热喷涂高铝青铜复合涂层制备及强化机制的研究

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铸造高铝青铜合金具有高强度、高硬度以及良好的耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能,生产应用中常用氧乙炔火焰喷涂技术制备高铝青铜涂层,用来修复或制造表面易磨损零件,比如齿轮、轴类零件以及不锈钢模具。由于铝的熔点(660.32℃)很低,高铝青铜合金粉体的Al元素在热喷涂过程中烧损严重,而 Al元素又是作为铝青铜合金中重要的强化元素,因此热喷涂制备的高铝青铜涂层强化相减少,涂层的性能远不如铸造高铝青铜合金的性能。提高热喷涂高铝青铜涂层的性能将使高铝青铜合金的应用领域更加广泛。  由于Ni60自熔性合金中具有许多硬化相,因此,本文中往高铝青铜合金粉末中添加适量Ni60自熔性合金粉末,充分混合后得到复合高铝青铜粉体。再用氧乙炔火焰喷涂技术在45钢表面喷涂制备复合高铝青铜涂层,以期通过过剩相强化的方法来增加涂层的强度、硬度和耐摩擦磨损性能。并对涂层进行固溶处理和时效处理,探讨不同固溶温度、时效温度、时效时间对不同成分的复合高铝青铜涂层的组织与性能的影响,确定出最佳成分和最佳热处理工艺参数。用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、背散射电子(BS E)、能谱仪(EDS)对涂层的组织形貌、物相、成分及其分布进行观测分析;涂层的硬度及摩擦磨损性能分别用维氏硬度计和摩擦磨损仪测量。实验主要研究结果如下:  (1)Ni60自熔性合金粉体的加入使得复合高铝青铜涂层新增了许多硬化相,弥补了高铝青铜涂层硬化相不足的缺点。随着Ni60自熔性合金粉体的添加,涂层的强度和硬度增大,耐磨损性能提高。其中,Cu-15Al-15Ni(每100g铝青铜合金粉体中添加15gN i60合金粉体)复合高铝青铜涂层的综合性能最佳,涂层的显微硬度为221.6 HV,摩擦因数为0.162,磨损体积为0.0157 mm3。涂层的强化机制主要是固溶强化和过剩相强化。  (2)不同温度下对复合高铝青铜涂层进行固溶处理,涂层中的硬化相(γ2相和K相)在高温条件下发生溶解,随着固溶温度的升高,硬化相的溶解量增加,同时,涂层的晶粒变粗大。固溶处理后涂层的主要物相为过饱和α相、β,相和α-Ni相以及少量的硬化相(AlN i3、AlFe、Al65Cu20Fe15、Ni2.9Cr0.7Fe0.36、Cr23C6)。Cu-15Al-5Ni、Cu-15Al-10Ni、Cu-15Al-15N i涂层在温度为900℃固溶处理后的强化效果最佳,这三种涂层的显微硬度分别为196.2HV、220 HV、228.7 HV,涂层的强化机制主要为固溶强化。  (3)涂层进行时效处理后,复合高铝青铜涂层中的过饱和固溶体β′相(C u3Al)和α相(α-Cu)析出γ2相(Cu9Al4)和 K相,析出的硬化相颗粒细小且在涂层中弥散分布。随着时效温度的升高,涂层显微硬度的变化为先增大,后减小。随着时效时间的延长,涂层显微硬度也是先增大后减小。Cu-15Al-15Ni复合高铝青铜涂层进行500℃时效处理4h后,涂层强化作用最明显,显微硬度达到294.4 HV,涂层的强化机制主要是弥散强化。  (4)在相同的摩擦条件下,经过“900℃固溶处理30min+500℃时效处理4h”热处理后的 C u-15Al-15N i复合高铝青铜涂层的摩擦磨损性能最佳(涂层的摩擦因数为0.172,磨损体积为0.0058mm3),涂层的磨损机制为轻微的磨粒磨损。
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