工业纯铜表面Ni基激光合金化层微观组织与性能研究

发布时间：2020-05-09 16:31

【摘要】：工业纯铜因其优良的导电性、导热性和良好的机械加工性能,在冶金行业、电气行业、军工行业、海洋设备等诸多领域被广泛应用,但其表面硬度低、耐磨性差,限制了铜质工件的应用领域,常因局部破损缩短其使用寿命,造成铜资源的浪费。相比钢铁、钛合金等材料,纯铜导热系数大、对激光的反射率极高,这使得纯铜表面制备高质量的合金化层存在多方面的困难和问题。现阶段,科研工作者正从高能激光器的改进、合金化材料体系的设计和工艺参数优化等多方面进行研究。本论文中,采用激光合金化技术,在工业纯铜表面制备Ni60A、Ni60A-x wt.%Ti(x=10,20,30)合金化层,分析比较激光功率、扫描速度对合金化层组织、硬度及耐磨性、耐蚀性的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)对合金化层的微观组织、物相组成、成分组成进行测试,使用显微硬度仪、摩擦磨损试验机及电化学工作站对合金化层和纯铜基体的显微硬度、磨损失重、腐蚀电流密度进行测定,表征其耐磨性能和耐蚀性能。研究表明,Ni60A合金化层主要包含γ-Ni、Cr23C6、Cr2Ni3、B2Fe3Ni3、Cu0.81Ni0.19等多种物相,其典型组织为合金化层基体上分布着较多的不规则块状组织,其间析出树枝晶、颗粒状组织,并随着激光功率和扫描速度的增大致密度提高,组织枝晶化趋势明显。激光功率P=5.OkW、扫描速度v=600mm/min时,Ni60A合金化层组织致密均匀,最高硬度平均值高达1179.2HV02,是纯铜基体硬度的19倍左右,且其磨损失重远低于纯铜基体,发生粘着磨损;电化学腐蚀结果表明,表面均匀发生点蚀现象,其腐蚀电流密度值低于纯铜基体,在一定程度上提高整体的耐蚀性能。但在研究过程中发现,由于纯铜基体导热快、对激光反射率大等问题,Ni60A合金化层于纯铜基体的界面为平直状态,硬度分布曲线在界面处骤降,在一定程度上说明于基体冶金结合程度较低,故在Ni60A粉末中加入一定量的纯Ti粉末研究其影响。实验表明Ni60A-xwt.%Ti(x=10,20,30)合金化层与纯铜基体之间的界面下凹,纯铜基体表层熔化较多,参与到熔池反应,合金化层与纯铜基体实现更好的冶金结合。]Ni60A-xTi合金化层包含更多种类的物相,如NiTi、Ni2Ti、Ni3Ti、TiCr2、TiC等化合物,这些化合物的析出和弥散分布,进一步提高了合金化层的硬度和耐磨性,且Ni-Ti、Ni-Cr等金属间化合物具有耐蚀性,能够提高合金化层的耐蚀性。在大量实验基础上,研究发现,Ni60A-1OTi、Ni60A-20Ti、Ni60A-30Ti试样在扫描速度v=500mm/min时合金化层质量最好。激光功率较小时,由于合金化材料熔化不充分,形成大面积的某种元素如Ti、Cr等富集区;激光功率过大时,熔池内部对流现象剧烈,组织混乱、无序无向,均匀性变差。最优工艺参数下,Ni60A-1OTi合金化层基体上均匀分布着胞状晶,上部有层片状组织形成,下部密集析出颗粒状组织;Ni60A-20Ti和Ni60A-30Ti组织形貌相近,合金化层基体上形成片状组织,交错分布着少量针状组织,其间析出花簇状组织,观察发现该组织由颗粒状析出物聚集排列而成,组织整体均匀、致密。随着Ti含量的增多,合金化层的硬度和耐磨性随之提高,Ni60A-30Ti硬度平均值为1305.1HV0.2,相比纯铜基体及提高约21倍;磨损失重量远低于纯铜基体,摩擦系数稳定在～0.33,划痕浅且残留少量微小磨屑,表面发生轻微磨粒磨损和粘着磨损。综合分析,知Ni60A-xwt.%合金化层硬化机制包括固溶强化、析出强化和弥散强化,其中析出强化和弥散强化的效果更为显著。实验结果表明,并非所有Ni60A-xwt.%Ti合金化层腐蚀电流密度值都低于纯铜基体,由于工艺参数选择不当造成合金化层组织不均匀,存在气孔、微裂纹等缺陷,在合金化层内部由于电势差形成微电池,增大腐蚀电流密度,加速腐蚀。组织致密、均匀性好的合金化层在电化学腐蚀过程中,表面均匀发生点蚀,残留含Ni、Ti、Cr等元素含量的较高的针状或短棒状组织,说明NiTi、TiCr2等化合物为耐蚀相,针状或短棒状组织为耐蚀性组织。如P=5.0kW、v=500mm/min时,Ni60A-20Ti合金化层腐蚀电流密度为0.0395A·cm-2,低于纯铜基体,说明其比纯铜基体腐蚀速率更低。此外,合金化层的腐蚀电位普遍低于纯铜基体,这由合金化层自身的性质所决定,能够在腐蚀条件下作为阳极保护保护纯铜基体。由于纯金属粉末流动差,Ni60A-x wt.%Ti混合粉末熔体的流动性会受影响,对工艺参数有更严格的要求。实验结果表明选择适当的工艺参数,在Ni60A粉末中混入一定量的纯Ti粉末时会促进熔池反应的进行,纯铜基体表层熔化较多,参与到熔池反应,并生成多种物相,进一步提高合金化层硬度、耐磨性和耐蚀性,改善合金化层与纯铜基体之间的结合状况。
【图文】：

形貌,纳米,形貌,电镀层

米Ｚｒ０２添加量对镀层质量的影响，在最优工艺参数条件下制得了表面平整无凹逡逑陷、组织结构致密、纳米粒子分布均匀的电镀层，其耐磨性是纯镍镀层的２倍。逡逑如图１－１为其电镀层ＳＥＭ形貌。逡逑１１１１逡逑图１－１纳米Ｎｉ－Ｚｒ０２复合电镀层的ＳＥＭ形貌图：（ａ）５００Ｘ；邋（ｂ）２０００Ｘ［１７］逡逑Ｆｉｇ．邋Ｍ邋Ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋Ｎｉ－Ｚｒ0２邋ｎａｎｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｃｏａｔｉｎｇ：（ａ）５００Ｘ；邋（ｂ）２０００Ｘ［１７】逡逑铝青铜在船舶、海洋设备上应用良多，因受海水冲刷侵蚀易发生工件失效现逡逑象。张兵［１８］等采用酸性镍磷合金镀液，在镍铝青铜的表面成功制备Ｎｉ－Ｐ合金镀逡逑层，提高了耐海水腐蚀性能和硬度，，并明显改善了力学性能。李海涛［１９］等在高锰逡逑铝青铜表面化学镀制备Ｎｉ－Ｐ非晶态镀层，如图１－２所示。其自腐蚀电位略低于逡逑铜基体，由图１－３可知Ｍ－Ｐ镀层阳极极化率更高，其耐蚀性优于铜合金。逡逑２逡逑

形貌,形貌,化学热处理,化学镀

通过电镀和化学镀得到的镀层虽具有表面连续均匀、结构致密等优点，但镀逡逑层与基体之间为机械结合，结合性能较差，易脱落，镀层寿命较短。此外，电镀逡逑和化学镀会产生有毒的废液，污染环境。基于上述不足，传统的电镀和化学镀技逡逑术还有很多方面需要改进和突破。逡逑１．２．２化学热处理逡逑化学热处理具有工件变形小、抗回火能力强、工艺过程较短、较为节约气体逡逑和能量等优点，在工业制造中应用广泛。随着更高性能加热炉的研发及工艺控制逡逑过程智能化的发展，在传统较为单一的渗碳、渗氮技术的基础上，出现了等离子逡逑渗碳、等离子渗氮、加压渗氮等新型化学热处理技术，从最初的二元碳氮共渗发逡逑展到多元共渗，如ＡＩ－Ｍｎ－Ｃｒ－Ｆｅ－ＲＥ多元共渗［２（）］，以适应更多工业生产要求ｔ７１。逡逑此外，化学热处理在近些年所用的渗入原料也更加多样化，如渗Ａ１、渗ＡＩ２０３［２ｉ］、逡逑［２２］－
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.445

【参考文献】