摘 要

材料一直是工业生产关注的重点，而摩擦磨损普遍存在于我们的生活中，在海上的航运业，船舶机械的磨损严重，机器零件面临着高温、高压等恶劣的工况。陆地上，汽车配件、轴、轮胎等，这些都与研究材料的摩擦磨损性能息息相关。严重的摩擦磨损使得资源的消耗十分严重，花费极大的资金成本。到现阶段为止，对磨损零件的表面进行涂层加工工艺是相当经济实用的。而且，氧乙炔火焰喷熔技术也是涂层制备的经济之选，本文着重对此技术在纳米增强Ni基合金涂层制备方面来研究纳米WC增强Ni基合金涂层的磨损性能以及磨损机理的分析。

运用氧乙炔火焰喷熔制备三种不同的WC增强Ni基涂层。用这三种涂层与基体16Mn进行磨损实验对比。并且在分析了涂层金相以及对涂层进行硬度测试之后，采用美国的MFT-3000摩擦磨损试验机来进行试验并记录数据分析。综合分析得出纳米WC增强Ni基合金喷熔层的磨损性能以及磨损机理。

研究结果表明：Ni基合金喷熔层和WC增强Ni基合金喷熔层比16Mn基体的耐磨性能要好，其中纳米WC增强Ni基合金喷熔层也就是NiWC35-10的耐磨性能最优越，这主要是因为在Ni合金喷熔层中形成了Cr的碳化物、硼化物等硬质相使涂层的显微结构和硬度有了改善，纳米WC增强Ni基合金涂层中微米和纳米WC都分散在γ-(Ni, Cr)固溶体中，大幅提高涂层硬度和耐磨性能。

关键词：摩擦磨损；氧乙炔火焰喷熔；纳米WC增强；Ni基合金

Abstract

Materials have always been the focus of industrial production, and friction and wear widespread in our lives, in the sea shipping industry, ship machinery wear serious, machine parts are facing high temperature, high pressure and other bad conditions. On land, auto parts, axle, tires, etc., which are closely related to friction and wear properties of materials research. Severe friction and wear makes the consumption of resources very serious, costly the cost of capital. At this stage, the surface of the wear parts of the coating process is quite economical and practical, and, oxygen acetylene flame spray technology is also the economic choice of coating preparation. This paper focuses on this technology to enhance the analysis of nanometer WC wear performance and wear mechanism of Ni-based alloy coating was prepared in terms of enhancing the nano Ni-based alloy coating.

Three different WC reinforced Ni - based coatings were prepared by oxyacetylene flame spray. The three coatings were compared with the matrix 16Mn for wear experiments. The MFT-3000 friction and wear tester was used to test and record the data after analyzing the coating metallography and the hardness test of the coating. The wear behavior and wear mechanism of Ni - based alloy Ni - based alloy sprayed layer were obtained by comprehensive analysis.

The results show that the wear resistance of Ni-based alloy and WC-enhanced Ni-based alloy is better than that of 16Mn matrix, wherein the Ni-based alloy reinforced nanostructured WC Sprayed Coating NiWC35-10 wear resistance is the most superior, The results show that the wear resistance of Ni-based alloy and WC-enhanced Ni-based alloy is better than that of 16Mn matrix, and the wear resistance of Ni-based alloy is better than that of NiWC35-10, This is mainly due to the formation of Cr in the Ni alloy spray layer of carbide carbide, boride and other hard phase to the coating of the microstructure and hardness has improved, nano-WC enhanced Ni-based alloy coating in the nano-nano and nano-WC Are dispersed in the γ - (Ni, Cr) solid solution, a substantial increase in coating hardness and wear resistance.

Key Words：Friction and wear；oxygen acetylene flame spraying;Nano-WCenhanced；nickel base alloy

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题提出背景 1

1.2 目的及意义 1

1.3 国内外纳米WC增强Ni合金喷熔层的发展现状 1

1.4 课题研究内容 2

1.5 本章小结 2

第2章 磨损机理分析 3

2.1 磨损的过程及表现形式 3

2.1.1 粘着磨损 3

2.1.2 磨料磨损 5

2.1.3 疲劳磨损 6

2.1.4 腐蚀磨损 6

2.1.5 微动磨损 6

2.2 本章小结 7

第3章 纳米WC增强Ni基合金蚀涂层的设计与制备 8

3.1 涂层材料的选择 8

3.1.1 含硼化物的合金 8

3.1.2 镍基碳化钨 8

3.1.3 含莱氏体合金 9

3.2 涂层制备的工艺 9

3.2.1 激光熔敷 10

3.2.2 超音速火焰喷涂 10

3.2.3 喷焊 10

3.2.4 真空熔结 11

3.2.5 氧乙炔火焰喷熔 11

3.3 涂层的制备 11

3.3.1 基体的预处理 11

3.3.2 喷涂工艺方法 12

3.3.3 氧乙炔火焰喷熔参数 12

3.4 涂层显微组织的分析 13

3.4.1 涂层金相样品制备 13

3.4.2 涂层金相分析 13

3.5 涂层硬度分析 15

3.5.1 测试硬度的步骤 15

3.5.2 样品硬度结果与分析 16

3.6 本章小结 16

第4章 纳米WC增强Ni基合金涂层抗磨损性能的研究 17

4.1 磨损实验的方案 17

4.1.1 磨损实验的设备 17

4.1.2 磨损试验的参数选择 19

4.1.3 试验操作步骤 19

4.2 摩擦磨损试验的数据与分析 20

4.3 涂层抗磨损性能分析 21

4.4 本章小结 21

第5章 结论及展望 22

5.1 结论 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

绪论

课题提出背景

纳米材料在本世纪初就引起国内外的研究热潮，被认为是二十一世纪最有前途的科研领域之一，许多高校都有在这方面投入相当大的研究，比如我国的中国科学技术大学、浙江大学、美国的加尼福尼亚大学等。纳米材料的应用十分广泛，涉足工业生产、军事、航空航天等。纳米颗粒增强合金基体材料主要在抗蚀、抗氧化以及抗磨损方面有着良好的性能。随着材料的发展，纳米技术的理论基础以及实际应用都有了很大的提升，并且纳米材料广泛应用于生产生活中的各个领域，特别是工业生产。其中Ni基自熔性合金具有较好的抗磨损性能，在熔敷涂层时加入一定比例的微米WC硬质合金粉末可以进一步提高其在干摩擦条件下的耐磨性能。如果将微米WC硬质合金替换成纳米级材料，效果更加显著。这是因为，涂层材料的硬度以及涂层的致密程度等因素都与涂层的耐磨性能有关。另外，材料的表面技术可提高材料的耐磨性能，比如激光熔敷、超音速火焰喷涂、喷焊、真空熔结等技术^[1]。

目的及意义

工业生产中的机械的运动是由零件的运动来带动的，零件的相对运动会产生机械损耗，也就是磨损。据统计分析表明,大约有80%的零件失效都是是由于各种不同形式的磨损引起的^[2],因此,解决材料的磨损问题也就能解决零件的使用寿命和成本的问题，对于零件材料的研究是由重要的意义的。材料的抗磨损性能一直是被关注的焦点，如何提高设备零件的磨损性能具有重要的研究意义，耐磨性并不仅是材料的固有特性,还是摩擦学系统及其所处工况等综合作用的结果。

国内外纳米WC增强Ni合金喷熔层的发展现状

当前，国内外的材料磨损性能研究主要在自熔性合金中添加增强因子，通常WC是比较常见的，而自熔性的合金多以Ni、Co、Fe等作为基体。目前，常用的Ni基WC粉末中的WC质量分数为35%的有两种，一种是将平均颗粒尺寸为1μm的WC颗粒通过熔铸方式加入到Ni基合金熔体中，然后采用水或气雾化法制粒，得到的单个粉末颗粒中弥散性分布着细WC颗粒；另一种是将平均尺寸为约50μm的铸造WC颗粒采用机械混合的方式加入到已经制好的Ni60的粉末中,并混合均匀。在实际生产中,当采用前一种工艺生产Ni60/5WC粉末喷焊零件,特别是对于体积和厚度较大的零件时,其喷熔的工艺性并不好。为了便于喷熔操作,喷熔工人常常将其与一定比例的Ni60粉末进行混合。关于将Ni60粉末和含有细颗粒WC的粉末Ni60/35WC粉末混合对涂层摩擦磨损性能的影响研究是一个及其重要的内容。且纳米WC对于自熔性合金的结合，所提升的材料耐磨性能是比普通的如微米级的材料提升的耐磨质量要高。也就是说，对于WC的添加粒度和比例作为研究的重点。例如杨启志、王俊英^[3]分别用25%、35%和55%的WC和Ni基合金粉末进行混合来研究涂层的耐腐蚀性能，且在特定的条件下涂层的耐腐蚀性能和WC的添加量成反比。另外，对于涂层的制备工艺也是不尽相同的，目前国内外比较常见到的方法有激光熔敷、超音速火焰喷涂、喷焊、真空熔结和氧乙炔火焰喷涂等^[4]，不过像激光熔敷这类技术的设备成本高，工艺复杂。能够低成本应用于生产的高质量技术还有待提高。

课题研究内容

1. 本课题主要研究机械零件的磨损机理及其影响因素的分析，选择适当的材料进行耐摩擦磨损涂层的设计；
2. 采用氧乙炔火焰喷熔工艺，运用“一步法”制备了三种涂层，分别是Ni60、NiWC35和纳米WC增强涂层NiWC35-10；
3. 对涂层进行金相分析、硬度测试，分析涂层材料的耐磨性能；
4. 利用MFT-3000摩擦磨损试验机对上述三种涂层和基体16Mn进行摩擦磨损试验，根据试验数据，对比得出纳米WC增强Ni基合金涂层的耐磨性能和磨损机理。

本章小结

本章主要对课题的研究做准备工作，研究课题的目的及意义，了解课题的背景及国内外的发展现状，明确课题的研究方向。

磨损机理分析

磨损的过程及表现形式

通常机械在摩擦的过程中，就会有磨损的形式，零件的一般的磨损过程可分为三个阶段：磨合、稳定磨损和剧烈磨损阶段。

1. 磨合期的特征是零件的形貌发生比较大的变化，所以磨损的过程只是在表面有凸起的地方进行的，随着这些部位被挤压、变形和破坏后，零件表面的磨损就会减缓速度，慢慢进入稳定磨损的阶段；
2. 零件在进入稳定磨损的阶段后，磨损的速度就变得更加缓慢了，因为在之前的磨合阶段结束后，零件表面的材料实际已经形成一种相对稳定的特性。
3. 在剧烈磨损阶段材料的磨损率又变得很高，随着运行时间的延长,零件材料的性质发生变化,有时还可能有外界其它因素的影响,磨损变得更剧烈。

通常情况下，机械的磨损都时遵循着三个过程进行的，所以在防止磨损失效，提高材料的使用寿命应当使磨损中稳定磨损阶段的时间增加，减少磨合期和剧烈磨损阶段的时间。磨损是伴随摩擦产生的,当一个物体与另一个物体做相对运动时，在两个运动的表面发生物质的损失、变形或者损伤，称为磨损。根据磨损破坏的机理和特征，磨损一般分为黏着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损及微动磨损五类^[5]。

粘着磨损

两摩擦的物体相对运动时，发生零件材料的固相焊合，接触表面的零件材料从一个表面转移到另一个表面并发生破坏的现象叫做粘着磨损。

粘着磨损是由于两摩擦物体在法向力和切向力的联合作用下，其中一个表面的材料转移到另一个物体表面，并且在伴随着剪切撕脱和粘着的过程，严重时可能会咬死，比如柴油机咬缸。在粘着磨损过程中，零件表面的材料从一个表面转移到另一个表面，而在连续摩擦的情况下，被转移的材料积累到一定的程度后，在结合链破坏或疲劳断裂的情况下而脱落，成为松散的磨屑颗粒。据摩擦表面磨损和破坏的程度，粘着磨损可分为五种类型。