HVOF在热作模具钢H13表面处理及修复中的基础研究

摘要

上世纪80年代以来，我国的模具制造业进入了快速发展时期，已经成为工业生产中的重要组成部分。模具是工业生产中大量应用的消耗件之一，如何最大限度地提高它的使用寿命一直是国内外研究的热点。我国生产的模具钢的品种、规格和质量还远远落后于瑞典、日本、美国等先进国家，生产的模具的使用寿命也只有进口模具的1/2-1/3。模具主要是依靠其表面进行工作，因此，模具的失效80％以上来自表面损伤，如磨损、疲劳、腐蚀等。所以，发展和应用表面改性技术是提高模具使用寿命的关键。运用表面技术不仅可以对已经失效的模具进行修复，还可以提高模具的表面硬度，改变表层化学成分和组织，进而可以提高其耐磨性、抗粘附性、抗疲劳性和耐腐蚀性等。
　　 本文首先介绍了几种常用的热作模具表面处理的方法及各自的优缺点。其中包括化学热处理、表面加工强化处理、电弧堆焊技术、热喷涂技术、电刷镀技术、激光熔覆技术和电火花技术等。然后，以热作模具钢中被广泛使用的H13作为研究对象，为了能够胜任其艰苦的服役环境，喷涂材料选用WC系金属陶瓷粉末和自熔性合金粉末Ni60A。由于WC-12Co粉末熔点较高，且在高温时容易发生氧化，因此，本试验采用超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)的方法进行试验。对制得的涂层进行组织结构以及性能的检测，包括：扫描电镜、X-射线衍射仪、显微硬度测试、结合强度测试、高温摩擦系数以及高温磨损性能试验。
　　 实验结果表明：(1)通过观察粉末粒子沉积到基体上的状态，解释了喷涂粒子的熔化、变形及涂层成形机理。结果表明，在采用合适的喷涂参数时，组成涂层的粒子是处于完全熔化以及半熔化的状态，此时沉积效率较高而且结合较牢固，利于获得质量优异的涂层。
　　 (2)国产和进口的WC-12Co粉末制得的涂层都有均匀且致密的组织结构，孔隙率在1.5％上下，沉积率比较高；采用Ni60A粉末喷涂时，也能得到较为致密的涂层，孔隙率2.7％，沉积率偏低，为获得试验用同等厚度的涂层，可延长喷涂时间，但获得的涂层容易因热应力集中而产生微裂纹。
　　 (3)进口和国产的WC-12Co粉末采用煤油流量20L/h(压力：0.72Mpa)，氧气流量30m3/h(压力：1.3Mpa)，送粉气流量700ml/min(压力：0.4Mpa)，喷涂距离350mm喷涂参数进行喷涂时，涂层的结合强度都在70Mpa以上；当其他条件不变，煤油流量为16L/h(压力：0.64Mpa)时，进口粉末制得的涂层的结合强度仍然大于70Mpa，国产粉末制得的涂层的结合强度为62.7Mpa；Ni60A涂层的拉伸断裂面均在涂层内部，结合强度为51.8Mpa。在基体浅表深度几十微米的厚度范围内形成类似冶金结合区域，涂层与基材之间良好结合。
　　 (4)进口WC-12Co粉末制得的涂层具有最高的显微硬度，平均达到1370HV0.2，国产WC-12Co涂层次之，达到1304HV0.2，Ni60A涂层的显微硬度相对较低，为820HV0.2。这三种涂层在常温时的摩擦系数接近，都在0.32左右，但是处于500℃时，摩擦系数值分别为0.54、0.52、0.59。在高温磨损方面，WC系涂层明显优于Ni60A涂层，磨损量仅为后者的1/4-1/3，说明WC系粉末在高温时具有良好的红硬性及耐磨性。
　　 (5)国产WC-12Co粉末能够经济又有效地作为热作模具钢H13表面改性及修复用喷涂材料，适宜的喷涂参数为：煤油流量20L/h(压力：0.72Mpa)，氧气流量30m3/h(压力：1.3Mpa)，送粉气流量700ml/min(压力：0.4Mpa)，喷涂距离350mm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1课题提出的背景

1.1.1我国模具行业概况

1.1.2失效模具修复方法

1.1.3超音速火焰喷涂

1.1.4热喷涂粉末的发展

1.2国内外利用热喷涂制备涂层的研究进展

1.3本文主要研究内容

1.4本章小结

第2章 影响HVOF喷涂层质量的因素

2.1粉末材料与喷涂方法的选择

2.2基体、粉末材料的影响

2.3 HVOF喷涂工艺的影响

2.3.1焰流速度、焰流温度的影响

2.3.2喷涂距离的影响

2.3.3送粉率的影响

2.4本章小结

第3章 高强耐磨复合涂层制备实验方案及性能表征

3.1实验材料、设备及方法

3.1.1实验材料

3.1.2涂层制备及实验方案

3.1.3试验方案及技术路线

3.2涂层组织结构及性能表征

3.3本章小结

第4章 HVOF制备高强耐磨涂层的组织结构及性能研究

4.1 HVOF喷涂涂层的组织结构

4.1.1 WC-12Co涂层的组织

4.1.2 Ni60A涂层的组织

4.2涂层相组成分析

4.2.1 WC-12Co涂层的相组成

4.2.2 Ni60A涂层的相组成

4.3结合强度测试

4.4显微硬度测试

4.5高温摩擦系数测试

4.6高温摩擦磨损试验

4.7WC-12Co和*WC-12Co的性能差异分析

4.8本章小结

第5章 总结与展望

5.1研究工作的主要结论与创新

5.2后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文