發(fā)布時(shí)間：2020-05-09 16:31

【摘要】：工業(yè)純銅因其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的機(jī)械加工性能,在冶金行業(yè)、電氣行業(yè)、軍工行業(yè)、海洋設(shè)備等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,但其表面硬度低、耐磨性差,限制了銅質(zhì)工件的應(yīng)用領(lǐng)域,常因局部破損縮短其使用壽命,造成銅資源的浪費(fèi)。相比鋼鐵、鈦合金等材料,純銅導(dǎo)熱系數(shù)大、對(duì)激光的反射率極高,這使得純銅表面制備高質(zhì)量的合金化層存在多方面的困難和問題�，F(xiàn)階段,科研工作者正從高能激光器的改進(jìn)、合金化材料體系的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化等多方面進(jìn)行研究。本論文中,采用激光合金化技術(shù),在工業(yè)純銅表面制備Ni60A、Ni60A-x wt.%Ti(x=10,20,30)合金化層,分析比較激光功率、掃描速度對(duì)合金化層組織、硬度及耐磨性、耐蝕性的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜分析儀(EDS)對(duì)合金化層的微觀組織、物相組成、成分組成進(jìn)行測試,使用顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及電化學(xué)工作站對(duì)合金化層和純銅基體的顯微硬度、磨損失重、腐蝕電流密度進(jìn)行測定,表征其耐磨性能和耐蝕性能。研究表明,Ni60A合金化層主要包含γ-Ni、Cr23C6、Cr2Ni3、B2Fe3Ni3、Cu0.81Ni0.19等多種物相,其典型組織為合金化層基體上分布著較多的不規(guī)則塊狀組織,其間析出樹枝晶、顆粒狀組織,并隨著激光功率和掃描速度的增大致密度提高,組織枝晶化趨勢明顯。激光功率P=5.OkW、掃描速度v=600mm/min時(shí),Ni60A合金化層組織致密均勻,最高硬度平均值高達(dá)1179.2HV02,是純銅基體硬度的19倍左右,且其磨損失重遠(yuǎn)低于純銅基體,發(fā)生粘著磨損;電化學(xué)腐蝕結(jié)果表明,表面均勻發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象,其腐蝕電流密度值低于純銅基體,在一定程度上提高整體的耐蝕性能。但在研究過程中發(fā)現(xiàn),由于純銅基體導(dǎo)熱快、對(duì)激光反射率大等問題,Ni60A合金化層于純銅基體的界面為平直狀態(tài),硬度分布曲線在界面處驟降,在一定程度上說明于基體冶金結(jié)合程度較低,故在Ni60A粉末中加入一定量的純Ti粉末研究其影響。實(shí)驗(yàn)表明Ni60A-xwt.%Ti(x=10,20,30)合金化層與純銅基體之間的界面下凹,純銅基體表層熔化較多,參與到熔池反應(yīng),合金化層與純銅基體實(shí)現(xiàn)更好的冶金結(jié)合。]Ni60A-xTi合金化層包含更多種類的物相,如NiTi、Ni2Ti、Ni3Ti、TiCr2、TiC等化合物,這些化合物的析出和彌散分布,進(jìn)一步提高了合金化層的硬度和耐磨性,且Ni-Ti、Ni-Cr等金屬間化合物具有耐蝕性,能夠提高合金化層的耐蝕性。在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,研究發(fā)現(xiàn),Ni60A-1OTi、Ni60A-20Ti、Ni60A-30Ti試樣在掃描速度v=500mm/min時(shí)合金化層質(zhì)量最好。激光功率較小時(shí),由于合金化材料熔化不充分,形成大面積的某種元素如Ti、Cr等富集區(qū);激光功率過大時(shí),熔池內(nèi)部對(duì)流現(xiàn)象劇烈,組織混亂、無序無向,均勻性變差。最優(yōu)工藝參數(shù)下,Ni60A-1OTi合金化層基體上均勻分布著胞狀晶,上部有層片狀組織形成,下部密集析出顆粒狀組織;Ni60A-20Ti和Ni60A-30Ti組織形貌相近,合金化層基體上形成片狀組織,交錯(cuò)分布著少量針狀組織,其間析出花簇狀組織,觀察發(fā)現(xiàn)該組織由顆粒狀析出物聚集排列而成,組織整體均勻、致密。隨著Ti含量的增多,合金化層的硬度和耐磨性隨之提高,Ni60A-30Ti硬度平均值為1305.1HV0.2,相比純銅基體及提高約21倍;磨損失重量遠(yuǎn)低于純銅基體,摩擦系數(shù)穩(wěn)定在～0.33,劃痕淺且殘留少量微小磨屑,表面發(fā)生輕微磨粒磨損和粘著磨損。綜合分析,知Ni60A-xwt.%合金化層硬化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化,其中析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的效果更為顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,并非所有Ni60A-xwt.%Ti合金化層腐蝕電流密度值都低于純銅基體,由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)造成合金化層組織不均勻,存在氣孔、微裂紋等缺陷,在合金化層內(nèi)部由于電勢差形成微電池,增大腐蝕電流密度,加速腐蝕。組織致密、均勻性好的合金化層在電化學(xué)腐蝕過程中,表面均勻發(fā)生點(diǎn)蝕,殘留含Ni、Ti、Cr等元素含量的較高的針狀或短棒狀組織,說明NiTi、TiCr2等化合物為耐蝕相,針狀或短棒狀組織為耐蝕性組織。如P=5.0kW、v=500mm/min時(shí),Ni60A-20Ti合金化層腐蝕電流密度為0.0395A·cm-2,低于純銅基體,說明其比純銅基體腐蝕速率更低。此外,合金化層的腐蝕電位普遍低于純銅基體,這由合金化層自身的性質(zhì)所決定,能夠在腐蝕條件下作為陽極保護(hù)保護(hù)純銅基體。由于純金屬粉末流動(dòng)差,Ni60A-x wt.%Ti混合粉末熔體的流動(dòng)性會(huì)受影響,對(duì)工藝參數(shù)有更嚴(yán)格的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù),在Ni60A粉末中混入一定量的純Ti粉末時(shí)會(huì)促進(jìn)熔池反應(yīng)的進(jìn)行,純銅基體表層熔化較多,參與到熔池反應(yīng),并生成多種物相,進(jìn)一步提高合金化層硬度、耐磨性和耐蝕性,改善合金化層與純銅基體之間的結(jié)合狀況。
【圖文】：

米Ｚｒ０２添加量對(duì)鍍層質(zhì)量的影響，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下制得了表面平整無凹逡逑陷、組織結(jié)構(gòu)致密、納米粒子分布均勻的電鍍層，其耐磨性是純鎳鍍層的２倍。逡逑如圖１－１為其電鍍層ＳＥＭ形貌。逡逑１１１１逡逑圖１－１納米Ｎｉ－Ｚｒ０２復(fù)合電鍍層的ＳＥＭ形貌圖：（ａ）５００Ｘ；邋（ｂ）２０００Ｘ［１７］逡逑Ｆｉｇ．邋Ｍ邋Ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋Ｎｉ－Ｚｒ0２邋ｎａｎｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｃｏａｔｉｎｇ：（ａ）５００Ｘ；邋（ｂ）２０００Ｘ［１７】逡逑鋁青銅在船舶、海洋設(shè)備上應(yīng)用良多，因受海水沖刷侵蝕易發(fā)生工件失效現(xiàn)逡逑象。張兵［１８］等采用酸性鎳磷合金鍍液，在鎳鋁青銅的表面成功制備Ｎｉ－Ｐ合金鍍逡逑層，提高了耐海水腐蝕性能和硬度，，并明顯改善了力學(xué)性能。李海濤［１９］等在高錳逡逑鋁青銅表面化學(xué)鍍制備Ｎｉ－Ｐ非晶態(tài)鍍層，如圖１－２所示。其自腐蝕電位略低于逡逑銅基體，由圖１－３可知Ｍ－Ｐ鍍層陽極極化率更高，其耐蝕性優(yōu)于銅合金。逡逑２逡逑

通過電鍍和化學(xué)鍍得到的鍍層雖具有表面連續(xù)均勻、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)，但鍍逡逑層與基體之間為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合性能較差，易脫落，鍍層壽命較短。此外，電鍍逡逑和化學(xué)鍍會(huì)產(chǎn)生有毒的廢液，污染環(huán)境�；谏鲜霾蛔�，傳統(tǒng)的電鍍和化學(xué)鍍技逡逑術(shù)還有很多方面需要改進(jìn)和突破。逡逑１．２．２化學(xué)熱處理逡逑化學(xué)熱處理具有工件變形小、抗回火能力強(qiáng)、工藝過程較短、較為節(jié)約氣體逡逑和能量等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)制造中應(yīng)用廣泛。隨著更高性能加熱爐的研發(fā)及工藝控制逡逑過程智能化的發(fā)展，在傳統(tǒng)較為單一的滲碳、滲氮技術(shù)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了等離子逡逑滲碳、等離子滲氮、加壓滲氮等新型化學(xué)熱處理技術(shù)，從最初的二元碳氮共滲發(fā)逡逑展到多元共滲，如ＡＩ－Ｍｎ－Ｃｒ－Ｆｅ－ＲＥ多元共滲［２（）］，以適應(yīng)更多工業(yè)生產(chǎn)要求ｔ７１。逡逑此外，化學(xué)熱處理在近些年所用的滲入原料也更加多樣化，如滲Ａ１、滲ＡＩ２０３［２ｉ］、逡逑［２２］－
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.445

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2656416