摘 要

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2表面强化技术 1

1.2.1热喷涂技术 2

1.3材料磨损机理 3

1.4 镍基合金粉末与碳化钨颗粒 3

1.4.1镍基粉末概述 3

1.4.2碳化钨硬质颗粒概述 4

1.4.3碳化钨颗粒增强Ni60涂层 4

1.5课题研究内容 4

第二章 实验材料、设备及方案 5

2.1实验材料 5

2.1.1基体材料 5

2.1.2涂层材料 5

2.2实验设备 6

2.2.1喷砂设备 6

2.2.2加工设备 6

2.2.3喷涂设备 6

2.3试验方案 7

第三章 热喷涂涂层研究 9

3.1试样编号 9

3.2涂层显微组织观察 9

3.3涂层的硬度 11

3.4涂层耐磨性能测试及研究 14

3.4.1 泥沙磨损实验 14

3.4.2涂层的磨痕分析 16

3.5本章小结 19

第四章 结论 20

摘 要

本文采用氧乙炔火焰喷涂方法，在Q235普通碳素结构钢表面喷涂Ni60合金涂层、Ni60-17.5%WC涂层、Ni60-35%WC涂层，通过WC的加入提升涂层的耐磨性，并探索WC的最佳掺入比例。

利用MR2000型通用分析仪对涂层进行显微组织观察，包括基体材料与涂层材料的显微组织观察、涂层与基体界面的观察、磨痕形貌观察。利用HRS-150洛氏硬度计对3种涂层材料进行宏观硬度测试。利用泥沙磨损试验机对涂层材料进行磨粒磨损模拟，记录试样的失重量。

实验结果表明：（1）在Q235基体表面喷涂Ni60涂层，可以显著地提高材料的耐磨性能，且Ni60涂层的布氏硬度是Q235的4倍。(2)Ni60涂层中的Ni₃B相、M₂₃C₆是提升涂层耐磨性的关键。(3)通过在Ni60合金粉末中添加WC(碳化钨)粉末，涂层的耐磨性得到提升，Ni60-17.5%WC涂层的硬度为纯Ni60的1.4倍，Ni60-35%WC涂层的硬度为纯Ni60涂层的1.6倍。(4)当WC掺入比例为35%时，涂层耐磨性能最佳。

关键词：热喷涂；Ni60；WC；耐磨性

Abstract

In this paper, different components of the coating were sprayed on the surface of Q235 steel by oxygen acetylene flame spraying method. The wear resistance of the coating was improved by adding WC, and explore the best mix of WC ratio.

The microstructure of the coating was observed by MR2000 universal analyzer, including the microstructure observation of the matrix material and the coating material, the observation of the interface between the coating and the substrate, and the observation of the wear marks. The HRS-150 Rockwell Hardness Tester was used to test the macroscopical properties of the three coating materials. The abrasive wear of the coating material was simulated by the sediment wear tester, and the weight loss of the sample was recorded.

The experimental results reveal that: (1) Ni60 coating on the surface of Q235 can significantly improve the wear resistance of the material, and the Brinell hardness of Ni60 coating is 4 times that of Q235. (2) Ni3B phase in Ni60 coating, M23C6 is the key to enhance the wear resistance of the coating. (3) The hardness of the Ni60-17.5% WC coating was 1.4 times higher than that of the Ni60 alloy by adding WC (tungsten carbide) powder to the Ni60 alloy powder, and the Ni60-35% WC coating Hardness is 1.6 times the pure Ni60 coating. (4) When the WC incorporation ratio is 35%, the wear resistance of the coating is the best.

Key Words：Thermal spraying; Ni60; WC; Abrasion resistance

第一章 绪论

1.1研究背景

由于工业化进程不断地推进以及时代飞速地发展，各行各业对于机械设备零部件表面性能的要求愈来愈高，尤其对于军工，航空，航天，航海行业，要求甚高。以上行业之所以对零部件表面性能要求甚高，原因在于零部件的工作环境极其恶劣，如腐蚀、磨损、高温、温度变化剧烈等。零部件间因发生相对滑动或相对滚动产生的磨损，既影响设备的使用寿命，还大大增加能耗，增加成本，同时还产生噪音，对环境造成污染。据不完全统计，由零件磨损产生的能耗占总能源的1/3~1/2，严重时还将造成设备失效，降低设备使用寿命^[1]。因此如何提升零部件的表面性能，成为提升设备寿命、降低设备维修成本、解决环境污染需要解决的首要问题。

表面强化技术，作为提升材料表面性能的关键手段，对于解决设备运转时因磨损产生不必要的能耗以及降低维修成本至关重要。材料表面强化技术，大致可分为三类：金化技术、表面覆层技术、表面组织转化技术^[2]。其中，表面覆层技术应用最为广泛^[2]。表面覆层技术，通过运用物理、化学手段，来改变材料表层的成分与结构，达到强化表面的目的。其显著特点是能够基本保持基体材料的原有特征，仅改变覆层的结构从而满足各种性能要求。

Ni60，自熔性镍基合金，具有良好的耐磨性、耐蚀性，作为耐磨及耐蚀涂层已经得到广泛的应用，在提升材料表面性能、降低不必要的能耗、减少环境污染的等方面功不可没。但随着电子、航空、航天、航海以及现代化军事武器行业的飞速发展，单一材料涂层的性能已经不能满足以上行业的需求。因此，为了满足行业对于材料日益增长的综合性能要求，研究复合材料涂层的性能成为了一大趋势。通过研究不同材料、不同比例、不同工艺条件下所制备的涂层，使不同材料的性能之间实现取长补短，将不同材料的最佳性能充分发挥出来，从而使涂层具有单一材料涂层无法匹敌的耐磨耐腐蚀性能。如周笑微等人通过在Ni60中掺入Al₂O₃粉末，经激光熔覆后，表面涂层平均硬度可达1100HV，与纯Ni60涂层相比，耐磨性提高4倍^[3]。

1.2表面强化技术

表面强化技术旨在改变材料表面的组织与结构，从而实现表面性能的提升。表面强化技术，不仅作为材料工程领域中的一个重要分支，更是材料成型与制造技术的重要领域。

表面强化技术的发展，不仅是发展生产力的需要，同时也是提高经济效益、提升工业化进程的需要。通常来说，零部件的性能取决于材料自身的属性与工况，但材料的表面性能取决于表面材料。因此，若要提升材料的表面性能，可在原有材料不变的条件下，通过改变材料表层的组织成分或结构特点，从而实现表面性能的改善，同时，又因为表层材料的用量极少，因此表面强化技术能够以较低的成本实现极高的性能提升。

1.2.1热喷涂技术

热喷涂技术，作为产品维修与机械制造行业中大量应用的表面强化技术之一，若按照热源种类来区分，热喷涂技术可大致分为三类：火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂。在火焰喷涂中，应用最广的是氧乙炔火焰热喷涂，利用乙炔气体在氧气中燃烧时所释放的热量，将喷涂粉料加热至熔融状态，之后在高压压缩空气的加速作用下，使熔融态的颗粒流以极高的速度冲击于基体表面。熔融态颗粒在冲击基体的过程中，由于受到基体的强大阻力，迅速受压变形，最终形成薄片状，粘着于基体表面，此后的颗粒不断地重复着“变形”、“粘着”过程，最终堆积成层状涂层。

热喷涂材料成分包括：金属、陶瓷材料、塑料等等。同时，热喷涂所用的材料形态繁多，有线材、棒材、粉末等。其中，应用最广的是粉末材料。由于各种粉末材料的特点不同，表面涂层性能各不相同，表面涂层性能多种多样，包括：耐磨、耐腐蚀、抗辐射、抗氧化、导电，等等。

涂层与基体之间的结合形式包括以下三种：(1)机械结合 (2)冶金结合 (3)屋里结合。热喷涂工艺的结合方式主要是前两种。

热喷涂主要具有以下优点：

(1)喷涂涂料种类繁多，可根据对表面涂层的性能需求，选取不同的喷涂材料，也可采用复合材料，制备复合涂层，从而使涂层具有优良的综合性能。

(2)涂料与基体材料的相互作用是机械咬合，不存在冶金结合，因此在选择基体材料时，几乎不会受到太多的限制，既选用金属材料，也可以选取非金属材料。

(3)由于热喷涂涂层厚度多为毫米级，所消耗的材料较小的情况下，能够使涂层具有良好的性能。因此热喷涂的经济效益较好，投资成本低。

(4)热喷涂工艺由于设备比较简单，操作比较简单，操作的灵活性也相当优良。既可以对零部件的局部进行喷涂，也可以整体喷涂。同时，由于对作业环境要求较小，热喷涂不仅能在车间进行喷涂，也能够在现场进行喷涂。

(5)颗粒沉积效率极高，热喷涂工序较短，具有较高的生产效率。

但热喷涂工艺同时也具有较显著的缺点：

(1)涂层与基体的结合强度较低，冲击与承载性能差，这是因为物理结合与机械咬合是涂层与基体的主要结合方式，与冶金结合想比，这两种结合方式结合力较低。

(2)热喷涂的工况比较复杂，对手工劳动者的危害较大，如粉尘、噪音、热辐射等。喷涂过程必须注意对操作人员的保护。

(3)涂层孔隙率大。

由于热喷涂工艺具有上述特点，热喷涂已被广泛应用于各行各业，如航天、航空、航海、电子、能源、机械行业。

1.3材料磨损机理

磨损是指两接触表面因发生相对滑动，或相对滑动加相对滚动，导致接触表面材料逐步剥离的过程。根据接触面的破坏形式，可将磨损分为四种基本类型^[1]，分别是：

(1)粘着磨损——又名咬合磨损，当摩擦副接触表面的压力超过材料的屈服极限时，材料发生粘合(冷焊)，随后在外力作用下，粘合的部分被拽开，从而形成磨屑。如此不断的发生粘合—拽开—再粘合——再拽开，造成材料的磨损。

1. 磨粒磨损——又名磨料磨损，指的是当接触面间存在硬质颗粒时，所发生的磨损过程。
2. 腐蚀磨损——摩擦副对偶在相对运动过程中，在机械作用力与化学介质共同作用下发生的磨损现象。
3. 疲劳点蚀（接触疲劳）——摩擦副对偶由于受到交变应力的作用，使局部表面产生疲劳损伤的现象。

1.4 镍基合金粉末与碳化钨颗粒

1.4.1镍基粉末概述

热喷涂用镍基合金粉末是在电阻电热合金Cr20Ni80的基础上，通过添加B、Si、Sn、Fe、Al等元素并调节合金元素的含量获得的。其中Si、B元素能在提高涂层耐磨性的同时，又有助于形成低熔共晶，使合金熔点降低，能够较明显地提高涂料的润湿性。Cr元素通过形成氧化物，提升了涂层的高温抗氧化能力以及在腐蚀介质中的耐蚀能力。其他元素Fe、C、Ni的作用则是通过形成γ相，利用其弥散强化作用，大幅提高涂层的硬度，从而使材料具有极高的耐磨耐蚀性能。镍基合金粉末主要可分为如下四类:

1. Ni- Cr合金系——具有优良的高温抗氧化性能，涂料与基体的结合力较大，不易脱落。
2. Ni-Cr-Fe合金系——涂层硬度较高，但抗氧化能力稍差，但材料成本比Ni-Cr系稍便宜。
3. Ni-Cr-B合金系——主要用于轴类零件的防腐以及修复，硬度较高，耐磨耐蚀性良好，具有优良的综合性能。
4. Ni-Al合金系——由于Ni和Al在高温下会发生剧烈反应，以及高温下Al与O₂反应放出大量化学热，促使Ni元素向基体材料中扩散，从而实现涂层与基体材料的冶金结合，使结合强度大大提高。因此。工业上常用Ni-Al合金系涂料来制备打底层。

1.4.2碳化钨硬质颗粒概述

碳化钨具有明显的金属光泽，晶体结构为黑色六方，硬度与金刚石相当，不溶于水与盐酸，易溶于氢氟酸—硝酸(4:1)混合酸中。同时，碳化物还具有优良的导电、导热性能。较弱的抗氧化能力是碳化钨颗粒较为显著的缺点，尤其在800℃的空气中氧化最为严重，在高温氧化气氛中会分解为W₂C与C。由于碳化钨颗粒具有优良的耐磨、耐蚀性能，碳化钨被广泛应用于对表面耐磨性能要求较高的领域，如各种刀具、钻头、挖斗以及航空航天领域。碳化钨的各项物理性能列于表1-3。