摘 要

本文章研究了316不锈钢表面硬化层具有无磁性的成分设计以及无磁层的等离子喷焊工艺研究。无磁硬化层的设计选择了Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料来作为本文实验中的等离子喷焊过程的原料，通过改变成分中Mo的含量使其无磁，通过等离子喷焊技术达到表面改性要求。本实验引入了X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜分析（SEM）以及室温下磁滞回线分析表明，在元素Mo的摩尔质量分数为百分之八时，Ni基粘结相中存在大量的元素Mo，晶格膨胀剧烈，室温下材料表现出顺磁性。在等离子喷焊实验中，仅对于实验中的实验条件下，当喷焊电流为55安、喷焊速度为3.0厘米/分钟时，喷焊的质量最好。

关键词：Ti(C,N)基金属陶瓷；等离子喷焊；组织；性能

Abstract

In this paper, the design of 316 stainless steel surface hardened layer with non-magnetic composition and the non-magnetic layer of plasma spray welding technology research. The non-magnetic hardened layer was chosen by Ti (C, N) -based cermets composites as the spray material in this experiment. By changing the Mo content in the composition, it was non-magnetic and the surface was modified by plasma spraying Claim. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and hysteresis loop analysis at room temperature showed that there was a large amount of elemental Mo in the Ni-based bonded phase when the mass fraction of Mo was 8 mol% Lattice is intense, and the material exhibits paramagnetism at room temperature. In the plasma spray test, only for the experimental conditions under the experiment, when the spray current is 55A, spray welding speed of 3.0cm / min, the best quality spray.

Keywords: Ti(C,N)-based cermets; plasma spray; microstructure; property

目 录

目 录 III

第1章 前言 1

第2章 等离子喷焊材料 3

2.1 喷焊材料的组成与结构 3

2.2 喷焊材料的显微组织 3

2.2.1芯-环结构 3

2.2.2 白芯-灰环结构和黑芯-灰环结构 4

2.2.3 化学组成对芯-环结构的影响 4

2.3 喷焊材料中的添加成分 5

2.3.1 粘结相的影响 5

2.3.2 硬质相的影响 5

第3章 等离子喷焊 7

3.1 等离子喷焊母材 7

3.2 等离子喷焊粉末 7

第4章 喷焊材料的制备 8

4.1 Ti(C,N)基金属陶瓷粉末的制备 8

4.1 造粒工艺 9

第5章 烧结实验及Mo含量对材料性能的影响 10

5.1 烧结实验 10

5.1.1 烧结实验设备及实施 10

5.1.2 烧结实验试样的制备 10

5.1.3烧结实验 11

5.2 Mo含量对Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响 13

5.2.1对显微组织的影响 13

5.2.2对磁学性能的影响 16

5.2.3对力学性能的影响 18

第6章 等离子喷焊 19

6.1 等离子喷焊设备及实施工艺 19

6.2 喷焊电流和喷焊速度对喷焊层表观组织影响及分析 19

6.2.1 喷焊电流对喷焊层表观组织影响及分析 20

6.2.2喷焊速度对喷焊层表观组织影响及分析 20

6.3 喷焊层金相显微组织分析 21

结 论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 前言

316不锈钢是指型号为316的不锈且耐酸性的一种钢，在很多情况下难以被腐蚀，能够在高温下保持其本身性能，并且还具有优良的焊接性能。例如，当316不锈钢在具有侵蚀性的环境下作业时，如海洋作业，仍然能够具有其良好的抗腐蚀能力，不仅如此，316不锈钢还表现出在极高温度下保持正常使用的能力，并且在用于焊接时，就目前已知的所有的焊接方法，都可以严格的按照制定的相关标准来对其进行焊接。当需要316不锈钢硬度达到一定高的要求时，普通硬化技术难以实现，所以在日常的加工作业中，选择一个合理且实用的硬化加工方法显得尤为必要。对于需要316不锈钢表面强度达到一定要求，但是却不能直接通过传统硬化加工的方式满足的情况下，可以选择在基体材料的表面添加能够满足要求的涂层材料，即为通过表面改性，使其在硬度、强度以及耐腐蚀性等在不良条件下，达到预定的标准。

在本文的研究中，经过探讨对比后，拟选用Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料作为表面改性材料。Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料于上个世纪三十年代登上新材料历史舞台，可是却于上个世纪六十年代末期在Kieffer等人的研究之后才开始将其推上科研领域的研究狂潮^[1]。根据资料显示，在Kieffer等一批科学家付出的巨大努力下研究出，可以通过TiN来改善金属陶瓷的性能，在明显缩小硬质相颗粒尺寸的同时，还大幅度的改善了力学性能和化学性能^[2]。由于种种优良性能，对此复合材料的各项研究，受到了更多行业内人士的关注。根据刘晓峰等人的研究表明，纵观Ti(C,N)和TiC基金属陶瓷的各项高温性能，可以发现前者在高温条件下的综合指标对比上高于后者。除此之外，根据刘晓峰等人的研究还可看出，Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的抗腐蚀能力也要优于一般普通材料，因此广泛应用于汽车、船舶和石化等行业和领域^[2]。

由于材料自身的限制或是制备技术的不成熟，往往会对材料进行表面改性。在近些年的研究中表明，激光熔覆技术伴随着科学技术的发展逐步为更多的科研人员所关注，并且也因其本身在材料的表面改性中具有的突出优点而得以继续发展。激光熔覆技术使用激光束作为热源将粉末状的材料熔化，并在一定条件下冷却后在基体材料的表面能够形成具有一定性能的表面涂层，对此项技术的优化研究可以用于增强材料的性能，如强度、硬度、耐磨性以及抗高温氧化、耐腐蚀性等，并且对经过加工后的工件形状、性能影响小，能够更加符合材料发展的较高的自动程度与现代程度的需求^[21]。但是，由于实验室存在的客观问题，现有条件下不能保证实验最初计划的激光熔覆工艺研究顺利进行，因此改为对等离子喷焊工艺进行研究。

激光熔覆技术可以应用到材料的表面改性中，且等离子喷焊技术也具有相同的功能。目前，这项技术在模具、矿工业机械等加工领域有广泛的应用。电子电工、金属加工、模具成型等很多领域，仅在我们国家，每一年所要用于生产制造的钢材高达数百万吨，并且每年由于金属在使用过程中，由于工作环境的恶劣，所带来的损失远超过100亿元。通过表面改性来提高机械零件的耐腐蚀耐磨损性能以及强度硬度等显得尤为必要。热喷焊技术的出现，在很大程度上，可以说是与热喷涂技术有着重大联系，热喷涂技术在上个世纪60年代得到了许多行业内人士的青睐，由此也引出了等离子喷焊技术的繁荣发展时代^[8-10]。随着对热喷涂技术研究的不断成熟进步，热喷焊技术的研究也得到了很大的进步，如等离子喷焊技术。据资料显示，等离子喷焊具有很多优点，如具有极高的稳定性，且能加工出良好的喷焊层，并且可以熔化绝大多数难熔材料，能够更加符合材料发展的较高的自动程度与现代程度的需求^[21]。通过等离子喷焊技术，可以将性能卓越的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料作为基体的表面改性材料，在节约资源、经济效益高的前提下，还能够满足工作环境恶劣的苛刻要求，并且还能够满足制件对表面质量要求高的条件。这一实验研究的成功，必将很大程度上丰富人们的日常生活，也将会广泛运用于各个行业的实际生产应用中。

第2章 等离子喷焊材料

2.1 喷焊材料的组成与结构

在本文研究中，选用的喷焊材料为Ti(C,N)基金属陶瓷材料，其化学成分较大部分为TiC和TiN，由于两者归属于同一类晶体结构，对应粒子在晶格中占据的位置相同，因为同一结构类型的物质更易于形成连续型固溶体，因此该复合材料中的Ti的化合物可以形成连续型固溶体。Ti(C_1-X,N_X)固溶体的晶格常数a的变化会受材料中含N量的影响，在变化趋势的分析上，N含量x与其成负相关关系，并且通过对表2.1的分析可以看出，TiC的导电导热性能差，但是其显微硬度等特性更好，因此不难发现，Ti(C_1-X,N_X)固溶体随着元素N含量的增加，其导电导热的能力与其成负相关关系。