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反应氮弧熔覆TiN、TiN-Al_2O_3金属陶瓷复合涂层研究

赵建国  
【摘要】:随着农业机械化程度的不断提高,越来越多的农业机械在整地、播种、收获等诸多环节发挥着极其重要的作用。农业机械的正确、合理、有效使用对于农业增产、增收意义重大。然而作为与土壤接触的农机关键部件在使用过程中,受到土壤中硬质颗粒冲击、磨损、腐蚀作用,极易早期失效。农机部件的早期失效,已经成为影响作业效率、质量及成本的关键问题。本文基于在农机触土刀具表层制备Ti N、Ti N-Al2O3金属陶瓷强化涂层的设计思想,系统研究氮弧反应生成Ti N机理及熔覆电流、熔覆速度、氮气流量、Al2O3含量等对涂层组织结构、物相组成、显微硬度、耐磨、耐蚀性能的影响,优化工艺参数,主要研究结果如下:在反应氮弧熔覆过程中,高的氮弧能量使部分氮气被电离成氮离子(N+、N-)和氮原子(N),氮离子、氮原子通过扩散且在熔池涌动、电磁吹力的作用下,与熔融的Ti充分接触,反应生成Ti N/Fe金属陶瓷复合涂层。涂层物相主要由Ti N和Fe组成,Ti N呈现为枝晶状、不规则颗粒状,Ti N晶粒与基体元素相互渗透,形成了良好的冶金结合。熔覆参数对涂层组织及性能有重要的影响。当电流为160A时,速度3mm/s时,氮气流量20L/min时,涂层均有较高的显微硬度,显微硬度最高可达1200HV,约为基体显微硬度的5倍多。与基体相比,Ti N金属陶瓷涂层具有较好的耐磨性能。以耐磨性为目标,Ti N金属陶瓷涂层的优化工艺参数为:熔覆电流180A,氮气流量为20L/min,熔覆速度为3mm/s,钨极直径为?3.2mm。采用优化工艺制备的Ti N涂层平均显微硬度为1000HV左右,最高达到了1200HV;腐蚀试验表明,在3.5%Na Cl溶液和5%H2SO4溶液中,与基体相比,Ti N金属陶瓷涂层腐蚀速度约为其1/3,具有较好的耐腐蚀性能。Al2O3含量对氮弧熔覆Ti N-Al2O3金属陶瓷涂层的组织结构和性能影响较大。当Al2O3含量为6%时,涂层硬质相呈离散分布、无明显的裂纹、气孔及空洞等缺陷,显微硬度最高可达1400HV;但随着Al2O3的含量增加为10%和12%时,涂层表面出现了较多的气孔、裂纹甚至沟壑等现象,显微硬度最低下降到了600HV。与Ti N涂层相比,Ti N-Al2O3涂层显微硬度最高提高了约200HV,摩擦系数波动小、变化平稳;腐蚀试验表明,在3.5%Na Cl溶液中,Ti N涂层的腐蚀电位低于Ti N-Al2O3涂层,Ti N涂层的腐蚀倾向大于Ti N-Al2O3涂层,而在5%H2SO4溶液中,两者的腐蚀电位相当。但在两种腐蚀溶液中,Ti N-Al2O3涂层的腐蚀电流和腐蚀速度均小于Ti N涂层,其耐腐蚀性能好于Ti N涂层。在深松铲铲尖表面制备了Ti N-Al2O3复合涂层,耐磨试验表明,在铲尖表面出现了平行于受力方向的磨损沟槽;在自制的磨料磨损试验装置中对堆焊铲尖和熔覆铲尖进行了加速磨损实验,堆焊铲尖的磨损量平均约为50mg,而熔覆Ti N-Al2O3涂层铲尖的平均磨损量约为30mg,熔覆Ti N-Al2O3涂层铲尖具有较好的耐磨性能。


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