等离子喷涂涂层结合强度正交试验工艺模板.doc
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1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计(论文)学 院: 材料科学和工程学院 专 业: 金属材料工程学生姓名: 学 号: 指导老师: 二一二年六月江苏科技大学本科毕业论文高强铜合金表面等离子喷涂工艺及强化研究High-strengthCopperAlloySurfacePlasmaSpraying Processand StrengthenResearch江苏科技大学毕业设计(论文)任务书学院名称:材料科学和工程学院 专 业: 金属材料工程学生姓名: 学 号: 指导老师: X X 职 称: 讲 师 3月 1日毕业设计(论文)题目:高强铜合金表面等离子喷涂强化及其界面研究1.课程性质(请在对应选项上打
2、勾)纵向课题已签约横向课题未签约横向课题试验室建设课题模拟性课题学生自选人文课题2.课题类型(请在对应选项上打勾)工程设计(实践)理论研究试验研究计算机软件设计综合 一、 毕业设计(论文)内容及要求(包含原始数据、技术要求、达成指标和应做试验等)1、提供条件箱式热处理炉,布氏硬度计,导电率测试仪,金相显微镜、3710型等离子喷涂系统等。2、内容及要求内 容:(1)锻态组织和性能分析研究;(2)固溶处理试验;(3)研究合金时效温度、时间对合金组织和性能影响;(4)选择最好热处理工艺对CuCo2Be进行强化,并对其进行等离子喷涂试验,并对界面进行研究。要 求: (1)确定合金最好固溶、失效处理工艺
3、参数; (2)研究时效温度、时间对合金组织和性能影响关系; (3)制订合理等离子喷涂工艺参数并进行等离子喷涂试验; (4)毕业设计论文严格根据科技论文规范。二、完成后应交作业(包含多种说明书、图纸等) 1、毕业设计论文一份(不少于1.5万字);2、译文1篇(不少于5000英文字符,并附原文); 3、毕业设计电子文稿,参考文件。三、完成日期及进度自 2月27日起至 6月4日止进度安排:1、文件检索和阅读; .2.27.3.9(2周)2、设计和试验; .3.12.5.15(9.5周)3、撰写论文; .5.16.5.25(1.5周)4、论文评阅和答辩; .5.28.6.4(1周)四、关键参考资料(包
4、含书刊名称、出版年月等): 1、邹莉. 等离子喷涂技术及其应用J. 昆明冶金高等专科学校学报, , (5): 21-24.2、周庆生. 等离子喷涂技术及其在机床维修中应用J. 制造技术和机床, 1980, (2): 39-42.3、阎洪. 金属表面处理新技术M. 北京:冶金工业出版社, 1996.4、王庆娟, 徐长征, 郑茂盛等. 高强高导电铜合金研究现实状况J. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). , 38(5): 732.5、Szablewski J, Haimant R. Heat-mechanical treatment for copper alloyJ. Materials Sc
5、ience and Technology, 1985(1):1053-1059.6、谢春生, 翟启明, 徐文清等. 高强度高导电性铜合金强化理论研究和应用发展J. 金属热处理, , 32(1): 15-16.7、冯端. 金属物理学(第一卷)M. 北京: 科学出版社. 1987: 154.8、刘和法, 谢春生等. 大型导电结构专用材料-CuNiTiBe合金J. 华东船舶工业学院学报. 1994, 8(4): 94-98.9、范大楠. 高导电铍青铜及其组织性能研究D. 天津: 天津大学硕士论文. 1985: 5.10、TsengA A, Lin FH, Gunderia A S, et al. R
6、oll cooling and its relationship to roll life J. Metallurgical Transactions, 1989, 20A(11): 2305-2320. 系(教研室)主任: (签字) 年 月 日 学院(系)领导: (签字) 年 月 日摘 要水平连铸是现代各大钢(管)厂生产各类型钢关键方法,结晶器铜合金内套是水平连铸设备中最为关键易耗部件。在使用过程中因为铜套表面直接和14751570高温钢液接触,内表面工作条件极其恶劣,易产生多个形式失效,失效关键形式是产生热裂纹、磨损、剥落、划伤和腐蚀等。为了提升结晶器铜合金内套使用寿命,关键从提升铜合金内
7、套材料质量及其表面强化、表面改性二个方面进行了大量研究工作。本文对材料CuCo2Be内套合金进行热处理工艺优化试验及对铜合金内套进行表面改性电弧喷涂强化工艺试验。研究结果表明:(1) 新制备CuCo2Be合金经9501.5h固溶+4601h时效可取得较佳综合性能。此工艺条件下合金室温布氏硬度为HB277.44,导电率达成54.48%IACS; (2) 以涂层和基体结合强度为指标,经过正交分析法,对多种喷涂参数控制,经过极差和元素位极图得出最优组参数为功率22 kw、送粉速率15 gmin-1、喷涂距离为90 mm、主气流量56.6 Lmin-1,得到涂层和基体最大结合强度为43.6MPa ;
8、(3) 利用SEM、EDS分析测试手段,研究了断口形貌和涂层组织结构,结果表明涂层和基体间结合方法为微冶金结合。关键词:等离子喷涂;NiCr-Cr3C2涂层;结合强度;正交试验AbstractHorizontal continuous casting is the main method of billet produced for the modern big steel (tube) factories as well as copper alloy mould is the most critical consumable parts of horizontal continuous c
9、asting equipment. In the course of usage, the inner surface of the copper alloy mould is working on very poor conditions, it contacts directly with 14751570 high temperature liquid steel, which is very easy to produce various forms of failure. The main forms of the failure are generating heat crack,
10、 wear, peeling, scratching, corrosion and so on, in order to improve the life of copper alloy mould. This paper mainly studying on heat treatment of CuCo2Be alloy and Surface modificationarc spraying strengthening process of copper alloy mould on the basis of comprehensively analyzing the form of fa
11、ilure and the mechanism for the copper alloy mould. The results are shown as follows:(1) Comprehensive performance of CuCo2Be alloy can be acquired after solution treatment of 9501.5h+4601h aging. At this condition, hardness is HB277.44, conductivity reaches 54.48%IACS;(2) As an indicatorofthe bondi
12、ng strengthofthecoating and the substrate,by orthogonal analysis,thecontrolofvarioussprayparameters,a verypoorandthe ElementalFigure derivedtheoptimalset of parametersforthepower of22kw,powder feedingrate of15gmin-1,thespray distanceof90mm,themaingasflow56.6Lmin-1,thecoatingand the substratebond str
13、ength43.6MPa;(3) Testing meansof SEM、EDS analysisto study thefracture morphology and the organizational structureofthecoating, the results indicate that the binding modebetween thecoating and the substrateforthemicro-metallurgicalcombine.Keywords:plasma spraying;Cr3C2-NiCr coating;bonding strength;o
14、rthogonal test目 录第一章 绪 论11.1序言11.2铜及铜合金应用现实状况及发展趋势11.3 热处理强化工艺21.4 热喷涂强化工艺41.5等离子喷涂强化51.5.1等离子喷涂工作原理及经典设备51.5.2等离子喷涂技术特点及涂层应用61.5.3等离子喷涂涂层存在缺点81.5.4等离子喷涂技术发展趋势81.6 论文意义91.7 论文研究内容10第二章 试验内容和试验方法112.1 试验材料112.1.1 基体材料112.1.2 喷涂粉末材料112.2 试验药品及设备122.2.1 试验药品122.2.2 试验设备122.3 试验内容132.3.1 铜合金熔炼和浇铸132.3.2
15、 铸态组织和性能分析研究132.3.3 锻态组织和性能分析研究142.3.4 固溶处理试验142.3.5时效处理试验142.3.6等离子喷涂工艺试验152.4 材料组织形貌分析182.5 性能测试182.5.1 硬度182.5.2 导电率182.5.3 拉伸强度19第三章 试验结果和分析233.1 热处理工艺对CuCo2Be合金组织性能影响233.1.1 合金铸态组织和性能233.1.2 合金锻态组织和性能233.1.3 合金固溶组织和性能243.1.4 合金时效组织和性能263.2 等离子喷涂工艺参数正交试验结果和分析273.2.1 Cr3C2-NiCr涂层正交试验结果及分析273.2.2
16、Cr3C2-NiCr涂层正交试验原因主次分析303.3 Cr3C2-NiCr涂层和界面微观组织结构303.4 涂层显微硬度分析32结 论34致 谢35参考文件36第一章 绪 论1.1序言铜既是一个古老金属,又是一个含有应用前景现代工程材料。铜合金含有优良导电性、导热性、成形性及塑性; 含有很好耐蚀性能。这些特点是其它材料所不能同时含有。所以,铜合金广泛应用于电力、电工、矿山、冶金业及机械制造业等,尤其是对同时要求耐磨性、耐蚀性、导热或导电零件含有不可替换作用。伴随现代科学技术发展,大家对材料和设备和机械零部件使用性能要求也越来越高。于是大家在生产过程中,在一般基体材料表面上,制造一个特殊工作表
17、面,使其达成防腐、耐磨、抗氧化等一系列多个功效,使其达成节省材料,节省能源目标1。等离子喷涂是利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或靠近熔化状态,喷附在制品表面上形成保护层方法2。等离子喷涂工艺是于基体材料基础上表面强化和表面改性技术,能够使基体表面含有耐磨、耐蚀、耐高温氧化和密封等性能。等离子喷涂工艺发展能够充足改善材料表面性能。1.2铜及铜合金应用现实状况及发展趋势铜和铜合金发展和应用有着悠久历史,伴随大家物质文化生活提升和信息时代到来,铜及铜合金成为人类工作和生活中关键基础材料。因为含有高导热、耐磨损、耐腐蚀、可电镀等特征,铜和铜合金应用很广泛,在人类生活和国民经济发展中有着巨大作用。铜及
18、铜合金含有很多优良特征,铜以合金化种类多和化合物形式多被大家所利用,也被深深地应用到了生产和生活各个方面,成为人类在二十一世纪飞速发展一个不可缺乏关键金属。铜合金这些特点不是其它材料能够同时含有,尤其是对一些同时要求耐磨、耐蚀、导热或导电性能零件,是不可替换。在连铸结晶器、高炉风口、转炉氧枪喷头、等离子加热喷嘴等零部件中常常使用,其一面和高温液体或气体介质直接接触,另一面和水或气体等冷却介质直接接触,是极其恶劣工作条件。铜合金一样存在部分缺点,比如铜合金耐热性和耐磨性能较差,在工程应用中往往需要优异行表面强化处理,从而达成降低磨损目标,以达成提升零件使用时间效果,提升经济效益。多年来,因为热喷
19、涂技术快速发展和应用,使得基体材料在耐磨损、耐腐蚀和绝缘性等方面性能全部有了很大改善。所以现在,包含航空、航天、原子能设备等尖端技术在内全部领域内全部有广泛应用3。1.3 热处理强化工艺(1) 形变强化形变强化,即加工硬化,是经典四种金属强化方法之一,伴随塑性变形量增加,金属流变强度也增加,这种现象称为形变强化或加工硬化。在金属形变过程中,当外力超出屈服强度后,要将塑性变形过程进行下去必需要不停增加外力,在真实应力-应变曲线上表现为曲线不停上升。当使材料用温度过高时,材料将发生回复、再结晶过程而产生软化现象,而且单一形变强化对合金强度提升是有限,所以常常和其它强化方法一起使用。(2) 析出强化
20、金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和(或)由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生硬化一个热处理工艺。室温下,当基体中加入固溶度很低元素后,经高温固溶后,会形成过饱和固溶体,晶格严重变形,强度得到显著改善。常见析出强化元素有Ni、Si、Cr、Zr、Be等。时效处理后,合金元素会从基体中快速析出,形成弥散细小沉淀相,有效阻碍晶界和位错运动,因固溶原子引发晶格畸变对电子散射作用比第二相对电子散射作用大多,故时效后强度提升,而导电性又恢复到较高水平。(3) 固溶强化固溶强化关键机理是溶质原子溶解在铜基体应力场和弹性应力场周围,这种作用所产生晶格畸变是形成固溶体晶格畸变关键机制,这种作用阻碍了位错运动从而
21、使材料得到强化。合金元素对铜合金强化作用关键取决于溶质原子和铜原子尺寸差异和溶质元素在铜中浓度,而对导电率影响则和固溶元素种类和数量相关4。固溶强化程度关键取决于两个原因,首先是原始原子和添加原子之间尺寸差异,尺寸差异越大,原始晶体结构受到影响就越大,位错滑移就愈加困难;其次是合金元素量,伴随合金元素加入量增加,强化效果越来越显著。(4) 冷变形+时效强化冷变形+时效强化是现在对高强度高导电性铜研究和开发合金较为常见方法。J.Szablewki5等人认为固溶和时效处理时所产生冷变形提升了合金电阻率,降低了合金电阻温度系数,在时效过程中促进了固溶体分解,时效性能也受到变形量影响。在受到外力作用时
22、,晶粒形状改变会伴随工件形状改变而改变。当工件形状被拉长或压扁时,其内部晶粒形状也会随之被拉长或压扁,造成晶格产生畸变现象,使金属深入滑移阻力增大,造成金属强度和硬度显著提升,塑性和韧性下降,即产生所谓“变形强化”现象,叫做冷变形强化。铸锭热机械处理法对时效强化型铜合金能对合金强度和导电率能产生很好效果。但用于制造高强度高导电性结构件铜合金铸锭直接进行固溶处理,即使塑性提升了,但单靠冷变形成形,变形量大,变形抗力大,尤其是结构复杂件,成形困难6。铜合金固溶处理后经过冷变形+时效处理后强化效果好,关键是因为合金经过强烈地冷变形后晶体内部产生位错、层错、空位,晶界、亚晶界等晶体缺点增多,合金内能增
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