电弧喷涂制备涂层刀具工艺研究.docx

1、电弧喷涂制备涂层刀具工艺研究 摘要：本文用电弧喷涂技术在45号钢基体上制备涂层。采用实心丝材1Cr13作为燃烧丝，配合ALO陶瓷粉进行喷涂，制备金属基陶瓷复合涂层。采用正交试验方案，利用SEM对涂层的显微组织结构、性能进行了分析。复合涂层为典型的层状结构。影响涂层结合强度的工艺参数由主到次依次为喷涂电流、雾化空气压力、喷涂距离和喷涂电压；影响涂层显微硬度的工艺参数由主到次是喷涂电流、喷涂距离、喷涂电压、雾化空气压力。复合涂层的磨损机制主要为硬质颗粒的脆性脱落，同时伴随着磨粒磨损。在金属相涂层中添加硬质相能显著提高涂层显微硬度。关键词：电弧喷涂，涂层 ，组织，性能，工艺参数The arc spr

2、aying coating preparation tool technology was studiedAbstract: In this paper,coatings were sprayed on the substrate of steel 45 by arc spraying using optimized process parameter. Using a solid wire 1Cr13 as the burning of wire to meet the outgoing carry out ALO arc spraying ceramic powder to prepare

3、 metal matrix ceramic composite coatings.The scheme of the orthogonal experiment using SEM arc.sprayed coating microstructure on the organizational structure of the worn surface were analyzed. Microstructure of the composite coating showed a typical layered structure. Process parameters which effect

4、 the combining strength of the arc sprayed coating are (from main to minor in turns) spraying current, atomizing air pressure, spraying distance, and spraying voltage. Process parameters which effect the micro.hardness of the arc sprayed coating are (from main to minor in turns) spraying current, sp

5、raying distance, spraying voltage, atomizing air pressure.The wear mechanism of composite coating are mainly falls off the brittleness of hard particle, at the same time accompanied by abrasive wear.Hard phase is added in the metallic phase coating can significantly increase the coating micro hardne

6、ss.KEY WORDS:arcs praying ,coatings,organization,performance,process parameters目录1 绪论11.1 热喷涂技术11.2 电弧喷涂21.2.1 电弧喷涂的原理及特点21.2.2 电弧喷涂涂层的形成过程31.2.3 涂层的结合机理51.2.4 电弧喷涂工艺过程和工艺参数51.3 电弧喷涂的发展趋势71.4 本课题研究意义及内容92 电弧喷涂涂层的制备及试验方法102.1 涂层的制备工艺102.1.1 电弧喷涂的设备102.1.2 喷涂工艺参数102.1.3 电弧喷涂材料112.2 电弧喷涂涂层表征仪器及实验方法112.

7、2.1 电弧喷涂涂层检测仪器112.2.2 涂层硬度的测定122.2.3 涂层结合强度的检测122.2.4涂层磨损性能实验133 涂层组织结构的研究143.1 正交试验方案设计143.2 电弧喷涂工艺参数对涂层组织的影响153.2.1 喷涂电压对涂层组织的影响153.2.2 雾化空气压力对涂层组织的影响163.2.3 喷涂距离对涂层组织的影响183.2.4 喷涂电流对涂层组织的影响194 涂层性能的研究204.1 涂层的显微硬度204.1.1 涂层显微硬度分析204.1.2 各因素对显微硬度的影响234.1.3 涂层显微硬度的分布244.2 涂层的结合强度254.2.1 拉伸试验及实验结果25

8、4.2.2 工艺参数对结合强度的影响274.2.3 涂层厚度对结合强度的影响284.3 涂层的耐磨性294.3.1 涂层的干摩擦试验294.3.2 复合涂层的磨损机理32结论34参考文献36致谢371 绪论1.1 热喷涂技术热喷涂工艺已成为材料表面改性、表面强化和保护的新技术之一。热喷涂技术是利用特定的热源将喷涂材料加热熔化或软化，并借助自身的动力或外加气流将熔滴加速，以一定的速度喷射到表面经过净化或粗化的工件表面形成涂层的工艺方法。其工艺方法的多样性、涂层种类的广泛性和应用上的经济性是该技术最突出的优点。从大型钢结构件的防护，到近代生物工程、纳米技术等高新技术领域，都可发挥其独特的作用。因此

9、，热喷涂技术的应用领域已遍及航空航天、机械冶金、交通运输、石油化工、煤炭电力和纺织造纸等各个工业部门。热喷涂材料的分类有多种，通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等；按材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料及陶瓷复合粉、生物材料；按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。目前，为了满足对材料多功能、高性能等的要求，多种材料的复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。根据喷涂热源来分，热喷涂有四种基本方法：等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂和特殊喷涂。等离子喷涂是以等离子电弧为热源的热喷涂，电弧喷涂是以电

10、弧为热源的热喷涂，火焰喷涂是以气体火焰为热源的热喷涂。热喷涂过程中，喷涂材料的粒子被热源加热到熔融状态或高塑性状态，在外加气体压力或在焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的颗粒与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时因急冷而快速凝固，颗粒逐层沉积而成涂层。电弧喷涂技术是热喷涂技术的一种，也是表面工程的重要组成部分。在近40年的发展历程中，随着喷涂设备、喷涂材料和喷涂工艺的不断发展与更新，电弧喷涂技术得到了飞跃性的发展和推广应用，已成为热喷涂领域中最引人注目的技术之一。据有关资料统计，到 20 世纪末，在所有热喷涂技术中，电弧喷涂的技术应用比例占 15%，其市场比例排第

11、 3位5。在近十年里，电弧喷涂设备不断发展，应用广泛。防磨损涂层是电弧喷涂最主要的一种应用。滚轮，机轴，车轴，齿轮箱之类的机器零件在安装前都要喷涂。电弧喷涂也用于磨损部件的修复。电弧喷涂防腐涂层用于管道，锅炉，海上平台，大桥以及混凝土和其他金属结构中的钢筋。美国海军也广泛使用电弧喷涂进行船体建造和维修。电弧喷涂在维修涡轮机叶片时已被证明十分有效。汽车业也用电弧喷涂技术对发动机和其他汽车部件进行喷涂5。1.2 电弧喷涂1.2.1 电弧喷涂的原理及特点电弧喷涂是利用两根连续送进的金属作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，利用压缩空气将熔化的丝材雾化，并以高的速度喷向工件表面形成涂层的一种热喷涂方

12、法。其工作原理如图1所示。喷涂时，两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置均匀连续的分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正负极并保证两根丝材在未接触前的可靠绝缘。当两根金属丝材端部由于送进而相互接触时，发生短路而产生电弧，使丝材端部瞬间熔化，压缩空气将熔融金属熔化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。喷涂及形成过程如图1所示。图1 电弧喷涂原理图1一直流电源 2一丝盘 3一金属丝 4一送丝滚论 5一导电快 6一导电嘴 7一空气喷嘴 8一压缩空气 9一电弧 10一喷涂粒子11一涂层 12一工件高速电弧喷涂技术具有以下特点：(1)涂层结合强度较高、硬度高、孔隙率低 电弧喷涂时

13、，熔滴温度可达6000以上，微熔滴加热温度、喷射速度都比火焰喷涂时高，因此粒子的动能和热能都比较高，从而获得较高的结合强度和涂层强度。试验证明，电弧喷涂的结合强度约是火焰喷涂层的2.5倍。电弧喷涂形成的涂层硬度要比喷涂材料高30%一80%。电弧喷涂涂层的孔隙率小于8%，低于火焰喷涂所得的涂层的孔隙率。(2)生产率高、安全可靠 电弧喷涂的生产率正比于喷涂电流，它的高效率表现在单位时间内喷涂金属的用量大。(3)能源利用率高，喷涂成本低 电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法，而能源费用降低50%以上。除它的能源利用率很高外，加之电能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷

14、涂的1/5一1/10，等离子喷涂成本的1/5一1/20，而其喷涂效率却提高了近一倍。(4)设备造价低、使用维修方便、便于现场施工电弧喷涂设备成本只有等离子喷涂设备的1/4一1/6。而且电弧喷涂设备体积小、重量轻、移动方便、易损件少，维修方便，易于现场施工。1.2.2 电弧喷涂涂层的形成过程电弧喷涂涂层形成过程比较复杂，涉及流体力学、空气动力学、冶金热力学、传热学等领域，另外喷涂工艺参数如喷涂电压、喷涂电流、空气压力、喷涂距离等也对涂层的形成有一定的影响。尽管各种喷涂和喷焊方法所用热源、涂层质量即结合强度有所差异，但其喷涂过程、喷涂时粒子流的特点、涂层的成分与涂层的结合机理却基本相同。喷涂材料从

15、进入热源到形成涂层，整个喷涂过程要经历以下阶段：（1） 喷涂材料的加热和熔化 电源的正负极分别和一根金属丝相连，并与喷嘴端部形成一定的角度。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度是两根金属丝间产生电弧，电弧区可产生高达 4000K6000K 的高温，两根金属丝端部熔化成熔滴，雾化气流的拖拽作用使熔滴被雾化，加速喷射到基体的表面。（2）熔滴的雾化 熔滴的雾化效果直接影响到涂层的质量，因此喷涂中一个重要的参数就是与物化有关的气体压力。雾化气流在喷涂中起两个作用：一是将熔化的金属从丝材端部剪开并雾化成熔滴；二是为雾化熔滴提供飞行动力。雾化气体的压力在一定程度上影响到了电弧的稳定性、熔滴的形成及雾化的效果。 （3）熔滴的飞行 离开热源的高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段属于粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离开喷嘴距离的增大而发生如下变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小变大，达到一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面是即进入喷涂阶段。（4）涂层的形成