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铁基石墨自润滑堆焊涂层材料研究

作　者: 李丽鸽
导　师: 王惜宝
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 铁基石墨自润滑材料焊条堆焊原位合成石墨化元素
分类号: TG455
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

摩擦和磨损是造成材料和能源损失的主要原因之一。润滑是减少摩擦降低磨损的最为有效的措施。具有优良减摩耐磨性能的自润滑材料已成为材料研究的热点领域之一。本文采用传统焊条堆焊的方法,通过原位合成的方法生成自润滑石墨相,系统的研究了不同的合金元素(Si,Ni,Al)对石墨相形态,焊缝的硬度和韧性,以及堆焊焊缝的摩擦磨损性能的影响。结果表明:原位合成的石墨相分布均匀,堆焊出的涂层厚,是一种低成本的理想的自润滑涂层材料。对堆焊材料配方的研究表明:确定SiC为提供C源的碳化物,经过热力学计算,理论上可以出现石墨。SiC药皮重量系数为10%时没出现石墨,SiC药皮重量系数为20%~50%时焊缝中均出现石墨。通过控制SiC药皮重量系数,可以控制焊缝中石墨的量。SiC药皮重量系数在20%时,焊条焊接工艺性最好。Ni、B、Al降低熔滴表面张力,Al和Ni共同作用下明显增大熔滴表面张力。焊缝冷却速度过快不利于石墨的析出。影响焊缝成型的因素有两个:一是石墨化元素Al的加入量;二是焊缝中的碳含量。石墨是在焊缝金属液态的时候通过共晶反应形成的。含碳量是影响石墨是否析出的重要原因。Si、Al元素均促进生成片状石墨,B、Ni元素促进生成球形石墨。石墨在焊缝金属中呈梯度分布。因为焊接缺陷的存在,焊缝的冲击韧性很差。对石墨型自润滑堆焊涂层材料摩擦磨损性能的研究试验表明:20SiC在重载荷和低载荷下,摩擦系数相差很小,重载荷下摩擦系数略大,摩擦系数曲线趋势一致。重载荷下的磨损形式是疲劳磨损,低载荷下的磨损形式是切削磨损。摩擦系数在摩擦初期不稳定,等到摩擦进入平衡状态,摩擦系数趋于一致。发生摩擦的两个摩擦副,硬度值相差不大的时候,摩擦副粗糙度凸峰互相被对方削平,磨损保持在一个较低水平,随着磨损进入平稳状态,石墨形成稳定的润滑膜起到稳定的润滑作用从而减小磨损,反之亦反。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-18
  1.1 研究背景  9
  1.2 固体自润滑材料国内外研究现状和概述  9-15
    1.2.1 金属基固体自润滑复合材料  10-14
    1.2.2 非金属自润滑材料  14
    1.2.3 高分子类(基)自润滑材料  14-15
  1.3 研究课题意义  15-17
  1.4 本文研究任务和内容  17-18
    1.4.1 原位合成石墨自润滑研究的优势  17
    1.4.2 本文研究的主要内容  17-18
第二章试验材料与试验方法  18-23
  2.1 试验材料准备  18-19
  2.2 试验方法  19-23
    2.2.1 试样的准备  19
    2.2.2 堆焊层金相试样分析  19-20
    2.2.3 硬度测试  20
    2.2.4 冲击韧性试验  20
    2.2.5 X 射线衍射试验  20
    2.2.6 电镜扫描  20
    2.2.7 磨损试验机工作原理  20-23
第三章堆焊焊材配方的研究  23-35
  3.1 原位合成方法介绍  23
  3.2 碳化物的确定  23-26
    3.2.1 热力学反应的理论基础  23-25
    3.2.2 热力学计算结果分析  25-26
  3.3 焊条的制备与工艺  26-27
    3.3.1 焊条的制备流程  26-27
    3.3.2 焊条的烘干工艺  27
  3.4 焊条药皮配方的设计  27-31
    3.4.1 药皮中合金元素的确定  27-28
    3.4.2 焊条药皮组分的确定  28-29
    3.4.3 析出石墨量与药皮中碳化硅含量的关系  29-31
  3.5 合金元素对焊条工艺性能的影响  31-33
    3.5.1 SiC 含量对堆焊焊条焊接工艺性能的影响  31
    3.5.2 Fe 粉含量对堆焊焊条焊接工艺性能的影响  31-32
    3.5.3 Al 粉含量对堆焊焊条焊接工艺性能的影响  32
    3.5.4 Ni 粉含量对堆焊焊条焊接工艺性能的影响  32
    3.5.5 B_4C 含量对堆焊焊条焊接工艺性能的影响  32-33
  3.6 石墨化元素对C 原子石墨化进程的影响  33-34
    3.6.1 Si 元素对石墨化进程的影响.  33
    3.6.2 Al 元素对石墨化进程的影响  33
    3.6.3 Ni 元素对石墨化进程的影响  33-34
    3.6.4 铁基金属中渗碳体的石墨化  34
  3.7 本章小结  34-35
第四章堆焊涂层组织和性能研究  35-63
  4.1 石墨化元素及稀释率对堆焊涂层成型的影响  35-40
    4.1.5 稀释率及含碳量的计算方法  35-36
    4.1.6 Al 元素的加入量对堆焊涂层成型的影响  36-38
    4.1.7 石墨化元素对稀释率的影响  38-39
    4.1.8 析出粉末XRD 衍射分析.  39-40
    4.1.9 析出粉末扫描电镜分析  40
  4.2 冷却速度对石墨析出的影响  40-42
  4.3 各种元素对涂层组织形态的影响  42-48
    4.3.1 Al 对涂层组织形态的影响  42-44
    4.3.2 Ni 及Al、Ni 同时对涂层组织形态的影响  44-46
    4.3.3 B_4C 对涂层组织形态的影响  46-48
  4.4 堆焊层组织硬度测试  48-57
    4.4.1 20SiC 的硬度测试  48-50
    4.4.2 20SiC20Fe 的硬度测试  50-53
    4.4.3 20SiC15Al10Ni 硬度值分析  53-56
    4.4.4 其他配方焊缝硬度值分析  56-57
  4.5 冲击韧性试验  57-62
  4.6 本章小结  62-63
第五章堆焊涂层摩擦磨损性能研究  63-72
  5.1 引言  63
  5.2 堆焊涂层干摩擦磨损性能  63-67
    5.2.5 SiC-Fe 系列堆焊涂层干摩擦磨损性能  63-64
    5.2.6 SiC-Al 系列堆焊涂层干摩擦磨损性能  64-65
    5.2.7 SiC-Al-Ni 系列堆焊涂层干摩擦磨损性能  65-66
    5.2.8 SiC-B_4C-Fe 系列堆焊涂层干摩擦磨损性能.  66-67
  5.3 磨损面形貌分析  67-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章结论  72-73
参考文献  73-77
致谢  77

铁基石墨自润滑堆焊涂层材料研究

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