聚丙烯酰胺生产工艺设计.docx
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聚丙烯酰胺生产工艺设计
合金涂层实验
（Alloycoatingexperiment）
班级高聚物091
学生姓名刘爱楚学号15
指导教师焦富强职称老师
导师单位徐州工业职业技术学院
论文提交日期2011-3-23
摘要
本文采用冷态涂敷方法，用水玻璃和松香作黏结剂，在45钢表面涂敷了镍基自熔性合金粉末Ni60和Ni60+WC25，利用炉内加热和感应加热的方法对涂层进行了重熔处理，并对重熔试样进行了销盘式磨粒磨损实验；对重熔涂层进行了显微硬度分析和金相组织分析，利用扫描电子显微镜（SEM）对涂层磨损后的形貌进行了分析。
结果表明：
重熔涂层具有很高的耐磨性，明显高于T10钢淬火后的试样；Ni60+WC重熔涂层的耐磨性稍高于Ni60重熔涂层；感应重熔涂层的耐磨性要高于炉内重熔的涂层；用松香作黏结剂的涂层稍高于用水玻璃作黏结剂的涂层；重熔涂层磨损表面的SEM形貌表明磨损属于磨粒磨损。
关键词：
自熔性合金，感应重熔涂层，炉内重熔涂层，镍基WC，磨粒磨损
Abstract
Nickelbaseself-fluxedalloypowderNi60andNi60+WC25arespreadedonthesurfaceof45steelbycold-statecoatingtechniquehasbeenshowninthispaper，thebondingagentsusewaterglassandrosin，andthecoatingsareremeltedusingfurnaceandinductionheatingmethods，thewear-resistantoftheremeltingcoatingsareinvestigatedbytheabrasivewearmachine.Thehardnessandmicrostructureofthecoatingsarealsoanalzyed，thewornsurfacemorphologyofthecoatingsareobservedbyelectronscanningmicroscope（SEM）.Theresultsindicatethattheremeltingcoatingshaveveryhighwear-resistant，andapparentlyhigherthanthequenchedT10sample.Thewear-resistantofNi60+WC25remeltingcoatingsarebetterthanthatofNi60coatings，andtheinductionremeltingcoatingsarebetterthanthatofthefurnaceremeltingcoatings，alsotheremeltingcoatingsofrosinbondingagentsarebetterthanthatofwaterglassbondingagentscoatings.TheSEMmorphologyofthewornsurfaceshownitbelongstoabrasivewear.
Keywords：
self-fluxedalloy,inductionremeltingcoatings,furnaceremeltingcoatings，WCnickelbase，abrasivewear
目录
第一章概论.........................................................1
1.1课题背景及意义................................................1
1.2本课题及相关领域的国内外现状及发展............................1
1.2.1金属表面涂层强化发展现状.................................1
1.2.2重熔方式简介.............................................2
1.2.3重熔涂层的研究现状及发展.................................4
1.3主要研究内容..................................................5
第二章实验方法.....................................................6
2.1实验所用材料..................................................6
2.1.1自熔性合金粉末...........................................6
2.1.2实验所用自熔性合金粉末的基本特性.........................7
2.1.3基体材料.................................................7
2.1.4冷涂涂层所用黏结剂材料...................................8
2.2实验方法......................................................8
2.2.1预处理...................................................8
2.2.2涂层的预制备.............................................8
2.2.3炉内重熔.................................................9
2.2.4感应重熔.................................................9
2.3实验设备......................................................10
第三章实验结果及分析...............................................11
3.1涂层磨损实验结果..............................................11
3.1.1涂层随时间变化的磨损曲线.................................11
3.1.2涂层随载荷变化的磨损曲线.................................16
3.2涂层磨损形貌分析..............................................16
第四章结论........................................................18
参考文献............................................................19致谢................................................................20
第1章概论
1.1课题背景及意义
表面工程技术是适应工业生产当中对于机件表面的特殊需求而产生的。
因为对于在各种条件下使用的机械构件，无论是磨损还是腐蚀，大都是从机件的表面开始的，有的甚至仅表现在机件的表面上，所以，对机件表面进行必要的强化以防止磨损和腐蚀，就成为一件有意义的工作[1]。
磨损是导致工程材料失效的主要原因之一，通过改善材料的耐磨性能来降低材料的损耗，一直是材料科学工作者非常关注的问题。
利用热喷涂技术在零件表面制备理想的涂层来提高其耐磨抗蚀性能是非常行之有效的方法。
但涂层的耐磨粒磨损能力并不是一种固有特性，受到涂层的成分、制备工艺、工作条件、磨粒材料等多种因素的影响[2]。
近年来，表面熔涂技术的发展很快，出现了很多相关技术和材料[3-5]。
本课题的研究正是为了通过熔涂技术获得质量良好的涂层，提高涂层的致密性，涂层与基体的结合强度，对涂层的耐磨损性能进行测试。
旨在通过对本课题的实验研究，希望对提高机械零件的可靠性和使用寿命，提高涂层的耐磨性，对实际生产中的节能、节材、降耗和提高经济效益具有一定的指导意义。
1.2本课题及相关领域的国内外现状及发展
1.2.1金属表面涂层强化发展现状[2]
近20年来，表面工程技术获得了飞速发展。
概括地讲，可以分为以下3类：
（1）化学热处理表面强化：
如渗碳、渗氮、离子注入等；
（2）不改变表面化学成分的表面强化：
如表面高频淬火、表面形变强化、激光热处理强化；
（3）表面涂层强化：
如电镀、化学镀、喷涂、喷焊、激光熔涂、真空熔烧等。
金属表面涂层的各项强化技术，依据涂层与基体金属的结合力，大致可以分为两大类：
一类结合力较弱，如电镀和化学镀，其涂层与基体之间的结合力不是很强；再如各种喷涂方法，基体与涂层之间均属于机械结合，尽管结合力有强有弱，但终归为物理结合，在生产中许多要求承受较高载荷的场合不能使用；另一类结合力较强，通常形成了冶金结合。
在进行涂敷时，涂层熔化，涂层与基体之间有元素的相互扩散，喷焊（等离子喷焊、氧乙炔喷焊）、激光熔涂和真空熔烧均属于这一类。
第一类方法对工件基体的影响小，因而在强化过程中不会引起或不易引起工件变形，但由于这类涂层与基体的结合力比较弱，因而不能承受载荷、不耐磨粒磨损和冲蚀磨损；另外，涂层也不能太厚，涂层越厚，结合力越弱，越容易在使用中脱落，涂层厚度的这种限制使之不能满足生产中许多情况下的需要；而且，由于喷涂涂层的孔隙率高，还使得涂层耐腐蚀性受到影响。
第二类方法当中，氧-乙炔喷焊在工厂当中使用最为广泛。
氧-乙炔火焰喷焊设备简单，宜现场操作。
但是，第一，氧-乙炔火焰喷焊对基体的热影响非常大，不能用于对组织变化和形变要求很小的场合，尤其不适合精确构件的磨损修复；第二，其对涂层材料的氧化烧损大，降低了涂层的使用性能；第三，由于其为手工操作，且操作条件差，因而受人为的因素影响大，质量不够稳定，往往会发生熔化不足、熔化不均或是过熔产生波纹甚至流动的情况，并且在大批量生产时生产效率低下。
激光熔涂涂层有许多优良的性能，包括良好的冶金结合、细晶组织以及对基体的热影响小等。
但由于激光设备造价高，且大功率设备现在还很难做到光束非常均匀和稳定；熔涂过程的自动控制程度低；熔涂涂层表面不够平整，后续加工量大；涂层易出现裂纹和孔洞等原因，使得激光熔涂还不能在工艺上形成范围广泛的工业应用。
现在，激光熔涂主要用于一些高成本关键性部件的小面积处理上。
真空熔烧技术与基体也具有比较强的结合力，但也存在着其对基体的热影响大等问题。
以上这些涂层强化技术都很难同时满足成本不高、热影响不大、结合力又强三个方面的要求。
但是，近年来出于节约成本和减少维修、提高生产效率的需要，人们对于普通工件也要求提供质量高而成本不高的涂层。
感应熔涂技术就是在这种背景下考虑的。
1.2.2重熔方式简介
涂层重熔技术包括喷涂和重熔两个过程，这两个过程可以先后进行也可以同时进行。
在喷涂过程中，粉末通过热源的加热，一般以半熔化状态沉积到工件上。
重熔是粉末或喷涂层在工件上的熔融过程，是将喷敷到工件表面的疏松多孔的粉层加热到液-固相温度范围，使粉末中的硼硅元素发生脱氧反应且润湿基材表面，形成与基材表面具有冶金结合且致密的涂层。
重熔按加热方法有火焰重熔、炉内重熔、激光重熔和感应重熔等多种方式[6]。
1.2.2.1火焰重熔
火焰重熔加热时，是从涂层表面开始向内部进行传导式加热的，最高温度在涂层表面。
涂层表面氧化严重，结合层冶金质量较差[7]。
由于火焰重熔设备简单，施工灵活，因而获得广泛应用。
重熔时，应有足够的火焰能量，可采用大功率火焰重熔枪。
由于火焰气体的保护性差，不宜使涂层在700℃以上停留过长，否则易使粉层和基材表面氧化，影响重熔层质量及结合性能。
重熔时的火焰宜采用中性焰或微碳化焰。
重熔温度与粉末熔点有关，通常在1000℃左右。
当粉层逐渐升温变红，由粗糙变光滑并很快显示镜子一样光亮，出现火焰倒影，即所谓“镜面反光”效应时（实质是覆盖在液-固相涂层金属表面的融熔状态的薄层熔渣），表明重熔温度已达到，此时火焰应离开。
1.2.2.2炉中重熔
炉中重熔通常是在中性或还原性气氛中完成的，常用的气体有氢、氮、一氧化碳、煤气等。
当喷涂工件较大时，因在炉中达到所需重熔温度的时间较长，为了缩短此时间，可将炉内温度预先升到重熔温度以上再将喷涂工件送入炉内。
由于某些自熔性合金粉末的液-固相区间温度较小，故应严格控制炉内重熔温度,以防止液态涂层流淌。
此外，也不宜在重熔温度保持过长时间，以防止重熔层与基材之间的过度扩散，降低涂层的硬度和耐蚀性。
1.2.2.3激光重熔
激光熔覆是通过在金属表面添加熔覆材料并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，并在基材表面形成与其冶金结合的添料熔覆层[8-9]。
用激光作重熔热源时，由于激光束能量密度大，对基材的热影响小，工件变形也小，因此能获得优良的喷熔涂层。
但该工艺需要大功率激光源，故目前在实际生产中应用甚少。
激光重熔工艺适用于小零件表面或中型、大型零件的边角处表面的喷熔。
若激光重熔后的涂层厚度不足，需补喷粉末时，应将先前的喷熔涂层表面的薄层熔渣去掉，并预热至670-700℃，然后再喷粉、重熔，重复上述工艺，直到达到预定涂层厚度。
1.2.2.4感应重熔
涂层感应重熔技术是在工件基体上预先制备合金涂层，然后利用感应线圈中的交变电磁场在工件当中产生涡流，利用涡流产生的热量来达到使涂层熔化的目的。
这一工艺方法在国际上是8O年代出现的[10-11]。
涡流的趋肤效应构成了感应加热的主要优势，使得热量可以集中在要求加热的区域内。
由于可以使涂层熔化，所以涂层与基体的结合力强，可以用于需要承受载荷的场合；又由于热量集中在表层，所以对基体的热影响小。
感应电流的大小与磁场强度和磁场变化频率有关。
通常，频率越高，则涡流流过物体的表面层越薄，物体的加热深度也越浅。
实际生产中，电源频率和设备功率可参照经验公式计算来确定。
一般用来感应重熔的工件尺寸较大且涂层厚度都在0.8mm以上[12]。
1.2.3重熔涂层的研究现状及发展
Ni60自熔性合金是发展最早的典型自熔合金之一，它的组织性能曾广泛受到热喷涂界的研究及重视，但工作都是针对氧乙炔火焰重熔涂层或喷焊层的[13]。
武汉交通科技大学船舶机械工程系的丁彰雄、刘正林研究了FNil5A，FNiWC35自熔性合金粉末喷焊层耐磨粒磨损的特性，结果表明，FNiWC35喷焊层比FNil5A喷焊层具有更优良的耐高应力磨粒磨损性能，但在低应力磨粒磨损中，它与FNil5A的相对耐磨性主要取决于磨粒的种类和硬度；对于同一种喷焊材料，氧乙炔喷焊层比等离子喷焊层具有更好的耐磨粒磨损性能；等离子喷焊层的耐磨性不仅与喷焊材料有关，而且在很大程度上取决于喷焊工艺[14]。
洛阳工学院的王长生、罗美华、杨蕴林也研究了喷焊层的磨粒磨损性能，指出在Ni60自熔性合金中加入适量的镍包WC粉末可明显提高喷焊层的抗磨粒磨损性能[15]。
上海亿通宝特种粉末有限公司朱润生曾提到，涂层高频感应重熔是一种十分理想的重熔工艺技术。
国外如：
德国、美国等国家都有感应技术用于涂层重熔的报导，但未指明是中频感应加热还是高频感应加热。
我国湖南省冶金材料研究所较早报导了自熔合金涂层中频感应加热重熔工艺技术的研究，并已得到了应用[16]。
普通的感应重熔工艺是先在工件表面喷涂合金粉末，然后再进行感应重熔。
这在一定程度上限制了该技术的应用范围。
免喷涂感应重熔技术避免了粉末在飞行过程中的氧化及基材因受高温而发生的氧化。
此外还可以减少合金粉末的浪费。
从工艺的角度看，此方法不仅免去了喷涂步骤，更重要的是对于小直径内孔壁或复杂曲面等部位，可以很容易的进行涂敷和重熔，因此具有实际应用价值[17]。
目前，免喷涂感应重熔技术得到了很大发展，国内学者张增志首次研究了用黏结的方法制备预涂层，用高频感应进行熔涂的技术，该技术与涂层熔涂的传统技术相比，有熔涂速度快、界面结合力大、涂层质量优良、成本低、适于批量生产等优点。
哈尔滨理工大学的逯允龙等人也研究了免喷涂感应熔涂工艺，是以铁基合金粉末为原料，添加一定比例的粘结剂和活性剂，冷涂于工件表面，结合感应重熔技术，获得了优良的表面合金涂层。
并且由于免去了热喷涂工艺步骤，降低了生产成本，提高了熔涂效率。
另外，添加活性剂明显缩短了开始熔化时间，提高了涂层冶金质量。
在技术性能方面一些学者指出：
采用同种镍基合金粉末，感应熔涂涂层的表层硬度高于同种材料的氧-乙炔喷焊涂层和激光熔涂涂层的硬度。
就表面形貌而言，感应熔涂涂层表面平整，明显优于激光熔涂涂层，也优于氧-乙炔喷焊涂层。
感应熔涂涂层的后续加工量很少。
感应熔涂涂层的耐磨性优于激光熔涂涂层和氧-乙炔喷焊涂层。
同种镍基合金粉末，感应熔涂涂层的腐蚀速度明显低于氧-乙炔喷焊涂层和激光熔涂涂层[18-19]。
总的来说，自熔性合金涂层感应重熔工艺可获得良好的涂层，提高了涂层的耐磨性，也改善了操作者的劳动环境。
感应加热技术用于自熔性合金涂层重熔，是重熔工艺的一大进展，该工艺有很大的发展前景，在生产实际中将得到广泛的应用。
1.3主要研究内容
本课题主要研究的内容是自熔性合金感应重熔涂层的磨损性能，具体内容包括以下几个方面：
（1）重熔涂层的磨损曲线分析。
（2）重熔涂层的磨损形貌分析。
（3）涂层制备工艺和磨损性能之间的关系。
第2章实验方法
2.1实验所用材料
2.1.1自熔性合金粉末
自熔性合金粉末是指在镍、钴、铁、铜基合金中加入能形成低熔点共晶体的合金元素而形成的一系列粉末材料。
这种合金粉末在高温下，合金元素之间会发生冶金化学反应，放出大量热量，因而具有自熔性[2]。
本实验所用的自熔性合金粉末为Ni60和Ni60+WC25粉末。
表2.1Ni60合金粉末化学成分（质量分数/%）
C
Cr
B
Si
Fe
Ni
0.5～1.1
15～20
3.0～4.5
4.0～6.0
≤15
其余
Ni60+WC25粉末是在Ni60粉末中加入了25%的WC。
Ni60和Ni60+WC25粉末粒度均为140~325目。
2.1.1.1硼和硅在自熔性合金中的作用
硼和硅都能与镍形成低熔点共晶体，使合金的熔点显著下降。
硼和硅与氧有很强的亲和力，能还原周围金属氧化物且所生成的氧化物密度小、黏度小、流动性好，极易浮于熔池表面，即所谓的脱氧造渣。
除此之外，硼、硅元素对镍有固溶强化和沉淀硬化作用以及改善合金工艺性能的作用。
2.1.1.2碳在自熔性合金中的作用
碳在镍中的固溶度很小。
碳能与铬形成硬质相碳化物，提高合金涂层的硬度和耐磨性。
2.1.1.3铬在自熔性合金中的作用
铬与镍形成完全固溶体，起固溶强化的作用，同时也使固溶体电位增高，起到钝化防腐蚀的作用。
富余的铬容易与合金中的碳和硼形成碳化铬和硼化铬硬质相，提高合金的硬度和耐磨性。
2.1.1.4碳化钨在自熔性合金中的作用
碳化钨颗粒弥散在自熔性合金中，显著地提高了合金的硬度和耐磨性，同时使合金具有很好的红硬性和抗氧化性。
2.1.2实验所用自熔性合金粉末的基本特性
2.1.2.1熔点低
镍基自熔性合金的熔点：
950~1100℃（纯镍熔点为1450℃）
含WC型自熔性合金的熔点：
960~1250℃（WC熔点2870℃）
本实验所用的Ni60和Ni60+WC经CRY-2P型差热分析仪测量分析后的熔点分别为980℃和978℃。
2.1.2.2自脱氧造渣
自熔性合金粉末的熔化过程是一个特殊的冶金过程，熔化时来自空气中的氧会不断地侵入熔化的金属，使之生成各种氧化物。
这些氧化物应及时从熔化金属中排出。
自熔性合金粉末中含有一定量的硅和硼，由于硼与氧的亲和力高于镍与氧的亲和力，因此硼能还原镍的氧化物而生成氧化硼。
氧化硼的熔点很低（约450℃），可是黏度很大，它不容易浮出熔化金属表面，而硅又是另一种较好的自熔性元素，硅不但能还原镍的氧化物而生成氧化硅，而且氧化硅又可以与氧化硼一起生成黏度小的硅酸硼溶剂，并与其它金属化合物一起形成硼硅酸盐玻璃渣，浮出熔化金属表面，完成脱氧造渣过程[20]。
2.1.2.3多种强化相组织结构
与通常的单金属组织结构比较，自熔性合金的组织结构比较复杂，它具有多种强化相组织结构。
主要强化相如下：
固溶体强化相：
镍基自熔性合金主要是硅在镍中的固溶体。
化合物强化相：
自熔性合金的组分较多，各种组分间发生化学反应就组成了各种化合物。
各种自熔性合金中主要形成的化合物强化相如下：
硼化物：
Cr2B、Cr2B5、CrB、Cr5B3、Cr3B4、CrB2、Ni3B、NiB2；
碳化物：
Cr7C3、Cr3C2、Cr3C6、WC、W2C、（FeCr）23C6。
上述各种化合物强化相均是自熔性合金的高硬质点，显著地提高了自熔性合金的硬度和耐磨性。
2.1.3基体材料
基体材料为45钢。
试样为Φ10mm×10mm和Φ24mm×25mm的圆柱体棒料。
2.1.4冷涂涂层所用黏结剂材料
涂层所用的黏结剂为焊条的药皮黏结剂—硅酸钠水玻璃和松香。
2.1.5磨损实验所用试样
上试样为Φ5mm×18mm的销样，下试样为贴有砂布的Φ34mm的盘样，砂布规格为120号的Al3O2砂布。
2.2实验方法
2.2.1预处理
熔涂件表面预处理要达到以下3个目的[12]：
（1）粗化表面：
使被熔涂表面具有一定的粗糙度，以利于粉料与基材表面的镶嵌、填塞作用。
（2）净化表面：
去除被熔涂表面的各种杂物，特别是油污，以利于熔融粉粒与基材表面的润湿和冶金结合。
（3）活化表面：
使被熔涂表面形成活化能力，如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于粉粒与基材表面快速融合。
预处理是表面熔涂的第一步，也是非常重要的一步，一个纯净粗糙的金属表面能大大提高与涂层的结合力，还能提高涂层的质量。
预处理的工艺步骤如下：
2.2.1.1表面预加工
用砂轮或砂纸对被涂表面进行打磨，除去被涂表面的氧化层、疲劳层，净化、粗化工件表面，并使表面平整以使涂层厚度均匀。
2.2.1.2清洗
用丙酮清洗待涂表面的油污及杂质，以免影响重熔涂层的质量。
2.2.2涂层的预制备
本实验是用黏结剂将自熔性合金粉末直接冷涂在基体上，经烘干后进行重熔。
实验所用的黏结剂为焊条的药皮黏结剂—硅酸钠水玻璃和松香。
实验所用烘干设备为真空干燥炉，烘干温度为185℃，时间为30min。
2.2.3炉内重熔
本实验是在真空钎焊炉中进行炉内重熔，重熔温度为960℃，保温时间为5min。
2.2.4感应重熔
本实验选用透入式加热重熔镍基合金涂层，涂层厚度控制在1mm左右，因为过分加大将引起较大应力，并且界面温度偏低，界面反应滞后，影响结合效果。
实验所用加热设备的频率在30~35kHz之间。
由于感应加热速度非常快，难以准确控制加热温度。
本实验通过加热时间来控制加热温度，加热时间控制在20~30s之间。
第3章实验结果及分析
3.1涂层磨损实验结果
对前
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