铜合金表面铸渗工艺及渗层性能的研究

论文摘要

铜具有很好的传导性以及较好的机械性能，因而铜合金是工业中不可缺少的金属材料。近几年来，铜价的大幅度攀升进一步提高了铜合金零部件的成本，大部分零部件的服役条件要求工件表面耐磨、耐高温、耐蚀等，因此表面改性是延长铜合金零部件使用寿命、降低其使用成本的有效途径。目前，铜合金的表面改性方法主要有：电镀、气相沉积、多元共渗（热处理法）等，采用这些方法得到的表面改性层或因残余应力过大而开裂、脱落，或改性层较薄达不到预期的改性效果等缺点。铸渗法表面改性可以解决这些问题，但迄今为止关于铸渗的研究仅限于在铸钢、铸铁的表面改性，铜及铜合金良好的导热性（铜合金的热导率是钢铁的5倍）使得在其表面形成渗层的条件极其苛刻。本文以铜合金为基体金属，采用负压铸渗技术制备了镍基合金、铁基合金以及镍／氧化铝三种铜合金表面铸渗层，研究了影响渗层形成以及渗层质量的工艺因素、渗层的组织以及性能。本文首先考察了各种工艺参数对铜合金表面铸渗层的形成以及渗层质量的影响。不同工艺参数的铸渗结果表明：影响渗层形成的因素较多，主要有负压度、浇注温度、粘结剂种类、铸件模数、预热温度、渗剂颗粒的粒度以及预制层的厚度等，其中影响渗层形成的主要因素有负压度、浇注温度以及渗剂颗粒的粒度，其它因素对于渗层的形成不起决定的作用，但对于改善渗层的质量以及增加渗层的厚度具有积极的促进作用。通过对镍基合金渗层的组织和性能的研究结果表明：从微观形貌看渗层可以分为三层，即表面烧结层（SSL）、冶金结合层（MFL）以及扩散固溶层（DSSL）；渗层的主要组成相为镍基固溶体、硬质相硼化物CrB、金属间化合物Cr3Ni2以及铜基固溶体，渗层的形成机制为完全熔化冶金熔合渗层形成机制；镍基合金渗层的表面宏观硬度为HRC 55.0左右，其显微硬度呈梯度变化；三点弯曲试验表明渗层与基体的结合强度远高于电镀层或化学镀层与基体的结合强度；以镍基合金粉末为渗剂得到渗层的抗高温氧化性能比基体提高了两倍以上；镍基合金渗层在800℃与室温冷水10℃的条件下的热疲劳性能好，热循环次数均在130次以上，表面有不同程度的氧化和少量的微裂纹，但渗层不会剥落。铁基合金粉末作为渗剂制备的渗层具有均一的结构特征，其组成为：未完全熔化的渗剂颗粒、渗剂颗粒表面熔化并熔合过程中生成的强化相以及固溶体；渗层的主要组成相为：镍铁、镍铬铁合金、低熔点的铝／硅共晶体、铜基固熔体等，未熔颗粒的组织主要为过共晶莱氏体以及碳化物；渗层的形成机制为部分熔化局部冶金熔合渗层形成机制；渗层的表面宏观硬度为HRC 55.0左右，其显微硬度呈梯度变化；表面有渗层的试样的弯曲强度与基体相比有不同程度的提高；以铁基合金粉末为渗剂得到的渗层的抗高温氧化性能与基体相比并无提高；铁基合金渗层在800℃与室温冷水10℃的条件下的热疲劳性能与镍基渗层相比有所下降，但热循环次数均在80次以上，表面有不同程度的氧化和大量网状的纵向微裂纹，进而在渗层与基体的界面结合处萌生水平裂纹。镍／氧化铝复合粉末为渗剂制备的渗层结构可分为两层：Ni／Al2O3复合渗层，与基体结合界面处的过渡层；渗层的主要组成相为：Al2O3颗粒、金属间化合物Ni31Si12、Ni3B，另外还有Ni-Cr-Fe合金，Ni（Cr）以及Ni（Cu）固溶体和铜基固溶体，渗层的形成机制为合金粉末熔化包覆不熔陶瓷颗粒的复合渗层形成机制；渗层的表面宏观硬度可达到HRC 65.0，其显微硬度呈梯度变化，不同氧化铝含量的表面渗层的最大显微硬度不同，但是其分布趋势类似；三点弯曲试验表明：渗层的破坏分两种情况，氧化铝含量小于等于20％的渗层的裂纹主要为纵向裂纹且已延伸至基体，而对于氧化铝含量高于30％的渗层的破坏为纵向裂纹加水平裂纹，纵向裂纹破坏至与基体的结合处便在裂纹末端萌生水平裂纹。以高炉风口和导卫作为应用的研究对象，进行了铜合金表面铸渗的初步应用研究。试验研究表明：浇注温度、预制层的涂挂工艺以及浇注系统是影响渗层形成以及渗层质量的主要因素。这为铜合金表面铸渗技术在其它零部件上的应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面改性的研究
• 1.2.1 水溶液沉积表面强化
• 1.2.1.1 电镀与电刷镀
• 1.2.1.2.化学镀
• 1.2.1.3 转化膜
• 1.2.2 气相沉积
• 1.2.3 表面粉末冶金强化技术
• 1.2.4 表面熔融强化技术
• 1.2.4.1 堆焊
• 1.2.4.2 热喷涂
• 1.2.4.3 高能束表面改性
• 1.2.5 铸造法表面改性研究
• 1.2.5.1 离心铸造法
• 1.2.5.2 无压铸渗法
• 1.2.5.3 负压铸渗法
• 1.3 表面复合材料的性能
• 1.3.1.表面硬度及表面改性材料层与基体的结合强度
• 1.3.2.表面工程材料的耐磨性
• 1.3.3.表面工程材料的耐热性能
• 1.3.4.表面工程材料的耐蚀性能
• 1.4 铜合金表面改性研究现状
• 1.4.1 多元共渗表面处理铜渣口
• 1.4.2.辉光放电表面渗硫处理
• 1.4.3 高炉风口等离子喷涂
• 1.4.4 自蔓延高温合成陶瓷内衬复合铜管
• 1.5 本课题的目的、意义及内容
• 1.5.1 本课题研究的目的及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 本研究的创新之处
• 第二章 铜合金表面铸渗的制备工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料的选择
• 2.2.1 基体金属的选择
• 2.2.2 铸渗剂的选择
• 2.2.2.1 铸渗剂的选择原则
• 2.2.2.2 铸渗剂的选择
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 预制层的制备
• 2.3.2 合金熔炼
• 2.3.3 铸渗工艺
• 2.3.3.1 造型
• 2.3.3.2 膏块厚度
• 2.3.3.3 铸模的烘烧温度
• 2.3.3.4 浇注温度
• 2.3.3.5 铸型和涂敷层的预热
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 是否采用负压铸渗对铸渗效果的影响
• 2.4.2 粘结剂对铸渗的影响
• 2.4.3 铸件模数对铸渗的影响
• 2.4.4 负压度对铸渗的影响
• 2.4.5 浇注温度对铸渗的影响
• 2.4.6 预热温度对铸渗的影响
• 2.4.7 渗剂的颗粒度对铸渗的影响
• 2.4.8 预制层的厚度对铸渗的影响
• 2.5 小结
• 第三章 铜合金表面镍基渗层的组织与性能
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 试样制备
• 3.2.2 微观组织的表征
• 3.2.3 性能测试
• 3.2.3.1 硬度与弯曲
• 3.2.3.2 热疲劳
• 3.2.3.3 高温氧化
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 微观组织与成分分析
• 3.3.2 表面渗层的硬度
• 3.3.2.1 表面宏观硬度
• 3.3.2.2 显微硬度
• 3.3.3 表面复合渗层的弯曲性能
• 3.3.4 表面渗层的高温性能
• 3.3.4.1 高温氧化性能
• 3.3.4.2 热疲劳性能
• 3.4 小结
• 第四章 铜合金表面铁基渗层的组织与性能
• 4.1 引言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 试样制备
• 4.2.2 微观组织的表征
• 4.2.3 性能测试
• 4.2.3.1 硬度与弯曲
• 4.2.3.2 热疲劳
• 4.2.3.3 高温氧化
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 微观组织与成分分析
• 4.3.2 表面渗层的硬度
• 4.3.2.1 表面宏观硬度
• 4.3.2.2 显微硬度
• 4.3.3 表面渗层的弯曲性能
• 4.3.4 表面渗层的高温性能
• 4.3.4.1 高温氧化性能
• 4.3.4.2 热疲劳性能
• 4.4 小结
• 2O₃复合渗层的组织与性能'>第五章 铜合金表面NI/AL₂O₃复合渗层的组织与性能
• 5.1 引言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 试样制备
• 5.2.2 微观组织的表征
• 5.2.3 性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 微观组织与成分分析
• 5.3.2 表面复合渗层的硬度
• 5.3.2.1 表面宏观硬度
• 5.3.2.2 显微硬度
• 5.3.3 表面复合渗层的弯曲性能
• 5.4 小结
• 第六章 铜合金表面渗层的形成机制浅析
• 6.1 前言
• 6.2 铸渗过程中液态金属传输过程分析
• 6.3 渗层形成过程
• 6.3.1 渗层形成过程中的三种情况
• 6.3.2 渗层形成机制浅析
• 6.4 小结
• 第七章 铜合金表面铸渗技术在高炉风口上应用的初步研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验研究部分
• 7.3 实验结果分析
• 7.3.1 浇注温度的影响
• 7.3.2 预制层的涂挂工艺研究
• 7.3.3 浇注系统的影响
• 7.3.4 完整渗层制备的工艺试验研究
• 7.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及研究成果目录