高强铜合金表面涂层制备及其摩擦磨损性能研究
当前，随着我国钢铁行业的迅猛发展，水平连铸是钢铁企业钢坯生产的先进方法之一，水平连铸设备中结晶器用的铜合金内套是其中最重要的部件。由于结晶器铜套的服役条件非常恶劣，会造成结晶器内表面时常发生磨损、剥落、划痕及热裂纹等现象，继而失效。为了增长结晶器铜套的服役时间，更好地节省资源，就必须要对结晶器铜套进行表面处理，其内表面要满足在高温工作环境中保持高硬度、高耐磨性、以及良好的导热性。本文首先采用等离子喷涂技术，将镍铜粉喷涂在铜合金基体表面制备合金涂层。通过X射线衍射仪，能谱仪，扫描电镜，超景深显微镜分别对等离子喷涂层的微观形貌及其组成进行分析；通过观察在不同温度及不同载荷下各涂层的摩擦系数和表面形貌，来研究镍铜涂层受温度和外应力影响的规律和摩擦性能；通过使用共聚焦显微镜、扫描电镜、能谱仪等设备对涂层摩擦磨损后磨斑的三维形貌进行研究和分析。研究结果表明，等离子喷涂层为层状结构，孔隙少，涂层组成为镍、铜及其化合物；摩擦磨损试验后发现，在相同载荷不同温度下，随着温度的升高，摩擦系数升高，涂层的耐磨性下降；在相同温度不同载荷下摩擦系数的变化较小，随着载荷的增大涂层耐磨性下降；通过SEM,EDS分析可知涂层在高温下磨损失效形式主要以粘着磨损和氧化磨损为主。关键字：结晶器铜材；等离子喷涂；镍铜涂层；摩擦磨损 目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2结晶器简介 1
1.3高强铜合金表面改性技术 3
1.3.1电镀 3
1.3.2热喷涂 4
1.3.3热喷涂技术的应用 5
1.4等离子喷涂 5
1.4.1影响等离子涂层质量的主要工艺参数 7
1.5摩擦磨损基本理论 8
1.5.1早期的摩擦理论 9
1.5.2磨损的主要分类及主要影响因素 9
1.6 试验的研究内容 10
第二章 试验内容及方法 11
2.1试验材料 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2 镍铜粉末材料的制备 11
2.1.3 试样的对偶材料 12
2.2试验设备 12
2.1.1化学镀设备 12
2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2磨损的主要分类及主要影响因素 9
1.6 试验的研究内容 10
第二章 试验内容及方法 11
2.1试验材料 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2 镍铜粉末材料的制备 11
2.1.3 试样的对偶材料 12
2.2试验设备 12
2.1.1化学镀设备 12
2.2.2等离子喷涂设备 13
2.2.3高温摩擦磨损仪 13
2.2.4其他主要设备 14
2.3试验内容 15
2.3.1基体材料的机加工 15
2.3.2等离子喷涂层的制备 15
2.3.2 摩擦磨损试验 15
2.3.4 共聚焦显微镜观察、扫描电镜分析及能谱分析 16
第三章 试验结果与分析 17
3.1化学镀制备镍铜粉末及其性能测试 17
3.1.1复合粉的微观形貌分析 17
3.1.2镍铜复合粉末成分 17
3.2等离子喷涂层的微观形貌及其组成分析 19
3.2.1喷涂层的微观形貌分析 19
3.2.2喷涂层的组成分析 19
3.3涂层摩擦磨损性能的研究 20
3.3.1 摩擦磨损失重和数据分析 20
3.3.2在不同温度下摩擦磨损性能的分析 20
3.3.3在不同载荷下摩擦磨损性能的分析 25
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
钢铁工业是我国国民经济中的支柱产业, 而连铸生产以其可以扩大生产品种、合理分配生产流程以及提高钢的质量，因此连铸技术的水平已经成为衡量钢铁工业现代化程度的重要标准[1]。有资料显示，2007年全国钢产量的连铸比已经达到了96.95%，连铸钢的产量也将达到5亿吨[2]，各钢铁生产厂家基本实现了全连铸状态。连续铸钢技术已成为现代钢铁生产的重要工艺之一。尤其是2003年其后的五年间，中国钢铁产量大幅提增，每年新增总量超出5000万吨，其中有效生铁产量增加了5.6亿吨，有效粗钢产量增加了6.09亿吨。结晶器铜套是水平连铸设备中最为关键的易损耗部件，铸坯的表面质量、连铸生产率、连铸机拉速等指标将受到结晶器铜套的技术性能的直接影响。所以说结晶器的制造是连铸生产中的重要环节，结晶器的质量直接影响到钢的质量[3]。
在工作过程中，由于结晶器铜板长时间受高温铁水的冲刷，结晶器外表面却通过30～40℃的冷却水，内外温度梯度较大，因此结晶器的内部存在很大的热应力。只要结晶器部分表面遭受到破坏，比如产生热裂纹、划伤、剥落、腐蚀和磨损等，整个结晶器将不能继续使用。而结晶器的价格十分昂贵，一套结晶器的价格在7～12万之间，同时我国铜矿资源储藏相对匮乏,国内资源供给率不足25%[4]，这就势必提高了钢铁连铸生产的成本，这也是所有钢铁企业尽量避免的。近年来价格又有不断上涨的趋势，为了能够让结晶器能够经久耐用，增加结晶器的服役时间，降低炼钢的成本，结晶器必须经过表面强化和保护。大量研究人员在改良铜套的表面性能方面做了大量的探索，研究出了很多在结晶器铜套的生产过程中可以改良结晶器表面性能的方法，其中主要有热喷涂、化学镀、复合镀以及电镀等。这些改性技术在改善铜合金的表面性能、延长结晶器使用时间、提高连铸钢坯质量并且缩减费用开支等方面发挥了很大的作用。
1.2结晶器简介
水平连铸机中有很多重要的设备，其中最关键的部分就是结晶器，被称为连铸设备的“心脏”，其重要性可见一斑[5]。随着钢铁冶金企业大规模推广、普及应用连铸技术，其核心的结晶器成本已占据了企业的重点成本支出。在目前条件下，结晶器的使用在钢铁厂的合格铸坯生产中发挥了相当作用，为了能获得合格的铸坯，性能优良的结晶器应具备的基本特性如下：
(1)具有较好的导热性能，能促使钢水快速冷却，凝固成预定形态；
(2)具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和较长的使用寿命；
(3)具有一定刚度，在较大温度落差条件下变形小；
(4)构造简单，拆装简易，冷却水路能自行接通；
(5)自重相对较轻，振动惯性力较小；
（一）结晶器作用：
（1）有效促进钢液冷固成形，按生产要求完成形状坯壳；
（2）成形坯壳脱离时不至发生断裂；
（3）钢坯生产过程中不产生脱方、裂纹等；
（4）保证按既定设计生成坯壳；
（二）结晶器分类：
按照铜套内壁形状，可将结晶器分为弧形结晶器和直形结晶器[6] ：
(1)直型结晶器：结晶器的内表面与初钢坯的挪动轨迹呈现出垂直结构的结晶器称为直型结晶器。
优点：因为其内壁坯壳为垂直移动，导热性较好，使得坯壳可以均匀冷却[7]；通过提升拉坯速度，可以明显提升坯壳的质量；结构简单，便于生产、安装和调试；夹杂物分布比较均匀。
缺点：铸坯会产生弯曲裂纹，影响工作效率。
(2)弧形结晶器：结晶器的内表面呈圆弧形，所以叫做弧形结晶器。
优点：结晶器内壁作圆弧形运动，不容易产生弯曲裂纹；
缺点：因为夹杂物偏向坯壳内弧侧，所以传热性能较差。弧形结晶器主要应用在椭圆形和全弧形连铸机上[8]。
（三）结晶器材料
结晶器材料，主要是指结晶器的铜套材料
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2结晶器简介 1
1.3高强铜合金表面改性技术 3
1.3.1电镀 3
1.3.2热喷涂 4
1.3.3热喷涂技术的应用 5
1.4等离子喷涂 5
1.4.1影响等离子涂层质量的主要工艺参数 7
1.5摩擦磨损基本理论 8
1.5.1早期的摩擦理论 9
1.5.2磨损的主要分类及主要影响因素 9
1.6 试验的研究内容 10
第二章 试验内容及方法 11
2.1试验材料 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2 镍铜粉末材料的制备 11
2.1.3 试样的对偶材料 12
2.2试验设备 12
2.1.1化学镀设备 12
2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2磨损的主要分类及主要影响因素 9
1.6 试验的研究内容 10
第二章 试验内容及方法 11
2.1试验材料 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2 镍铜粉末材料的制备 11
2.1.3 试样的对偶材料 12
2.2试验设备 12
2.1.1化学镀设备 12
2.2.2等离子喷涂设备 13
2.2.3高温摩擦磨损仪 13
2.2.4其他主要设备 14
2.3试验内容 15
2.3.1基体材料的机加工 15
2.3.2等离子喷涂层的制备 15
2.3.2 摩擦磨损试验 15
2.3.4 共聚焦显微镜观察、扫描电镜分析及能谱分析 16
第三章 试验结果与分析 17
3.1化学镀制备镍铜粉末及其性能测试 17
3.1.1复合粉的微观形貌分析 17
3.1.2镍铜复合粉末成分 17
3.2等离子喷涂层的微观形貌及其组成分析 19
3.2.1喷涂层的微观形貌分析 19
3.2.2喷涂层的组成分析 19
3.3涂层摩擦磨损性能的研究 20
3.3.1 摩擦磨损失重和数据分析 20
3.3.2在不同温度下摩擦磨损性能的分析 20
3.3.3在不同载荷下摩擦磨损性能的分析 25
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
钢铁工业是我国国民经济中的支柱产业, 而连铸生产以其可以扩大生产品种、合理分配生产流程以及提高钢的质量，因此连铸技术的水平已经成为衡量钢铁工业现代化程度的重要标准[1]。有资料显示，2007年全国钢产量的连铸比已经达到了96.95%，连铸钢的产量也将达到5亿吨[2]，各钢铁生产厂家基本实现了全连铸状态。连续铸钢技术已成为现代钢铁生产的重要工艺之一。尤其是2003年其后的五年间，中国钢铁产量大幅提增，每年新增总量超出5000万吨，其中有效生铁产量增加了5.6亿吨，有效粗钢产量增加了6.09亿吨。结晶器铜套是水平连铸设备中最为关键的易损耗部件，铸坯的表面质量、连铸生产率、连铸机拉速等指标将受到结晶器铜套的技术性能的直接影响。所以说结晶器的制造是连铸生产中的重要环节，结晶器的质量直接影响到钢的质量[3]。
在工作过程中，由于结晶器铜板长时间受高温铁水的冲刷，结晶器外表面却通过30～40℃的冷却水，内外温度梯度较大，因此结晶器的内部存在很大的热应力。只要结晶器部分表面遭受到破坏，比如产生热裂纹、划伤、剥落、腐蚀和磨损等，整个结晶器将不能继续使用。而结晶器的价格十分昂贵，一套结晶器的价格在7～12万之间，同时我国铜矿资源储藏相对匮乏,国内资源供给率不足25%[4]，这就势必提高了钢铁连铸生产的成本，这也是所有钢铁企业尽量避免的。近年来价格又有不断上涨的趋势，为了能够让结晶器能够经久耐用，增加结晶器的服役时间，降低炼钢的成本，结晶器必须经过表面强化和保护。大量研究人员在改良铜套的表面性能方面做了大量的探索，研究出了很多在结晶器铜套的生产过程中可以改良结晶器表面性能的方法，其中主要有热喷涂、化学镀、复合镀以及电镀等。这些改性技术在改善铜合金的表面性能、延长结晶器使用时间、提高连铸钢坯质量并且缩减费用开支等方面发挥了很大的作用。
1.2结晶器简介
水平连铸机中有很多重要的设备，其中最关键的部分就是结晶器，被称为连铸设备的“心脏”，其重要性可见一斑[5]。随着钢铁冶金企业大规模推广、普及应用连铸技术，其核心的结晶器成本已占据了企业的重点成本支出。在目前条件下，结晶器的使用在钢铁厂的合格铸坯生产中发挥了相当作用，为了能获得合格的铸坯，性能优良的结晶器应具备的基本特性如下：
(1)具有较好的导热性能，能促使钢水快速冷却，凝固成预定形态；
(2)具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和较长的使用寿命；
(3)具有一定刚度，在较大温度落差条件下变形小；
(4)构造简单，拆装简易，冷却水路能自行接通；
(5)自重相对较轻，振动惯性力较小；
（一）结晶器作用：
（1）有效促进钢液冷固成形，按生产要求完成形状坯壳；
（2）成形坯壳脱离时不至发生断裂；
（3）钢坯生产过程中不产生脱方、裂纹等；
（4）保证按既定设计生成坯壳；
（二）结晶器分类：
按照铜套内壁形状，可将结晶器分为弧形结晶器和直形结晶器[6] ：
(1)直型结晶器：结晶器的内表面与初钢坯的挪动轨迹呈现出垂直结构的结晶器称为直型结晶器。
优点：因为其内壁坯壳为垂直移动，导热性较好，使得坯壳可以均匀冷却[7]；通过提升拉坯速度，可以明显提升坯壳的质量；结构简单，便于生产、安装和调试；夹杂物分布比较均匀。
缺点：铸坯会产生弯曲裂纹，影响工作效率。
(2)弧形结晶器：结晶器的内表面呈圆弧形，所以叫做弧形结晶器。
优点：结晶器内壁作圆弧形运动，不容易产生弯曲裂纹；
缺点：因为夹杂物偏向坯壳内弧侧，所以传热性能较差。弧形结晶器主要应用在椭圆形和全弧形连铸机上[8]。
（三）结晶器材料
结晶器材料，主要是指结晶器的铜套材料
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/365.html
