.72，10N载荷下摩擦系数分别为0.59和0.62。Ni60(WC)-CrN复合涂层在相同的条件下(WC含量，载荷)，与Ni60(WC)涂层相比磨损量减少，摩擦系数也减小，5N载荷下10%WC-CrN和25%WC-CrN复合涂层的摩擦系数分别为0.37和0.4， 7N载荷下摩擦系数分别为0.45和0.41，10N载荷下摩擦系数分别为0.5和0.42。 （3）常温摩擦中，5N载荷下，涂层主要磨损机理是磨粒磨损；7N载荷下，涂层主要磨损机理为磨粒磨损和少量的粘着磨损；10N载荷下，涂层主要为严重的粘着磨损和轻微的疲劳磨损。WC颗粒在涂层中起到支撑载荷的作用，降低了Ni60涂层的磨损程度，增加WC含量，Ni60涂层粘着磨损和磨粒磨损程度均降低。离子镀CrN镀膜具有较低的摩擦系数，减磨性能优良，降低了复合涂层的摩擦系数，抑制了粘着磨损和磨粒磨损的发生，Ni60(WC)-CrN复合涂层主要磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损，常温抗磨损性能较佳。 （4）随着摩擦温度的升高，Ni60(WC)、Ni60(WC)-CrN涂层的磨损量增大。但在700℃和400℃下，Ni60(WC)-CrN复合涂层的磨损量变化不大，主要是因为Cr的氧化物Cr2O3在摩擦表面形成了保护膜，阻止了磨损量发生剧烈变化。 （5）Ni60(WC)涂层在高温下的摩擦系数与WC含量有关，WC含量越高，摩擦系数越大，25℃温度下10%WC和25%WC涂层的摩擦系数分别为0.48和0.53，400℃温度下摩擦系数分别为0.41和0.58，700℃温度下摩擦系数分别为0.77和0.9。CrN-Ni60(WC)复合涂层的摩擦系数在25℃下最大，10%WC-CrN和25%WC-CrN复合涂层的摩擦系数分别为0.35和0.42，而后随温度的升高而减小，10%WC-CrN和25%WC-CrN复合涂层的摩擦系数在400℃和700℃温度分别为0.29、0.47和0.34、0.4，这是因为在高温摩擦过程中生成了Cr2O3从而减小了摩擦阻力，降低了摩擦系数。Ni60(WC)、Ni60(WC)-CrN涂层在高温下的摩擦磨损主要为粘着磨损和磨粒磨损。 （6）在高温磨擦下，CrN镀膜完全失效，主要原因是CrN镀膜发生了塑性变形，出现裂纹，当裂纹不断扩展后会导致涂层的片状脱落；另外高温氧化也是CrN镀膜失效的主要原因，CrN镀膜氧化后生成Cr2O3，并以硬质磨屑的形式参与了摩擦磨损，在涂层表面形成犁沟，产生磨粒磨损，加速了CrN镀膜的破坏。 （7）氧-乙炔火焰喷焊Ni60(WC)涂层中，增加WC含量，涂层的耐腐蚀性能提高， Ni60(25%WC)涂层的耐腐蚀性能要大于Ni60(10%WC)涂层。利用多弧离子镀技术制备的CrN镀膜可以有效的提高Ni60(WC)-CrN复合涂层的耐腐蚀性能。但当WC含量增加后，Ni60(WC)-CrN复合涂层因为CrN镀膜的性能下降，耐腐蚀性能降低。

目录

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第1章 绪论

1.1引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的选题意义与研究内容

第2章 涂层的制备及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验方案

2.3 实验方法

2.4 本章小结

第3章 涂层的组织结构及性能

3.1 实验材料及方法

3.2 涂层用粉末及形貌分析

3.3 涂层表面组织及分析

3.4 涂层截面组织及分析

3.5 涂层力学性能分析

3.6 本章小结

第4章 涂层的常温磨损行为研究

4.1 实验材料及方法

4.2 不同载荷涂层的摩擦磨损行为分析

4.3 涂层摩擦形貌分析

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

第5章 涂层的高温磨损行为研究

5.1 实验材料及方法

5.2 涂层磨损量分析

5.3 涂层摩擦系数分析

5.4 涂层摩擦形貌分析

5.5 磨痕的元素分布变化

5.6 本章小结

第6章 涂层的电化学腐蚀行为研究

6.1 实验材料及方法

6.2 涂层腐蚀的极化曲线

6.3 分析和讨论

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢