微纳米材料涂层对提高冶金风机耐磨损性能的研究

摘要

冶金用除尘风机是钢铁生产中重要的辅助设备，由于磨损造成大量故障发生。本论文通过建立模型深入分析了易磨损部位和磨损机理，针对不同的易损部位，提出采用多种工艺结合的方法制备了不同的耐磨涂层等，并对涂层的显微结构和性能进行了系统研究。
　　 根据气固两相流体理论，利用CFD软件FLUENT对叶轮内部气固两相流动场进行计算，并建模分析不同粒子的运动轨迹及其对风机叶片造成磨损。根据动力学原理分析风机磨损和振声之间的关系，表明提高风机转子主轴耐磨损性可有效减少风机振动故障的发生。
　　 针对叶片根部制备了激光熔覆化学镀Ni包覆Al2O3纳米涂层，该涂层与基体间为冶金结合，无微裂纹产生。随着Al2O3含量的增加，涂层组织形态从等轴树枝晶(25％)转变为定向生长的柱状晶(75％)。在低冲蚀角时Al2O3含量高的涂层冲蚀耐磨性较好，反之在角冲蚀高时为低Al2O3含量的涂层。涂层冲蚀磨损表面凹坑细小，表面比较光滑，只有少量浅层细小晶粒拔出，主要表现为应力疲劳冲蚀断裂。
　　 针对叶片制备了HVOF微纳米WC-12Co涂层。涂层中除了有粉体中的WC，还有W2C及少量η-Co6W6C出现，但Co消失。微纳米涂层与基体的结合面处组织结构紧密且平整，但纳米涂层更加致密和连续。纳米涂层的硬度和断裂韧性都比微米涂层高。在30°和90°冲蚀角度时，纳米WC-12Co都比微米结构WC-12Co的涂层耐冲蚀效果好。纳米涂层磨损机理为塑性变形，而微米涂层局部存在少量晶粒脱落。
　　 针对转子主轴制备了等离子喷涂Cr3C2-NiCr/化学镀Ni包覆微米石墨或纳米h-BN自润滑复合涂层。加入Ni包覆石墨或者h-BN润滑剂后，Cr3C2-NiCr涂层的硬度和结合强度下降，摩擦系数和磨损率降低，随着润滑剂添加量增加磨损率减小。加入6wt％微米石墨(Ni)+4wt％纳米h-BN(Ni)复相润滑剂具有协同效应，效果优于单一润滑剂。摩擦磨损过程中石墨或者h-BN不断从Ni包颗粒中析出形成润滑膜，能对犁沟起到“填平”作用。但当载荷大于一定值，润滑膜磨损破坏甚至剥落，亚表层中被挤到表面的润滑剂难于对润滑膜进行修复，从而失去良好的润滑耐磨作用。
　　 本论文在材料和工艺方面进行了有价值的尝试和探讨，在冶金用除尘风机上具有一定的理论和良好的应用前景。