金属陶瓷硬质覆层材料的应用基础研究

【摘要】： 金属陶瓷硬质覆层材料是利用先进涂覆层技术在钢基体上涂覆金属陶瓷硬质覆层而得到的复合材料,可广泛应用于耐磨抗蚀及耐高温等条件。本文在成功制备了钢基体三元硼化物金属陶瓷硬质覆层材料的基础上,从对金属陶瓷硬质覆层材料体系的优化入手,突破传统金属陶瓷硬质覆层材料单一硬质相的材料体系,提出了在钢基体表面上涂覆烧结制备三元硼化物硬质相与碳化物硬质相的多硬质相覆层材料,并将其初步应用于机械零件表面改性,获得了较好的效果。 根据复合材料物理和化学相容性原则,选择Cr_3C_2、WC和TiC作为添加相,并以不同添加方式在钢基体表面制备了W系、C系、F系、CW系、TC系、WTC系六种新型金属陶瓷硬质覆层材料。重点研究了烧结气氛、升温速度、烧结温度与保温时间等工艺参数对金属陶瓷硬质覆层材料性能的影响,确定了金属陶瓷硬质覆层材料的烧结工艺。 研究了金属陶瓷硬质覆层材料的硬度、断裂韧度、抗弯强度等力学性能和耐磨损性能。重点研究了碳化物含量、烧结温度对覆层材料硬度的影响。碳化物硬质相对金属陶瓷硬质覆层材料硬度的提高具有显著的影响,CW系和TC系的维氏硬度随着碳化物含量的增加而增加,尔后又降低,添加10Cr_3C_210WC和10TiC10Cr_3C_2时硬度最大值分别为11.77GPa和12.53GPa。研究了碳化物含量对覆层材料抗弯强度的影响,结果表明无论覆层受压应力或是受拉应力,碳化物均明显的提高覆层陶瓷的抗弯强度。采用干摩擦磨损与冲蚀磨损两种方式研究了金属陶瓷硬质覆层材料的摩擦磨损特性,结果表明,与单硬质相覆层材料相比较,六类金属陶瓷硬质覆层材料的耐磨性均有不同程度地提高。 研究了金属陶瓷硬质覆层材料中的物相组成、硬质相与粘结相的分布状态、碳化物与三元硼化物的界面特征以及覆层与基体的界面结合特征;研究了烧结温度对钢基体金属陶瓷硬质覆层材料显微组织结构的影响,结果表明随着烧结温度的提高,晶粒逐渐长大,覆层材料组织更加致密,然后晶粒粗化,硬质相和粘结相分布不均匀。提出了对金属陶瓷硬质覆层材料扩散界面区域范围的划分,并通过线扫描图像分析了界面过渡区的形成机理,“扩散-溶解-扩散”过程的持续进行使得高温下覆层-钢基体之间的液相界面层的厚度不断增加,形成一定厚度的液态界面结合过渡层,当覆层材料从高温冷却后,液态界面结合过渡层就固化成为覆层-钢基体之间的界面过渡层。 基于覆层零件的可制备性和可加工性确定了金属陶瓷硬质覆层材料的匹配目标,对覆层零件的体积、形状和表面粗糙度进行了限制,要求零件尺寸大小限定在400mm×400mm×600mm之内,形状比较简单,表面精度要求不高,主要承受磨损载荷,工作温度在1000℃以下。 建立了金属陶瓷硬质覆层零件烧结温度的经验模型。研究表明,不同体系的金属陶瓷硬质覆层材料制备成零件时,烧结温度与材料体系和零件体积有关。 研究了以轧辊为实例的摩擦工作条件、以抛丸机叶片为实例的冲蚀工作条件、以去毛刺机锤刀为实例的多冲碰撞载荷工作条件下,金属陶瓷硬质覆层零件的制备、使用及其失效形式和机理。研究发现金属陶瓷硬质覆层零件的失效形式一般有覆层点蚀、覆层刮伤、覆层龟裂、覆层片状剥落等;摩擦工作条件下其失效机理主要是磨粒磨损和疲劳磨损,伴随着粘着磨损;冲蚀工作条件下以冲蚀失效为主;多冲碰撞载荷下其失效机理为多冲碰撞载荷失效。确定了不同工作条件下覆层材料的选择原则。 基于金属陶瓷硬质覆层零件的不同工况其失效形式和机理的不同,分别得出了摩擦条件和冲蚀条件下覆层零件的寿命模型及失效判断准则。根据覆层零件的工作状态的模糊性和覆层零件失效的多样性的特点,建立了金属陶瓷硬质覆层零件串联失效系统使用可靠性的模糊可靠度、模糊平均寿命模型,建立并分析了不同工作条件下的金属陶瓷硬质覆层零件的故障树序列。研究发现,冲蚀条件下的金属陶瓷硬质覆层零件的冲蚀磨损寿命服从对数正态分布,选用戒下型隶属函数升半Γ—分布计算其模糊可靠度,用最大似然估计法对参数进行了估计,确定了覆层零件工作的模糊可靠度。