反应氮弧熔覆TiCN金属陶瓷涂层的耐磨性

摘要

金属陶瓷复合材料，因其具有较高的强度、硬度，以及优异的耐磨性能和耐高温特性，使其在工行业中的应用范围越来越广泛，并引起科研工作者的极大关注，在金属陶瓷复合材料中，TiCN金属陶瓷复合材料因其优异的综合性能，备受科研人员的青睐，但是，在制备TiCN金属陶瓷复合材料的技术方面，存在着工艺复杂、设备成本高以及对专业技术人员素质要求高等诸多不足。为此探索出一条工艺简单、成本低以及操作简单的制备TiCN金属陶瓷复合材料的方法十分迫切。
　　本文采用反应氮弧熔覆技术，该技术有效的将氮弧堆焊技术与原位合成技术结合起来，利用氮弧熔覆过程中的高温特性，使作为保护气体的N2被电离，并与处于熔融状态下的预涂粉末相互反应，在基体上原位合成TiCN增强相。采用TXⅡ500氩弧焊机，以工业氮气作为反应气体和保护气体，以钨极为电极，在Fe基表面制备TiCN金属陶瓷涂层。
　　研究了不同工艺参数（预置粉末组分配比、氮气流量、熔覆电流、熔覆速度等）下涂层的微观组织形貌和结构、涂层裂纹和气孔等变化规律，对工艺参数进行优化。结果表明:最佳的粉末配比为Fe粉、C粉、Ti粉的摩尔比是1∶1∶1，此时熔覆层中FeTi0.03物相的衍射峰达到最强，此时熔覆层中N元素的保有量达到最大，有效的控制了脱氮现象的发生;最佳氮气流量为20L/min，最佳熔覆电流为200A，最佳熔覆速度为2mm/min，此时熔覆层的显微组织成型良好，并均匀致密的分布在枝晶和枝晶之间，涂层最大显微硬度约为基体硬度的4倍左右，涂层摩擦性能优异，涂层中未发现裂纹和气孔的出现。
　　重点分析TiCN涂层的耐磨性能，采用HRS-2M往复摩擦磨损试验机对涂层与基体进行耐磨性能进行分析比较，结果表明:TiCN涂层的耐磨性能明显优于铁基体试样的耐磨性能，铁基体的摩擦系数与磨损失重大概为涂层的5倍左右。在粉末配置过程中加入适量Al粉，涂层的耐磨性能没有太大变化，采用SEM、EDS和XRD等仪器分析表明，加入Al粉后涂层的硬质相成分有所改变，从原来TiCN转变成TiAl(CN)。
　　对TiCN涂层在农业刀具上的应用展开分析研究,综合分析了刀具的使用寿命和经济成本，结果表明，刀具的使用寿命得到了明显的提高，同时，也大大减少了刀具的使用成本。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 原位合成技术

1．1．1 气-液合成技术

1．1．2 液-固反应合成技术

1．1．3 固-固反应合成技术

1．2 熔覆技术

1．2．1 激光熔覆技术

1．2．2 等离子熔覆技术

1．2．3 氩弧熔覆技术

1．2．4 感应熔覆技术

1．2．5 氮弧熔覆技术

1．3 TiCN基金属陶瓷涂层的发展概况及组织结构

1．3．1 TiCN基金属陶瓷涂层的国内外应用现状

1．3．2 TiCN基金属陶瓷的发展趋势

1．3．3 TiCN的组织结构

1．4 本课题的研究意义、目标及研究内容

1．4．1 本课题的研究意义、目标

1．4．2 本课题的研究内容

第二章 TiCN陶瓷涂层的制备与检测

2．1 实验材料

2．1．1 基体材料

2．1．2 粉体材料

2．2 实验设备

2．3 分析测试方法及检测设备

2．3．1 表面形貌及显微组织观察

2．3．2 元素组分与相结构测试

2．3．3 显微硬度测试

2．3．4 耐磨性测试

2．4 TiCN陶瓷涂层的制备工艺

2．4．1 实验方法

2．4．2 试样制备

第三章 TiCN涂层的形成机理与组织分析

3．1 TiCN的形成机理

3．2 TiCN熔覆层截面元素能谱分析

3．3 TiCN涂层微观组织特征

第四章 氮弧熔覆工艺参数的研究

4．1 粉末配比的研究

4．2 单因素实验设计

4．2．1 TiCN涂层的微观组织特征

4．2．2 涂层的显微硬度与摩擦系数

4．2．3 涂层的物相组成

4．3 本章小结

第五章 TiCN陶瓷涂层耐磨性分析

5．1 TiCN陶瓷涂层耐磨性分析

5．1．1 陶瓷涂层的磨损形式

5．1．2 TiCN陶瓷涂层的耐磨性

5．2 Al粉的加入对涂层耐磨性能的影响

5．3 本章小结

第六章 TiCN涂层在农用刀具上的应用

6．1 农业刀具磨损的分类与影响因素

6．1．1 粘着磨损

6．1．2 磨粒磨损

6．1．3 表面疲劳磨损

6．1．4 腐蚀磨损

6．2 TiCN涂层应用于农业刀具的可行性

6．2．1 农业刀具磨损现状

6．2．2 磨损机理分析

6．2．3 刀具耐磨性分析

6．2．4 磨损实验对比分析

6．3 本章小结

第七章 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简介

致谢