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真空熔覆Ni基合金—碳化钨和Co基合金—碳化钨复合涂层的制备及性能研究

黄新波  
【摘要】:本文总结了当前表面工程技术的发展现状和真空熔覆的现有研究成果;比较了真空熔覆与真空烧结的异同点;分析了真空熔覆技术的优缺点以及影响涂层性能几个重要因素;并采用该技术在45钢基体上制备了Co基合金—碳化钨和Ni基合金—碳化钨复合涂层,对其进行系统的理论与试验研究。 基于液相烧结理论和有关真空熔覆的研究成果,研究了真空熔覆过程和机理,首次将真空熔覆过程大致总结为四个阶段:液相生成与颗粒重排阶段,固相溶解和析出阶段,固相骨架形成阶段,液相合金与固相基体之间的互扩散阶段。并指出真空熔覆机理就是研究熔覆过程中各种可能的物质迁移方式及速率,主要是各类扩散机制。 采用分子动力学这一“计算机试验”手段来研究真空熔覆过程和界面处的原子扩散,首次建立了三维分子动力学计算模型,模拟了熔覆过程(升温2.5h—在1160℃保温5min—降温3.5h)中合金与Fe基体之间的原子扩散过程与趋势,模拟了不同原子在真空熔覆过程中的运动轨迹,从微观角度上分析了真空熔覆过程和涂层与基体的结合机理,并给出了原子扩散距离的计算公式。真空熔覆WC/Ni和WC/Co的SEM照片和电子探针的波谱分析结果表明在界面处发生了原子扩散,这说明了分子动力学的模拟结果是正确的。 基于真空熔覆过程相当于“高温退火”处理的事实,首次研究了热处理对真空熔覆涂层的性能影响,按照45钢热处理工艺对涂层进行“正火”和“调质”热处理。借助扫描电子显微镜和X射线能谱仪,观察和测量涂层在不同热处理后的显微结构和化学成分,分析热处理对涂层显微结构的影响;结合涂层的X射线衍射图谱分析涂层的相结构。研究了热处理对合金涂层材料(涂层和基体)洛氏硬度和显微硬度的影响;分析了涂层硬度与真空熔覆温度的关系,并确定了Co基合金和Ni基合金涂层的最佳熔覆温度。 提出了电子探针与最小二乘法相结合的研究方法,求出钴基合金涂层在真空熔覆高温期间的扩散系数(Ni、Co、Fe等合金元素的扩散系数均大于10~(-6)mm~2/s);分析了原子扩散对真空熔覆涂层的显微组织、显微硬度以及界面结合强度的影响;证实了涂层与钢基体在界面处发生原子扩散形成牢固的冶金结合(370~400MPa)。 研究了Ni基合金和Co基合金涂层的耐磨性与自熔性合金,碳化钨含量,施加载荷,热处理,真空熔覆温度之间的关系。发现合金涂层的磨损率与涂层硬度成反比,但与施加载荷不成正比关系,Holm的粘着磨损理论无法阐明施加载荷与磨损率的这种关系。本文对粘着磨损理论进行修正,提出经验磨损公式,较完善


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