氩弧熔覆原位合成ZrC增强金属基熔覆层组织与耐磨性研究

摘要

陶原位自生陶瓷颗粒增强铁基复合材料具有优异的耐磨性和良好的耐高温性，在矿山、石油、建材、航空和航天工业中具有广阔的应用前景。原位合成金属基复合材料由于陶瓷硬质颗粒在基体中通过化学反应生成的，具有与基体结合牢固，分散均匀，在使用中不易剥落的优点，具有重要的应用前景。本文采用氩弧作为热源，以锆粉（Zr）、铁粉（Fe）和石墨粉（C）为熔覆原料，在普通Q235钢表面通过原位化学反应生成ZrC颗粒增强铁基复合涂层。通过涂层成分配比和熔覆工艺参数优化设计，制备出综合性能优良的ZrC颗粒增强铁基复合涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪(XRD)对涂层的微观组织结构、界面结构、涂层中原位合成的增强相颗粒进行表征和分析，系统分析了原位合成的增强相ZrC颗粒的形状、大小和分布以及形核长大机理。并对涂层表面的组织磨损形貌和涂层磨损后形成的磨屑进行了观察和分析。探讨了ZrC颗粒的形成机制。并利用显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了ZrC颗粒增强铁基复合涂层的显微硬度和抗磨性能。探讨了ZrC/Fe基复合涂层的磨损机理。　　实验结果表明，通过氩弧加热原位反应技术制备的ZrC/Fe复合涂层具有与基体结合牢固。低倍显微组织观察，没有出现气孔和裂纹等缺陷。复合涂层主要由α-Fe、Fe3C和大量弥散分布的硬质相ZrC颗粒组成。增强相ZrC颗粒弥散的分布涂层中，但ZrC颗粒相在涂层中呈梯度分布，靠近涂层界面处，ZrC颗粒较少，涂层上表面部位颗粒较多。ZrC颗粒的形状既有方块状，又有花瓣状。随着（Zr＋C）含量的增加，ZrC颗粒的形状、尺寸和数量都在变化。无论在低载荷或高载荷下，20％（Zr＋C）涂层的摩擦系数最低。复合涂层的显微硬度从表层到基体呈现下降趋势。涂层的显微硬度高达1150HV。对涂层的摩擦磨损形貌和磨损后收集的磨屑进行综合分析后，得出原位合成 ZrC/Fe基复合涂层的磨损机理主要以显微擦伤式磨损为主，其次是粘着磨损。20%（Zr＋C）Fe氩弧熔覆层的耐磨性远高于其他成分的熔覆层和Q235钢。20%（Zr＋C）氩弧熔覆层的耐磨性是Q235钢20倍。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 表面熔覆技术概述

1.3 氩弧熔覆技术

1.4 碳化锆陶瓷颗粒选择

1.5课题研究的目的、意义及主要内容

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 熔覆材料的制备

2.3 氩弧熔覆原位合成ZrC/Fe复合涂层的组织结构分析

2.4 氩弧熔覆原位合成ZrC/Fe复合涂层的性能测试

3 氩弧熔覆原位合成ZrC/Fe复合涂层的工艺研究

3.1氩弧电流影响

3.2 熔覆速度影响

3.3 预置粉末厚度对涂层质量的影响

3.4粉末含量对涂层显微硬度和组织的影响

3.5 本章小结

4 氩弧熔覆原位合成ZrC/Fe复合涂层微观组织结构

4.1 氩弧熔覆原位自生ZrC/Fe复合涂层的组织特征

4.2复合涂层物相和能谱分析

4.3 熔覆层热力学分析

4.4 熔覆层中增强相ZrC颗粒的生长机制

4.5氩弧熔覆原位自生ZrC合成的动力学模型

4.6 本章小结

5 氩弧熔覆原位合成ZrC/Fe基复合涂层耐磨性能

5.1 熔覆层摩擦磨损特性

5.2 本章小结

6 结论

参考文献

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