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1、太原理工大学 硕士学位论文 碳钢表面激光熔覆铁基BC陶瓷材料的组织与性能研究 姓名：曹国光 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王保东;王文先 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 碳钢表面激光熔覆铁基 B4C 陶瓷材料的组织与性能研究 摘 要 利用激光熔覆技术在廉价的低碳钢表面制备陶瓷复合涂层，可以获得 高硬度、耐磨、耐蚀的复合材料。 本文采用5kW横流CO2气体激光在碳钢表面制备了铁基B4C陶瓷复合 涂层，选择了不同的扫描速度，不同的扫描功率以及不同比例的熔覆材料 分别进行了试验。并采用光学显微镜、SEM 及 XRD 分析了熔覆层的组织 形貌及结构，利用显微硬
2、度仪、磨损测试机、电化学腐蚀系统及声发射划 痕试验仪测试了熔覆层显微硬度，耐磨损、耐腐蚀性能及熔覆层的结合强 度。 激光熔覆铁基 B4C 陶瓷复合涂层的结果分析表明，获得良好熔覆层所 选的最佳工艺参数为 P=2500W，v=300mm/min，B4C 含量为 20%。 激光熔覆铁基 B4C 陶瓷复合涂层的组织分析表明，选取激光功率、扫 描速度以及 B4C 含量这三个影响激光加工的决定因素分别进行了比较，发 现随着激光功率的增加熔宽和熔深都增大，而随着扫描速度的增大，熔深 熔宽出现先增后减的趋势；在不同的 B4C 含量下，熔覆层的熔深随 B4C 含 量的增多出现先增后减的变化，熔宽出现“N”型变
3、化。 熔覆层接近熔合线部分出现枝状晶，熔覆层上层组织由细小的枝晶及 等轴晶组成。 激光熔覆层物相和成分分析表明：熔覆层主要组成相为 -Fe，Fe3C， Fe2B 和 B4C， 只是相的含量有所不同； 熔覆层中出现未熔的 B4C 陶瓷颗粒。 激光熔覆铁基 B4C 陶瓷复合涂层的性能分析表明，受细晶强化、固溶 强化及第二相强化等综合作用，不同工艺参数下熔覆层的硬度、耐磨性及 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 耐腐蚀性都得到提高。 最佳工艺参数下熔覆层的显微硬度(12121371HV0.2)比基材(195HV0.2) 提高了 541603%；平均磨损质量(3.610-3g)为基体(2210-3g
4、)的 16.8%，耐 磨性比基体提高 6 倍；自腐蚀电流密度为 23.81A/cm2，比碳钢基体的自腐 蚀电流密度 50.49A/cm2小。 声发射划痕试验表明，在最大载荷 100N 的作用下，熔覆层与基体结合 良好，没有剥离和崩落现象。 关键词： 碳钢，激光熔覆，B4C 陶瓷材料，组织，耐磨性，耐腐蚀性 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF LASER SURFACE CLADDING OF IRON-BASED ALLOY AND B4C CERAMIC MATERIAL ON CARBON STEEL
5、ABSTRACT Utilize laser cladding prepare ceramic compound in the coating in low-priced low carbon steel surface, can obtain high hardness, wear-resisting, anti-corrosion composite. Iron base B4C ceramic cladding layer on carbon steel is created by a 5kW continuous wave CO2 laser, choose different sca
6、nning pace, different scanning power and different proportion melt, cover material go on the test respectively. Adopt optical microscope, SEM and XRD to analyze that melts and covers organization shape looks and structure of cladding layer, Utilize micro-hardness appearance, wear and tear test machi
7、ne, electrochemistry corrode system and launch scratch test appearance test that melt and cover one layer of micro- hardness, hard-wearing, corrosion-resistant performance and melting the combination intensity of cladding layer. The results of laser cladding iron base B4C ceramic show that：get the b
8、est layer want to selected parameter P=2500W, v=300mm/min, B4C content is 20%. Laser cladding cover iron base B4C ceramic compound organization of the layer analysis indicate, choose laser power, scan pace and B4C content three influence decisive factor that laser processed these compare separately,
9、 Find the increase with the laser power melts widely and melts dark and all increases, and with scanning the increase of the pace, melt and melt the wide trend that reduces after increasing deeply; Under different B4C content, layer cover to melt dark to 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV appear change that make a
10、reduction of after increasing with B4C increase of content layer, melt widely and present “N” type change. It melt cover close to alloy layer there arent line the parts, melt cover layers of upper strata organize until tiny branch is the brilliant and equiaxed grain brilliant to make up. The laser c
11、ladding layer of phase and composition to analysis indicate: Cladding layer make up phase -Fe, Fe3C, Fe2B and B4C, just the content of the looks is different to some extent mainly; The B4C ceramic particle not melted in cladding layer. Laser melt, cover iron pottery, B4C of base, compound performanc
12、e of coating analysis indicate detailed to strengthen, not firm to dissolve strengthen and second phase enzyme person who strengthen comprehensive function while being brilliant, melt the hardness, wearability of covering layer and is able to bear corrosivity being all improved under different craft
13、 parameters. Have melted the micro-hardness (12121371HV0.2) of cladding layer and raised by 541603% than the substate (195HV0.2) under the best craft parameter; The quality of average wearing (3.610-3g) and tearing is 16.8% of the substrate (2210-3g), the wearability is improved by sixth times than
14、the matrices; It is 23.81A/cm2 to corrode the density of the electric current by oneself, than corroding the density of the electric current 50.49A/cm2 small by oneself of steel matrices of lower carbon. Launch scratch test indicate under most big load function of 100N, cladding layer combine substr
15、ate well, there are no stripping and avalanche phenomenon. KEY WORDS: Carbon steel, Laser cladding, B4C ceramic, Microstructure, Wear resistance, Corrosion resistance 太原理工大学硕士研究生学位论文 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中已明
16、确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中已明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本文完全了解太原理工大学有关保管、 使用学位论文的规定， 其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交论文的原件与复 印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目 的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容 本文完全了解太原理工大学有关保管、 使用学位论文的规定， 其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交论文的原件与复 印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目 的，复制赠送和交换
