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1、 中国石油大学胜利学院本科毕业论文替代电镀铬的高速电弧喷涂3Cr13涂层的耐磨性能研究学生姓名： 学 号： 专业班级：材料成型及控制工程2班指导教师： 2013年6月5日中国石油大学胜利学院本科毕业论文替代电镀铬的高速电弧喷涂3Cr13涂层的耐磨性能研究摘 要镀铬层有着硬度高、耐磨性好和镀层色泽经久不变等特点，但工艺电流效率低，另外六价铬对人体和环境有较大的危害性，国内外研究者想用其它镀层取代它。高速电弧喷涂技术是近年来发展起来的新型热喷涂技术，该技术具有优质、高效、低成本等特点。本文实验对高速电弧喷3Cr13涂层进行了组织及性能分析，并与电镀硬铬工艺、性能成本进行了对比。 研究结果表明：高速
2、电弧喷涂3Cr13涂层表面平整无无缝隙、涂层均匀.在涂层硬度、涂层结合力、耐磨性能方面高速电弧喷涂3Cr13涂层都接近甚至优于电镀硬铬层。所以，用高速电弧喷涂技术代替电镀铬技术具有良好的发展前景。关键词：电弧喷涂；硬铬；3Cr13；耐磨性能；涂层中国石油大学胜利学院本科毕业论文Study on wear-resistant resistance of 3Cr13 coating by arc spraying for replacing hard chrome platingABSTRACTChrome layer has a hardness, abrasion resistance and
3、 good coating characteristics of the same color perishable.However, the low efficiency of current, In addition to human and environmental hexavalent chromium a greater danger, many researchers would like to replace it with other coating. High-speed electric arc spraying technology developed in recen
4、t years is a new type of thermal spray technology, This technology has the characteristics of high-quality, high efficiency, low-cost, and so on. In this paper, the experimental high-speed electric arc spraying 3Cr13 coating for the organization and performance analysis, And compare with hard-chrome
5、 plating technology, performance and cost. The results show that, 3Cr13-arc spraying the surface coating formed a seamless, coating uniformity. In coating hardness, coating combination of wear resistance in high-speed arc spraying 3Cr13 coatings are close to or even better than that of the hard chro
6、mium plating.So,the arc spraying with high-speed chrome plating technology instead of technology has good prospects for development. Keywords: Arc spraying; alternative hard chrome plating; 3Cr13; wear resistance1中国石油大学胜利学院本科毕业论文目录第1章 前言11.1 电镀硬铬的用途及发展现状11.2 电镀硬铬的缺点31.3 热喷涂技术31.3.1 定义31.3.2喷涂材料41.3.
7、3 涂层功能41.3.4 热喷涂技术在冶金工业中的开发与应用61.4 电弧喷涂优点111.5 本文研究的目的、意义及内容12第2章 实验原理与方法142.1 电弧喷涂原理142.2 电镀铬工艺流程及参数152.3 金相微观组织分析162.4 硬度测量182.5 涂层结合原理与测量结合力方法192.6 冲蚀实验原理与方法20第3章 实验结果分析与讨论223.1组织分析223.2性能分析273.2.1 硬度273.2.2 界面结合力283.2.3 耐磨性能283.3 高速电弧喷涂3Cr13涂层与电镀硬铬技术对比323.3.1 涂层性能323.3.2 其他性能33第4章 结论35致 谢36参考文献3
8、737第1章 前言1.1 电镀硬铬的用途及发展现状1 电镀硬铬的用途铬是一种微带天蓝色的银白色金属。电极电位虽然很负，但它有很强的钝化性能，在大气中很快钝化，显示出具有贵金属的性质，所以钢铁零件镀铬层是阴极镀层。铬层在大气中很稳定，能长期保持其光泽，在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐以及有机酸等腐蚀介质中非常稳定，但可溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中，在一定条件下沉积的铬镀层具有很高硬度和耐磨损性能，硬铬的维氏硬度达到9001200kg/mm2,铬是常用镀层中硬度最高的镀层，可提高零件的耐磨性，延长使用寿命。如工、模、量、卡具；机床、挖掘机、汽车、拖拉机主轴；切削刀具等镀硬铬1。镀硬铬可用于修复被磨损零
9、件的尺寸公差。严格控制镀铬工艺，准确地按规定尺寸镀铬，镀后不需再进行机械加工的则称为尺寸镀铬法。反光能力强，有较好的耐热性。在500以下光泽和硬度均无明显变化；温度大于500开始氧化变色；大于700时才开始变软。由于镀铬层的优良性能，广泛用作防护装饰性镀层体系的外表层和机能镀层。镀铬层有着硬度高、耐磨性好和镀层色泽经久不变等特点。有一些镀层也可取代,如锡钴或锡钴锌三元合金可代替装饰性镀铬,化学镀镍磷或镍硼合金或一种铁基合金可代替耐磨镀铬等;但铬镀层因其有特殊的优点和用途,迄今尚难全部取代2。从铬层的用途来分,可分装饰性和硬铬两大类。前者往往需要中间镀层打底,镀层薄,主要起到防变色作用,能使镀层
10、成为蓝白色,外表美观,起到装饰作用,因而命名为装饰性镀铬层。后者镀层较厚,因其有良好的耐热、耐磨和抗腐蚀性,常用来作耐磨镀层和修复镀层。从化合价来分,镀铬溶液可分六价铬和三价铬两种。国内外虽有不少文献报道过这类镀液,但真正在工业上应用的还比较少3。2 国内硬铬电镀技术的现状：(1) 半数以上的电镀企业仍然沿用铬酸与硫酸比为100: 1 的传统镀铬工艺4。(2) 除了传统工艺之外, 属于第二代的氟化物镀铬或称稀土镀铬, 占有相当部分, 它有二种催化剂,SO2-4 和F- 或SiF2-6 , 除纯稀土以外, 铬酸与硫酸之比值均大于100: 0.75, 一般都使用较低的温度和电流密度, 主要适用于装
11、饰性镀铬, 一般不适合于镀硬铬。(3) 1987年, 高浓度铬酸并含有卤素化合物类催化剂的快速镀铬工艺在国内被发明应用, 该工艺采用较高的电流密度和较低的温度, 阴极电流效率可达45% 60% 4, 沉积速度可达120 250m/h, 但镀层欠光亮、应力大, 特别是在钢铁基体上, 结合力差是个致命的问题, 同时铬酸浓度高达500 900g/L 5, 对环保和工人操作都不利, 不易普遍推广采用, 只有极少数厂家在使用。(4) 硼酸氧化镁镀液也属于原先在80 年代末出现的一种所谓的快速镀铬, 与氟化物镀液相比, 该工艺虽没有腐蚀性, 但其它性能一般, 且随着使用时间延长, 性能逐渐变差, 使用过的
12、厂家也不少, 主要在活塞环行业, 现在几乎没有人使用了。(5) 相当或接近于老HEEF 类型的镀铬工艺, 阳极可能出现严重问题。这种镀铬工艺, 国外已经不用了, 但在国内市场上, 还有比较多的厂家在使用。(6) 新型无氟混合催化剂, 高效快速微裂纹镀铬工艺是90 年代初出现的第三代镀铬工艺, 现今在全国各地的电镀厂点得到广泛使用, 生产实践表明, 它的镀层性能和镀液性能都比第一代和第二代镀铬有长足的进步, 在市场上它将逐步取代传统的普通镀铬和氟化物镀铬, 这是毫无疑问的, 除了性能之外, 成本经济是一个原因。它的代表性品牌有德国的AN KOR1127 和NF2T , 美国的HEEF225, 中
13、国南京的ST2927。1.2 电镀硬铬的缺点 电镀硬铬工艺会导致严重的环境问题 。导致环境问题的不是铬本身,而是镀铬过程。铬是不活泼的元素,可以安全地用于日常用品乃至人工关节等。主要问题是镀铬工艺使用的铬酸溶液,产生含Cr ( ) 酸雾和废水。因此,各国对镀铬工艺的限制将会越来越严。比如,美国将现行的六价铬的空气排放标准从0.1mg/m3 降低到0.00500.0005mg/m36 。而据美国海军部门估计,单是美国海军在实施该标准后需要2200万美元一次性投资用于更新设备等,而以后每年就要花费4600万美元作为收集、处理等的费用。另外,电镀硬铬镀层还有其他一些缺点 7:1 电镀硬铬镀层的硬度一
14、般为HV 800900 ,远不及一些陶瓷和金属陶瓷材料的硬度高和耐磨性好,而且硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低,其工作温度也只能是低于427 ,因此难以适应现代机械高温、高速下的工作要求。2 镀铬层内存在微裂纹,不可避免地会产生穿透性裂纹,导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体,造成镀层表面出现锈斑甚至剥落。3 电镀工艺沉积速度慢(约25m/h) ,镀0.20.3mm厚的镀层往往需要23 个班的时间,也不利于厚镀层的应用。 1.3 热喷涂技术1.3.1 定义热喷涂是这样的一系列过程:以某种形式的热源将喷涂材料加热,受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒8,这些微粒以一定的速
15、度冲击并沉积在基体表面上,形成具有一定特性的喷涂层。1.3.2喷涂材料1 喷涂材料有粉、线、带和棒等不同形态,它们的成分是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位,种类逾百种。线材与带材多为金属或合金(复合线材尚含有陶瓷或塑料);棒材只有十几种,多为氧化物陶瓷。 2 喷涂方法 以提供热源的不同,可分为燃烧法及电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、爆炸喷涂及高速火焰喷涂();后者包括电弧喷涂及等离子喷涂(又分常压等离子喷涂、低压等离子喷涂与水稳等离子喷涂)。 喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂温度(严格点说,是熔滴冲击基体表面时的温度)和熔滴冲击基体表面的速度。 3 涂层的形成及其评价 喷
16、涂材料经过具有某种热源形式的喷涂设备喷射之后,在到达被喷涂的基体表面之前,其飞行时间只有几千分之一秒或更少9。在如此之短的时间内,它被加热、熔化或半熔化,形成细小而分散的熔滴,冲向基体表面,被击成扁平的叠状小片,先前生成的扁片又被后来者所覆盖,很快就形成由很多扁平罗叠而成的覆盖层,即为喷涂层。热源温度越高,熔滴冲击速度越大,形成的涂层越致密。1.3.3 涂层功能当某一个工程问题提出后,首先应明确接受施工的工件被喷涂的部位(通常是设备或设施的工作表面)处于什么样的工况条件,而涂层功能则是确定喷涂工艺及材料的主要依据,同时还要考虑在经济上是否允许。 1 涂层的多样性涂层的多样性源于喷涂材料的多种选
17、择、工艺参数的可控及喷涂方法的可变。喷涂粉末材质逾百种,线材和棒材也有数十种,不同的喷涂方法和工艺参数的变化,能使同一材质形成不尽相同的涂层。如此,这些变数的组合就可得到一组菜单式的涂层系列,当你需要具有某种特性的涂层时,只需从中择取即是。 2 涂层类别喷涂材料喷涂而成的涂层依据它们的成分可以分为10个系列; (1) 铁、镍和钴基涂层; (2) 自熔合金涂层; (3) 有色金属涂层; (4) 氧化物陶瓷涂层; (5) 碳化钨涂层; (6) 碳化铬和其他碳化物涂层; (7) 难熔金属涂层; (8) 氧化物陶瓷涂层; (9) 塑料基涂层; (10) 金属陶瓷涂层。3 涂层功能依据美国对热喷涂涂层分
18、类的方法,涂层按其功能可分为10: (1) 耐磨损涂层。包括抗粘着磨损、表面疲劳磨损涂层和耐冲蚀涂层。其中有些情况还有抗低温(538)磨损和抗高温(538843)磨损涂层之分。 (2) 耐热抗氧化涂层。该种涂层包括高温过程(其中有氧化气氛、腐蚀性气体、高于843的冲蚀及热障)和熔融金属过程(其中有熔融锌、熔融铝、熔融铁和钢、熔融铜)所应用的涂层。 (3) 抗大气和浸渍腐蚀涂层。大气腐蚀包括工业气氛、盐性气氛、田野气氛等造成的腐蚀;浸渍腐蚀包括饮用淡水、非饮用淡水、热淡水、盐水、化学和食品加工等造成的腐蚀。 (4) 电导和电阻涂层。该种涂层用于电导、电阻和屏蔽。 (5) 恢复尺寸涂层。该种涂层用
19、于铁基(可切削与可磨削的碳钢和耐蚀钢)和有色金属(镍、钴、铜、铝、钛及他们的合金)制品。 (6) 机械部件间隙控制涂层。该种涂层可磨。 (7) 耐化学腐蚀涂层。化学腐蚀包括各种酸、碱、盐,各种无机物和各种有机化学介质的腐蚀。 上述各涂层功能中,与冶金工业生产有密切关系的是耐磨损涂层、耐热抗氧化涂层和耐化学腐蚀涂层。1.3.4 热喷涂技术在冶金工业中的开发与应用冶金工业生产中存在着大量的高温氧化、磨损及介质腐蚀等问题,这些问题都是一种使工作表面失效的过程,应该而且能够从热喷涂技术中寻求一种有效的解决途径10。喷涂工艺既可以修复已失效的旧工件,也可以在新工件投入工作前进行强化预保护,也可以二者兼用
20、11。 冶金工业生产特征冶金工业生产从矿石到金属材料,其间经过开采、运输、贮存、破碎、分级、选别、液固分离、制团、烧结、冶炼、铸型、精炼等多道生产环节。每一环节的主体设备都处于高磨损、高负荷、高温和腐蚀等极其恶劣的工况条件下,这些因素导致生产设备的失效,使冶金工业成为国民经济的耗材耗能大户。 面临这种情况,为了维持生产,每年必须耗用大量的备品备件,有些还需进口。一个大型钢铁企业,每年为此要付出几亿元以上的资金。另一方面,现代化的冶金生产是一个高度连续化的过程,即使生产环节每一局部的设备过早失效,也会造成停产或减产,带来巨大的经济损失。例如,我国某钢铁企业高炉渣口,因受高温熔体的侵蚀,工作寿命极
21、短,每更换一次,高炉需休风减压,少加三批炉料,少出生铁60。该企业转炉连铸生产线连铸辊道,其寿命只有4000炉(20万),而日本同类连铸辊道可达15000炉,几乎高达4倍。 1 抗高温氧化涂层功能 (1) 这些涂层用以改善基体(设备或设施)材料的高温性能(最高温度可达1150),使之能经受高温化学或物理溶解过程以及机械损伤的冲蚀过程,或二者都适应。 (2) 对抗高温氧化涂层的要求。为了使基体避免高温氧化所造成的破坏,这些涂层必须(a)阻止大气中氧的扩散;(b)阻止涂层本身向基体迅速扩散;(c)具有高于操作温度的熔点;(d)在操作温度下具有较低的蒸汽压。 (3) 推荐的喷涂材料有镍铬合金、镍铬铝
22、合金、喷铝封孔热渗。 (4) 推荐的喷涂方法有等离子喷涂、高速火焰喷涂、燃烧火焰喷涂。 (5) 应用实例包括加热炉、均热炉、热处理炉、烧结炉、热风炉、蓄热炉及蓄热室的炉壁,金属篦的表面、退火盘、退火罩、热处理夹具、回转窑外表面、高温阀门、滑动闸板、烟道及烟囱等。多晶硅炉、烧结金属成型、排气消声器、高炉风口、送风系统、烧结设备、鼓风系统、净气系统、排烟系统、退火炉辊、弗朗克林炉、热金属浸渍加热器、钛条、锻造工具、加热罩、焦炉密封装置、鼓风冷却系统、转炉供氧系统、焦炉风口、连续浇铸辊及冷却砂型等。2 耐腐蚀性气体涂层功能 (1) 这些涂层必须保护暴露于高温腐蚀性气体中的基体材料,由于氧化和化学反应
23、同时存在,要防止涂层与气体反应的生成物对基体产生破坏。 (2) 对耐腐蚀性气体涂层的要求。这些涂层应该是(a)能经受高温腐蚀性气体;(b)能经受周期性的热冲及过热;(c)与基体热膨胀系数要匹配。 (3) 推荐的喷涂材料有镍铬合金(但含硫介质除外),喷铝封孔热渗。 (4) 推荐的喷涂方法有等离子喷涂,燃烧火焰喷涂。 (5) 应用实例包括回转窑内表面、钎焊夹具、碳化盒、排风机叶片、氰化处理坩埚、燃气烟道系统、电厂锅炉回管、炼焦炉管、转炉用锅炉等。3 热障涂层功能 (1) 这些涂层的热导性低,作为热障以降低基体金属的受热程度。 (2) 对热障涂层的要求。这些涂层应满足(a) 必须在工作温度中耐氧化;
24、(b) 良好的耐热冲性;(c) 与基体的热膨胀系数尽可能接近;(d) 导热率要低。 (3) 推荐的喷涂材料有氧化锆、氧化铝和锆酸镁。 (4) 推荐的喷涂方法为等离子喷涂。 (5) 应用实例包括高温炉感应圈、钎焊和热处理夹具、火炬热障、加热罩、高温计套管、铸铁厂形槽。 4 抗熔融金属涂层功能 (1) 这些涂层能经受锌、铝、钢、铁和铜等熔融金属的作用。 (2) 对抗熔融金属涂层的要求。这些涂层应满足:(a) 能经受熔渣和熔剂的腐蚀作用和处于熔体液面附近的金属蒸气和氧的侵蚀;(b) 防止涂层与融体形成低熔合金;(c) 能经受热疲劳和热冲击。 (3) 推荐的喷涂材料有氧化铝、锆酸镁、白钨和钼。 (4)
25、 推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂。 (5) 应用实例包括镀锌槽、浇铸槽、模具、风口、锌蒸馏罐、冷凝管、锌合金熔化炉、镀锌浸渍槽、高炉渣口、铸铝模、铸铜模、连铸机模、砂型铸模、板块结晶器、炼锌搅拌装置、结晶器护板、氧气管喷嘴、转炉吹氧枪、钢包水口、金属熔体测温头和石墨电极。5耐磨损涂层冶金工业生产中,各种机械设备失效的最大因素是磨损问题,而热喷涂的最重要功能是提供耐磨损涂层,为大量的工程磨损进行有效的保护。这类涂层的应用范围比其他类要广泛。其磨损机理复杂,类型较多,加之冶金生产工况不一,因而这类涂层的功能与要求也不尽相同,兹分述如下: (1) 耐粘着磨损涂层功能 (a) 这些涂层有的容
26、许磨粒嵌入和变形(软支承表面);有的则是硬的支承材料(硬支承表面)。 (b) 对耐粘着磨损涂层的要求。这些涂层应满足:1)依软或硬支承的不同,选用不耐磨的软质材料及耐磨的硬质材料;2)对硬支承来说,涂层要适应大载荷和高速度的要求。 (c) 推荐的喷涂材料有铝青铜、磷青铜、巴氏合金、锡(以上是软支承);自熔合金与钼或铜的混合物、高碳钢、不锈钢、-合金、氧化物陶瓷等(以上是硬支承)。 (d) 推荐的喷涂方法有燃烧火焰喷涂(线材或粉材)、等离子喷涂。 (e) 应用实例包括巴氏合金轴瓦、水压机轴套、止推轴瓦、活塞导承、压气机十字滑块、铜合金衬套、防伤轴承、主齿轮轴颈。(2) 耐磨粒磨损涂层磨粒磨损是磨
27、损中的重要形式,当考虑到该过程处于不同温度(538为低温,538843为高温)时,则该类涂层具有很广的应用面。(a) 功能。耐磨粒磨损涂层能经受外来磨粒的作用,或是发生于某一硬表面或软表面之间滑动。 (b) 对耐磨粒磨损涂层的要求。这些涂层的硬度要超过所存磨粒的硬度;对工作温度要适应,在高温中要有良好的抗氧化性。(c) 推荐的喷涂材料包括陶瓷、金属陶瓷、合金和金属,根据工况从中选定。(d) 推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂和电弧喷涂。(e) 应用实例包括矿石输送系统、贮存设备、破碎系统、筛分系统、选矿系统、造粒系统、球磨机、抽风机叶片、抛光夹具,冲压模、转炉入料
28、口、切断机、液压千斤顶、氧传感器、鼓风炉体、高炉料钟、泥浆泵活塞杆、拉丝绞盘、制动卷筒、挤压模、导向杆、泵密封、锻造工具、破碎辊、热成型模具、各类曲轴、各类主轴和传动轴、各种轴套、球磨机内衬、切削刀口、叶轮、机械密封套、阀座、各类齿轮、油压机拉杆、葫芦齿轴、车床拖板、电机端盖、螺杆泵、冲头、车床分配轴、混砂机刮板、磨煤机锤头和冲击板、浮选机螺旋、磨粉机衬胆、无心磨托板、给水泵平衡卷、金刚石工具、冷拔钢管内模、钢管、芯棒顶头、制动鼓。各类轧辊初轧辊、支撑辊、导卫板、夹送辊、成型辊、热处理炉辊、推料辊、传送辊、牵引辊、冷轧机辊、酸洗槽支承辊、镀锌槽浸没辊等。(3) 耐冲蚀涂层功能(a) 这些涂层能
29、经受尖利的硬颗粒引起的磨损,这些颗粒存在于气体或液体之中,并以一定的速度运动。(b) 耐冲蚀涂层的要求。这些涂层应满足:1)选择硬涂层,但冲击角大于45时,同时应注意涂层的韧性;2)大多数涂层应进行封孔处理;3)涂层能经受介质的腐蚀性。(c) 推荐的喷涂材料有合金、陶瓷、和金属陶瓷。(d) 推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂和爆炸喷涂。(e) 应用实例有抽风机、旋风收尘系统、切断阀杆和阀座。6耐化学介质腐蚀涂层冶金工业,特别是湿法冶金工业,常碰到介质腐蚀给设备带来危害的问题,若作业过程进行在较高温度中,这一问题更为突出。选择高级材质固然减缓这一问题,但不经济。在很多情况下,采用热喷涂技术
30、能得到满意的结果。例如,不必采用不锈钢制作设备的整体,只须用普钢在其工作表面喷涂一层不锈钢涂层。同样,根据介质及其他工况情况,可以喷铜、铝、钼、蒙乃尔合金、镍铬合金、镍铬钼钛合金(316)等,使设备身价倍增。当然,并非热喷涂能有效地解决所有的腐蚀问题。事实上,采用这项技术解决带有强腐蚀性问题,是一项十分慎重的工作,有些方面和某些环节还要研究与探讨。1.4 电弧喷涂优点 1 生产率相对较高:电弧喷涂的生产率与电流成正比,一般相当于火焰喷涂的4 倍; 2 涂层结合强度高; 3 涂层质量易于保证; 4 能源利用率高,能耗低;5 可以方便地获得“伪合金”涂层:当使用两种不同材料的喷涂丝材时,获得的是两
31、种材料的粒子紧密结合的“伪合金”涂层,涂层中还存在少量的合金与金属间化合物;由于兼有两者的性能,因此“伪合金”涂层的性能较好; 设备造价低,使用维护方便:电弧喷涂的设备简单,体积小,重量轻,设备移动方便。不需要瓶装气体、燃料,没有水冷系统,且工作环境要求低,可以长时间在恶劣环境下工作12。在此基础上,新的材料和设备以及工艺层出不穷,目前发展较快的是高速电弧喷涂技术。该技术是利用气体动力学原理,将高压空气或高温燃气通过特殊设计的喷嘴加速后,作为电弧喷涂的高速雾化气流来雾化和加速熔融金属,将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层。与普通的电弧喷涂以及其它热喷涂技术相比,高速电弧喷涂技术具有显著优点
32、13:(1) 粒子运动速度明显提高,雾化效果改善明显;(2) 涂层的结合强度显著提高,平均提高1.52 倍;(3) 涂层孔隙率降低,内部组织致密,涂层性能提高;通过高速电弧喷涂技术得到的优质涂层,足以与等离子涂层相媲美;(4) 喷涂枪通用性强;高速电弧喷涂技术与普通电弧喷涂技术具有兼容性,利用普通电弧喷涂的电源设备及送丝机构,仅更换一把高速电弧喷涂枪就可以进行高速电弧喷涂;(5) 生产效率高;(6) 电弧稳定性高。1.5 本文研究的目的、意义及内容电镀硬铬是一个非常成熟的工艺，广泛应用于汽车、航空、采矿、农业以及石化等许多重要工业领域中。然而，电镀硬铬过程中产生的Cr 会导致严重的环境污染问题
33、，且电镀工艺沉积速度慢，生产效率很低。所以，需要寻找与电镀硬铬性能相当甚至更好、无污染、效率高的涂层工艺。而高速电弧喷涂涂层具有硬度高、涂层结合力高、耐磨耐蚀等优点，且其生产效率较高、对环境无污染。若电弧喷涂涂层的性能接近或超过电镀铬层，则在工业中成为最有效的表面喷涂技术，可以获得广泛应用。本文拟用高速电弧喷涂技术，喷涂3Cr13不锈钢丝，制备3Cr13涂层替代电镀铬层，（1）确定铬层的机械性能；（2）制备高速电弧喷涂3Cr13涂层；（3）高速电弧喷涂3Cr13涂层的金相组织观察；（4）高速电弧喷涂3Cr13涂层的硬度，结合强度的检测；（5）高速电弧喷涂3Cr13涂层的耐磨性实验；（6）高速电
34、弧喷涂3Cr13涂层与电镀铬层的性能比较。 第2章 实验原理与方法2.1 电弧喷涂原理电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术14。电弧喷涂是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂方法。电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。 图图2 电弧喷涂原理示意图电弧喷涂长效防腐复合涂层是指电弧喷涂金属涂层外加封闭涂层的复合涂层，电弧喷涂金属涂层主要有电弧喷涂锌、铝及其合金涂层，封闭涂层包括封闭底层、封闭中间层和封闭面层。电弧
35、喷涂长效防腐复合涂层对钢铁基体的防腐原理是物理屏蔽和阴极保护联合作用，封闭涂层的主要作用是物理隔离各种腐蚀介质对金属喷涂层和钢铁基体的侵蚀，电弧喷涂金属涂层对钢铁基体提供牺牲自己保护钢铁的阴极保护作用。喷锌或铝后封闭处理所形成的复合涂层，其耐蚀性比喷锌或铝涂层和封闭涂层两者单独耐蚀寿命值之和要高出50130%。这种效应被称为最佳协同效应（Synergy Effect电弧喷涂长效防腐复合涂层的寿命推算公式为：复合涂层防腐寿命=（喷铝涂层寿命+封闭涂层寿命）1.52.3。高速电弧喷涂3Cr13涂层过程中使用的材料有20#钢作为基材，等离子喷涂材料为镍包铝粉，电弧喷涂材料为3Cr13丝材。高速电弧喷
36、涂3Cr13涂层实验过程：1 用稀硫酸酸洗基体，去除表面锈渍。2 喷砂处理基体表面，增加表面粗糙度，便于后面上涂层。3 等离子喷涂镍包铝作为打底层，以提高结合强度。4 电弧喷涂3Cr13作为涂层。2.2 电镀铬工艺流程及参数 电镀铬工艺流程：按常规工艺除油清洗蒸馏水洗铬酸电解处理镀铬回收二至三道流水洗23 表2-1 电镀铬工艺参数槽液与试验条件铬 酐g/L硫 酸g/L三价铬g/L温度电流密度A/dm电镀时间min常规电镀铬工艺180220 2.02.2 235055455040602.3 金相微观组织分析金相显微分析是材料科学与工程专业应用最为广泛的微观分析方法。金相显微镜可以用来观察机械合金
37、化法所制备材料的粉末团聚和材料粒度的变化历程。金相显微镜是研究金相显微组织最常用最重要的工具。它的主要构件有物镜、目镜、中间透镜和照明系统。显微镜的成像质量主要决定于所用物镜的优劣，因此它是显微镜中最重要的光学零件；目镜是将物镜放大的中间像（倒立实像）再放大。观察时，在目镜明视距离处形成一个清晰的虚像，摄影时投射到屏幕（底片）上一实像，另外，有些目镜还可以消除物镜未完全校正的残余色差；中间透镜是在目镜和物镜之间的透镜。金相试样在显示观察前都需要磨光和抛光。金相试样在砂纸上磨光时，砂纸的每颗磨粒均可以看成是一把具有迎角的刨刀试样磨制时会产生损伤层，并非只有外部变形还有内部变形，所以磨制试样时一定
38、要选择合理的磨光工艺来减少变形。抛光和磨光在机理上基本一样的。实验步骤如下1 取样取样就是从较大的材料中切取具代表性的小试片以便处理，为了后面好镶样，我们用线切割机从试样上切去下一个小试片，尺寸为10mm24mm2mm。2 粗磨试片切取后,切割面若出现过热、变形或不平整的现象时,可用200#以下的碳化硅砂纸进行手磨,或用细砂轮侧面磨平,亦可使用磨床磨平。3 镶埋当试片太过薄小不易握持时,或欲观察试片边缘组织时,试片就需要镶埋。4 细磨细磨的目的是在除去切割时表面损坏或晶粒变形的深度。一般常用150#、180#、240#、320#、400#、600#、800#、1000#、1500#等几种碳化硅
39、砂纸进行研磨。5 抛光抛光的目的是要除去细磨后试片上残留的磨痕及缺陷层,以产生平整、无磨痕如镜面的表面,以便作精确的显微组织观察。6 腐蚀随着组成物对腐蚀液抵抗的强弱不同,使得腐蚀后之试片表面反射光出现强弱的情况,而显示出晶界、各种相界及不同结晶之方向性。我们一般采用4%的硝酸酒精进行腐蚀,腐蚀时间从数秒钟到数分钟不等。腐蚀后速将试片以水或酒精清洗,接着用热风式吹风机吹干。2.4 硬度测量用观察金相所用的涂层横截面试样进行硬度测量，所用仪器为HV-10A型小负荷维氏硬度计。HV-10A型小负荷维氏硬度计技术指标如下：1 测量范围：30-1000HV2 试验力（1,2,3,4,5,6,7,8,9
40、,10公斤力）3 试样允许最大高度：180毫米4 压头中心至立柱间距离：150毫米5 光学测微计放大倍数：250倍，125倍6 光学测微计最小分度值：0.5微米，1微米在硬度的测量过程中，首先，通过显微镜镜头观察、调节出试样金相图，找到想要打硬度的地方，然后，将硬度计的压头转到试样上方，接近试样，然后将压头放下，所加压力为3千克，加压15秒后，将压头抬起，将显微镜转到试样上方进行调节、观察，找到压头压出的菱形坑，测量除菱形的对角线长度，求两条对角线的平均值，然后查表得出硬度值。2.5 涂层结合原理与测量结合力方法要获得好的结合强度, 首先必须使涂层与基体紧密接触, 这可通过沉积过程中熔融的喷涂
41、粒子液滴高速撞击基体表面而产生相互机械作用来实现。涂层与基体的这种机械作用的产生, 源于液滴撞击基体表面后动能的损失, 结果产生较大的撞击压力而对涂层- 基体结合力的形成起到根本作用。机械作用产生结合力的形式主要有“锚合”、“钩合”、“钉合”、“嵌合”等形式15。基体表面粗糙度的提高, 除改善涂层与基体结合状态外, 还可增大涂层与基体的接触面积, 并增加涂层材料与基体表面的嵌合作用, 加强涂层与基体的附着力。上述几种机械结合方式又可称为涂层与基体的互锁。涂层与基体要形成良好的互锁作用, 液相喷涂粒子必须渗透到基体粗糙表面的凹坑中, 与基体紧密接触后凝固。这样, 在粒子液滴撞击基体表面及铺展过程
42、中产生的压力P 必须克服粗糙度引起的涂层与基体界面的毛细作用力。机械结合是热喷涂涂层与基体间最主要的联结方式, 因此涂层与基体的互锁程度将直接影响其结合强度。涂层的层与层之间主要是以机械嵌合在一起的。涂层的结合方式还包括物理结合、扩散结合与冶金结合。物理结合是高温、高速的熔融粒子撞击基材表面后紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时, 就会产生范德华力而形成结合, 因此该种结合要求基材表面极其干净或进行活性化处理。扩散结合是当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时, 由于变形、高温等作用, 在涂层与基材间有可能产生微小的扩散, 增加涂层与基材间的结合强度。冶金结合是在喷涂放热型喷涂材料时,
43、 基材表面微区内接触温度可高达基材的熔点, 因此就有可能使熔融粒子与基材间形成微区冶金结合, 提高涂层与基材间的结合性能。由于高速电弧喷涂的温度和材料的因素, 上述三种结合方式没有找到很好的存在佐证。 在喷涂过程中, 熔融的颗粒高速喷射到基体材料上, 从而被撞击成扁平的形状,后面的粒子在沉积过程中, 前面的扁平粒子已经冷却, 因此只能相互咬合, 以机械结合存在16。此外, 合金晶体外延、物理结合等综合作用也有一定影响。在金属喷涂时, 喷涂过程中的粒子表面产生氧化物, 这些化合物作为粒子间的结合相也有一定作用。结合相作用的效果受喷涂材料与它的氧化物之间的热膨胀系数之差影响较大。冷却时, 金属粒子
44、收缩比氧化物的越大, 则对形成涂层越不利。实验过程：将一圆形试样表面进行等离子喷涂打底与电弧喷涂3Cr13，用胶将圆形试样做成拉伸试样，进行拉伸试验，所用机器为微机控制电子式万能试验机，速度：500N/S；型号：WDW-200。记下涂层断裂时所加压力，再根据涂层面积可得结合力。2.6 冲蚀实验原理与方法冲蚀对材料所造成之损害，多半为砂粒冲击所致，会在材料表面造成弧状凹痕(crater)之形态17。而影响材料冲蚀速率之因素，诸如：冲击砂粒之形态、尺寸、速度、流量及受冲击材料本身之性质等。冲蚀的影响因素：1 冲蚀角度；2 冲蚀速度；3 沙粒大小；4 沙粒形状；5 沙粒硬度；2021实验所用材料包括
45、经过等离子打底的电弧喷涂3Cr13涂层的试样两片，未经过打底的电弧喷涂3Cr13涂层试样两片。实验所用机器为CMD-600型开放式手控固定喷砂机 喷砂机技术说明：罐体直径：600mm罐体高度：775mm总 高 度：1288mm总 重 量：120Kg罐体容积：0.14m3压缩空气压力： 0.50.7MPa压缩空气流量： 3-6m3/min工作效率（供参考）： 15m2/h。实验过程：1.以喷砂角度为90对未经过等离子打底和经过等离子打底试样各一个进行喷砂，每两秒钟记录一次质量。 2.以喷砂角度为45对剩下两块试样进行喷砂，两秒钟记录一次质量。第3章 实验结果分析与讨论3.1组织分析 如图3-1所示为高速电弧喷涂3Cr13涂层表面宏观形貌，图3-1(a)中可以看出涂层表面平整无无缝隙、翘皮现象，涂层金属粒子熔化较好，涂层均匀，几乎无未融化金属颗粒，从图3-1(b)中观察试样边缘，边缘涂层无剥离现象。 (a)1倍涂层宏观形貌 (b)1倍涂层边缘宏观形貌 图3-1高速电弧喷涂3Cr13表面宏观形貌 (a) 30倍涂层宏观形貌 (b) 80倍涂层宏观形貌图3-2 高速电弧喷涂3Cr13涂层的宏观形貌