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1、电弧喷涂与工程结构的磨损电弧喷涂与工程结构的磨损主讲：余圣甫华中科技大学材料科学与工程学院第一部分 工程结构的磨损与喷涂一、磨损的科学问题工程结构的磨损作为工程研究主要解决产品使用过程中的磨损机理以及如何采用合理的工艺方法防治或减轻磨损。由此提出的科学问题：1、根据产品的使用环境确定磨损的限度和产生的后果2、优化耐磨材料和制造工艺技术3、确定影响因素，预测结构的使用寿命4、预保养和维修二、磨损的分类根据工程结构使用环境的不同可分为以下六类：（1）磨粒磨损（Abrasive Wear）由于硬的颗粒或凸起物使工程结构表面迁移造成的磨损。（2）粘着磨损（Adhesive Wear） 接触表面作相对运
2、动，由于固态焊合使材料从一个表面转移到另一个表面造成的磨损。（3）疲劳磨损（Fatigue Wear）由于循环交变应力引起疲劳，使材料脱落的一种磨损。（4）腐蚀磨损（Corrosion Wear）与周围介质发生化学反应造成材料失重。（5）冲蚀磨蚀（Erosive Wear）含有固体粒状的流体冲刷固体表面，是固体材料表面流失的磨损过程。（6）气蚀磨损（Cavitation Wear）流动液体流过固体表面引起空泡，空泡破灭时，液滴冲击固体材料造成流失。三、磨粒磨损的三种形式1、低应力磨粒磨损磨粒以小的投射角，较自由地在工件表面上滑动。这类磨损的宏观现象是工件表面很光滑。2、高应力磨粒磨损磨粒在压力
3、作用下，使构件发生磨损。这类磨损的宏观现象是工件表面有沟槽。3、凿削磨损较大的磨粒，以较大的投射角，较大的能量投向工件。这类磨损的宏观现象是工件表面很深的沟槽。四、磨粒磨损的过程磨粒磨损包含两个阶段：一是磨粒在基体上刻出沟槽；二是沟槽边缘的金属产生塑性变形，逐渐导致表面金属破碎与剥落。五、影响磨粒磨损的因素磨粒磨损在很大程度上受磨粒的性质及其作用方式的影响。主要有：（1）磨粒的大小（2）磨粒的形状（3）磨粒的硬度（4）磨粒作用时的压力和冲击（5）磨粒的浓度（6）磨粒作用时的投射角（7）磨粒与工件表面的相对速度（8）作用时间的长短经验证明：在有应力作用下，如果磨粒的硬度低于工件，则磨粒发生磨损。
4、磨粒的硬度与工件相当，则工件发生磨损。磨粒硬度高于工件，则工件发生强烈磨损。热喷涂技术的发展背景热喷涂技术的发展背景腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。只有提高零件的防腐和耐磨性能，才能避免巨大的经济损失。高科技的应用和工业生产技术水平提高，高效、高质的运行模式已成为人们追求的目标，对机械零部件的综合性能要求越来越高。热喷涂技术是表面工程领域内表面改性最有效的技术之一。热喷涂技术定义及原理热喷涂技术定义及原理热热喷喷涂涂技技术术是是利利用用热热源源将将喷喷涂涂材材料料加加热热至至溶溶化化或或半半溶溶化化状状态态，并并以以一一定定的的速速度度喷喷射射沉沉积积到到经经过过预预处处理理的的基
5、基体体表表面面形形成成涂涂层层的的方方法法，赋赋予予基基体表面特殊功能的目的。体表面特殊功能的目的。 热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用热热喷喷涂涂技技术术应应用用十十分分广广泛泛，可可制制备备减减摩摩耐耐磨磨、耐耐腐腐蚀蚀、抗抗高高温温氧氧化化、热热障障功功能能、催催化化功功能能、电电磁磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。涂涂层层材材料料几几乎乎涉涉及及所所有有固固态态工工程程材材料料，包包括括金金属属、金金属属合合金金、陶陶瓷瓷、金金属属陶陶瓷瓷、塑塑料料、金金属属塑塑料料及及它们的复合材料和其他非金属无机材料。它们的复合材料和其他非金属无机
6、材料。热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、石广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、生油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、生物工程国民等经济各个领域。物工程国民等经济各个领域。 热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、生物工程国民等经济各个领域。械、生物工程国民等经济各个领域。热喷涂技术工艺方法热喷涂技术工艺方法第二部分 磨损的防护技术一、耐磨粒磨损材料的特性1）耐磨损材料的耐磨
7、性能主要取决于金相组织。2）金相组织主要决定于化学成分与热过程。3）利用第二相硬质点，改善材料的耐磨性。如WC，Cr7C3等。由此要求，良好韧性的基体，均匀分布高硬度的第二相质点。二、硬相质点1）硬相质点的类型最好的为WC，次之为Cr的碳化物，如Cr7C3，Cr23C7，其他为Nb、Ti、V的碳化物。2）硬相质点的尺寸大小质点尺寸较大，耐磨性较高。3）硬相质点的数量硬相质点的数量越多，耐磨性越高。4）硬相质点的间距硬相质点的间距越小，越耐磨5）硬相质点的形状以球状最为耐磨6）硬相质点的排列方向三、耐磨材料根据喷涂材料的形状可分为线材、棒材、粉末、陶瓷、高分子材料。在众多材料中，以线材料制造方便
8、，价格低廉，适用性广泛。1、铜及其铜合金铜及其铜合金，有一定耐磨耐蚀性，主要用于装饰。2、钼及其合金钼的摩擦系数低，耐磨性好。但价格昂贵。3、镍及其合金主要是指Ni-Cr-B-Si系合金，有良好的耐蚀性和耐磨性，第二相质点为Ni3B，CrB和碳化物Cr7C3。4、马氏体不锈钢主要以0Cr13、 1Cr13、 2Cr13、3Cr13、 4Cr13、 7Cr13有良好的耐磨性和耐蚀性。5、奥氏体不锈钢以18-8奥氏体不锈钢为代表，有优异的耐蚀性和一定的耐磨性。6、碳钢和合金钢是工程中应用最为广泛的喷涂材料，根据不同的工况条件进行合金化。7、新型药芯焊丝材料四、电弧喷涂的工艺技术热喷涂技术原理热喷涂
9、技术原理：热喷涂技术工艺方法很多，各有特点。无论何种工艺方法，喷涂过程中形成涂层的原理和涂层结构基本一致。热喷涂形成涂层的过程一般经历四个阶段：喷涂材料加热熔化阶段、雾化阶段、飞行阶段、碰撞沉积阶段。 (1)加热熔化阶段 喷涂材料为线材时，喷涂过程中，线材的端部连续不断地进入热源高温区被加热熔化，形成熔滴；当喷涂材料为粉末时，粉末材料直接进入热源高温区，在行进过程中被加热至熔化或半熔化状态 (2)雾化阶段 线材在喷涂过程中被加热熔化形成熔滴，在外加压缩气流或热源自身气流动力的作用下，将线材端部熔滴雾化成微细微粒并加速粒子的飞行速度；当喷涂材料为粉末时，粉末材料被加热到足够高温度，超过材料的熔点
10、形成液滴时，在高速气流的作用下，雾化破碎成更细微粒并加速飞行速度(3)飞行阶段 加热熔化或半熔化状态的粒子在外加压缩气流或热源自身气流动力的作用下被加速飞行。粒子飞行过程中喷涂粒子首先被加速，随着飞行距离的增加而减速。图为等离子喷涂工艺过程中喷涂粒子沿喷嘴轴向飞行速度分布示意图。(4)碰撞沉积阶段 具有一定温度和速度的喷涂粒子在接触基体材料的瞬 间，以一定的动能冲击基体材料表面，产生强烈的碰撞。 在碰撞基体材料的瞬间，喷涂粒子的动能转化为热能并传递给基体材料，在凹凸不平的基材表面上产生形变。由于热传递的作用，变形粒子迅速冷凝并伴随着体积收缩，其中大部分粒子呈扁平状牢固地粘结在基体材料表面上，而
11、另一小部分碰撞后经基体反弹而离开基体表面。随着喷涂粒子束不断地冲击碰撞基体表面。碰撞变形冷凝收缩填充连续进行。变形粒子在基体材料表面上，以颗粒与颗粒之间相互交错叠加地粘结在一起，而最终沉积形成涂层。涂层结构涂层结构涂层结构与被喷涂材料的组织结构有明显的差异。这是由于工艺方法的不同而引起的。从热喷涂涂层形成的原理可知，涂层结构是由无数变形扁平的粒子相互交错呈波浪式堆积而成的层状结构。 涂层的结合包含涂层与基体表面的结合（就是通常所说的涂层结合强度）和形成涂层颗粒与颗粒之间的内聚力（即涂层自身结合强度）。一般来说，涂层自身结合强度高于涂层与基体的结合强度，但属于物理一化学结合。这种物理-化学结合包
12、含以下几种方式： (1)机械结合 喷涂粒子撞击基体表面产生变形、镶嵌、填补、咬合在基体材料表面上，与基体材料形成机械式结合作用。大部分涂层结合以这种结合方式存在。 (2)物理结合 颗粒对基材表面的结合是由范德华力或共价键组成的结合。 (3)冶金-化学结合 冶金-化学结合比机械结合和物理结合的结合强度要大得多。由三部分组成：范德华力（在洁净的基体表面上，涂层粒子与基材表面 的接触处粒子之间，其原子间距达到原子、分子距离时所形成分子间的引力）、化学键力（涂层原子与基材原子或者涂层粒子之间的原子距离达到原子晶格常数 的数值时，所形成的化学键的结合力）微扩散力（涂层粒子中的元素和基体材料中的元素在一定
13、的条件下相互扩散作用）是涂层材料和基体材料表面出现扩散 和合金化的一种结合类型，包括在结合面上形成金属间化合物或固溶体。涂层残余应力由于涂层材料和基体材料之间组织结构的不同和物理性能的差异，涂层中会留下残余应力。涂层残余应力主要有组织应力和热应力。涂层中的残余应力是以拉应力存在。残余拉应力影响涂层的使用性能，限制了涂层厚度。工艺上采取很多措施是为了消除和减少残余应力。喷涂工艺步骤待喷涂（焊）表面的预处理。待喷涂（焊）表面在喷涂（焊）前要进行除锈、油污。一般用三氯乙烯进行清洗，对于多孔加热到300以上，除去油污。二是除去氧化膜，最为有效方法是喷砂待喷表面要到园角，易过热，造成脱落。喷涂层的厚度，
14、对于修复件，不加工喷到尺寸即可，对于加工件应留0.251.0mm的加工余量。对于新制产品，一般只要超过容许磨损量的0.20.4mm，再留加工余量。喷涂过程：预热-粗糙表面-喷涂过渡层-喷涂工作层-缓冷一般钢材预热80120。一般用粒度为1520目的刚玉进行喷砂，直至没有氧化膜。过渡层一般为镍包铝，反应放出大量热。喷涂工作层，一般用Cr13马氏体不锈钢。缓冷，防止脱落和产生裂纹。五、喷涂层的性能评价1、磨粒磨损试验、磨粒磨损试验 (1)磨损试样典型方块试样，尺寸为50mm75mm10mm，在其表面制备涂层后，用平面磨床将涂层磨平，磨削方向应平行于试样的长度方向，涂层应留有足够的厚度，表面应无任何
15、附者物或缺陷。橡胶轮材料为氯丁橡胶；磨粒为50 - 70目天然石英砂；轮缘线速度为140m/min；摩擦行程为1000转或550-660m；载荷为130N。(3)耐磨性评价；根据涂层的失重量情况评价。2、结合强度检测、结合强度检测 涂层结合强度包括涂层颗粒之间的内聚强度（涂层自身结合强度）和涂层与基体材料之间的结合强度（附着力），一般来说涂层自身结合强度大于涂层与基体的结合强度。通常情况下只检测涂层与基体之间的结合强度，简称为结合强度。结合强度是指涂层与基体之间单位面积涂层从基体材料结合面上剥落下来所需要的力。 （1）弯曲试验）弯曲试验在弯曲试验机上，将具有一定长度和一定涂层厚度的圆柱型试样，
16、在试样正中间施加一定的力P，使试样产生相应的挠度（一般定为试样长度的0.1%），并以一定的频率交变施压，直至涂层产生裂纹的次数来评价涂层结强度的性能。 （2）涂层抗拉强度试验）涂层抗拉强度试验涂层抗拉强度是指涂层单位面积承受法向方向拉伸应力的极限能力，反应涂层颗粒之间内聚力或涂层与基体之间的结合强度。将试样安装在拉伸试验机上，在规定的拉伸条件下，均匀、连续地施加载荷，直至试样产生断裂，记录断裂时的最大载荷，并计算涂层抗拉强度。其具体要求如下：1)试验机。能够满足静态加载条件，用于拉伸试验的任何类型试验机。试验机的量程为50 -100kN，精度1%。按图制备试样，试样端面制备涂层，保证涂层厚度0
17、.4mm。在两试样的涂层面涂上一层很薄的粘合剂，令两试样轴线重合，加力使之对接充分粘合，粘合剂中不得有气泡 。3、硬度的检测、硬度的检测主要有洛氏、布氏、肖氏，已标准化。4、热膨胀系数、热膨胀系数热喷涂材料的热膨胀系数应尽可能与基体金属相接近，否则就容易引起喷涂 层的龟裂或剥落。因此热喷涂材料的热膨胀系数是热喷涂材料喷涂性能的重要指标之一。 测定热喷涂材料的热膨胀系数，采用以下的方法制备试样。用经过喷砂处理的钢线（直径2.5mm、长100mm）作为载体，在钢线上先刷一层厚度为0.2mm的氯化钠涂层，再将热喷涂材料喷涂在钢线上，直到直径达到5mm、长度 60mm为止。喷涂后用沸水将氯化钠涂层溶去。留下内径为2.9 -3.0mm、直径为 5mm的圆柱体，即作为测量热膨胀系数的试样，用砂纸将试样两端磨光直到长度为50mm。采用热膨胀仪进行热膨胀系数的测定。 作业1、简述焊接电弧的导电机理2、简述先进金属材料的焊接热影响区存在的问题和提高焊接热影响区强韧性的技术方法。3、简述电弧喷涂的原理及其应用。
