灰铸铁和球墨铸铁等离子束与激光束表面强化研究

摘要

灰铸铁和球墨铸铁以其低廉的成本，优异的铸造性，良好的切削加工性、耐磨性、吸震性等优良性能，在工业中获得广泛的应用。灰铸铁和球墨铸铁是由石墨相镶嵌在铁基体中组成，造成基体强度不连续。在腐蚀介质中，石墨相与铁基体之间形成电偶，造成留碳腐蚀。这些容易导致其早期失效，因此必须去除灰铸铁和球墨铸铁表面的石墨相。
　　目前对灰铸铁和球墨铸铁表面改性的手段有表面相变硬化、表面熔凝、表面合金化以及表面熔覆。表面相变硬化因不能去除石墨相，表面改性效果受限。本文旨在利用等离子束和激光束对灰铸铁和球墨铸铁进行熔凝处理以及合金化处理去除铸铁表面的石墨相，达到强化的目的。熔凝和合金化处理获得的改性层深不够大，并且合金化的本质是一种高稀释率的熔覆，因此，讨论了在灰铸铁和球墨铸铁表面激光熔覆Ni60+10％Co的效果。
　　石墨形状影响改性层深。在相同的工艺参数下，灰铸铁表面的等离子束改性层深小于球墨铸铁表面的等离子束改性层深。灰铸铁主要依靠片状石墨导热，使其导热率较高，基体导走大部分热量，形成熔池的热量少，熔深浅，快速冷却后改性层深小；石墨为球状的球墨铸铁主要依靠铁基体导热，导热率相对来说较低，可以吸收更多的热量来形成熔池，增加熔深，使快速冷却后的改性层深较大。
　　等离子束和激光束的快速加热，基体的快速冷却，导致在灰铸铁和球墨铸铁表面进行熔凝和合金化处理都可以去除其表面的石墨相，获得组织均匀、晶粒细小的改性层，与基体冶金结合。细晶强化、固溶强化使熔凝层的硬度提高，硬质相渗碳体、马氏体与软质相奥氏体等的综合作用，使熔凝层既能抗磨料磨损，又能抗粘着磨损；熔凝层的奥氏体相，是一种很好的缓蚀剂。熔凝层细小的晶粒导致高比例晶界的存在，增加了电化学反应的界面阻力，表现为阻抗环直径远大于基体的，还可以缩小枝晶间的电极电位，减缓腐蚀速率。合金化层不仅具有熔凝层的特征，并且合金化过程因为合金颗粒的熔入，生成多种碳化物，形核质点增多，晶粒细化的效果更好，显微组织更加致密，并且还有奥氏体的稳定元素N i、Cr等。这些使合金化层的硬度、耐磨性和耐蚀性优于熔凝层的。
　　总体来说，激光束的改性效果是优于等离子束的改性效果的。综合考虑改性层性能及改性成本，灰铸铁更适合于激光束熔凝处理，球墨铸铁的等离子束合金化处理较佳。
　　灰铸铁和球墨铸铁表面的激光熔覆层显微结构是树枝状的共晶组织，两种基体表面熔覆层的硬度在1050HV0.1左右。极化曲线上有明显的钝化区域，并且阻抗谱是单容抗环，容抗环的直径远大于基体容抗环的直径，说明电化学反应界面阻力大。熔覆层的耐蚀性因为其超细的晶粒尺寸、以及缓蚀剂奥氏体的大量存在而提高。Ni、Cr、Co等元素的存在，在熔覆层表面形成致密的氧化膜而阻止腐蚀介质的渗入而产生腐蚀。耐磨性相对于基体来说分别提高4倍和5倍。回火对熔覆层的硬度、耐磨性影响不大，但是阻抗值急剧增大，这应该是回火后残余应力下降，弥散相的析出，使显微结构更加致密，导致阻抗明显增大。

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1 绪论

1.1灰铸铁和球墨铸铁的简介及失效形式

1.2灰铸铁和球墨铸铁常用的表面强化改性技术

1.3等离子束表面熔凝和表面合金化技术

1.4激光表面改性技术

1.5 本文研究的目的和内容

2. 等离子束熔凝和合金化处理灰铸铁和球墨铸铁的基本特征

2.1前言

2.2 试验材料与设备

2.3等离子束表面熔凝和合金化处理的工艺参数

2.4 分析方法及设备

2.5 等离子束表面熔凝层和合金化层的层深

2.6 等离子束熔凝层和合金化层的硬度分析

2.7 等离子束熔凝层和合金化层的表面粗糙度

2.8 本章小结

3. 灰铸铁和球墨铸铁的等离子束表面改性层的组织特征

3.1引言

3.2试验材料与方法

3.3等离子束熔凝层和合金层的特征

3.4等离子束熔凝层和合金化层的物相分析

3.5等离子束熔凝层和合金化层的截面硬度分布

3.6 等离子束表面熔凝层和合金化层的强化机理

3.7本章小结

4 灰铸铁和球墨铸铁等离子束表面改性层腐蚀特性分析

4.1前言

4.2 腐蚀试验

4.3灰铸铁等离子束表面改性层的腐蚀特性

4.4球墨铸铁等离子束表面改性层的腐蚀特性

4.5 灰铸铁和球墨铸铁等离子束表面改性层耐蚀性提高的机理

4.6 本章小结

5 灰铸铁和球墨铸铁等离子束表面改性层的磨损特性

5.1 前言

5.2 磨损试验

5.3灰铸铁和球墨铸铁等离子束改性层的磨损结果

5.4灰铸铁和球墨铸铁等离子束表面改性层的磨损机理

5.5本章小结

6 灰铸铁和球墨铸铁激光表面熔凝和合金化强化

6.1前言

6.2 试验材料与方法

6.3灰铸铁和球墨铸铁激光束表面熔凝处理

6.4 灰铸铁和球墨铸铁表面激光合金化处理

6.5 激光束熔凝层和合金化层的晶粒尺寸

6.6激光束熔凝层和合金化层的磨损特性

6.7激光束熔凝层和合金化层的腐蚀特性

6.8 激光表面改性层与等离子束表面改性层比较

6.9 本章小结

7 灰铸铁和球墨铸铁表面激光熔覆Ni60-Co涂层的研究

7.1 前言

7.2 熔覆用Ni60+10%Co粉末简介

7.3激光熔覆的工艺

7.4分析方法

7.5激光熔覆工艺参数的优化

7.6激光熔覆层的截面显微结构

7.7激光熔覆层的成分及物相分析

7.8 激光熔覆层的硬度及磨损特性分析

7.9 激光熔覆层腐蚀特性分析

7.10 本章小结

8 总结与展望

8.1 本文的主要工作和结论

8.2创新点

8.3工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录