高效连铸结晶器铜材表面涂层制备、性能表征及其机理研究
发布时间：2021-07-08 12:33
钢铁行业在国民经济中占有举足轻重的作用,在该领域里,连铸工艺因流程短效率高的特点被广泛应用,其生产效率和可靠性直接决定钢铁冶金的质量和产量。结晶器是连铸机的关键部件,运用于结晶器中的铜合金内套质量和使用寿命直接影响着铸坯的质量、产量和生产效率。由于结晶器内套长期与钢液直接接触,服役条件苛刻,导致其成为水平连铸生产线上关键的易耗件,随着钢铁冶金的需求逐年递增,结晶器内套的使用量和报废量也逐年增加,每年国内冶金行业铜结晶器的消耗在20亿元以上。因此,选择合理高效的表面处理技术,对结晶器铜合金内套材料进行表面改性,提高其耐高温钢液侵蚀、高温摩擦磨损等性能,不仅可以提高铜合金内套的使用寿命保证生产可靠性,还能降低生产成本,节约资源,满足国民经济的可持续发展。本文选择了耐蚀、耐疲劳、导热性良好的CuCo2Be合金作为结晶器内套的基体材料,并对其进行热处理；合理设计了多涂层结构,选用高温耐磨的Cr3C2-NiCr作为工作层,NiAl为打底层,来提高界面结合强度,以及过渡工作层与基体材料热膨胀系数差异；运用等离子喷涂技术,在基体试样表面分别制备了厚度大于0.3mm的Cr3C2-NiCr涂层、NiAl...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 选题意义
1.1.1 水平连铸技术
1.1.2 水平连铸结晶器
1.1.3 水平连铸结晶器用铜合金的发展
1.1.4 常用结晶器铜套在生产使用过程的失效
1.2 结晶器铜材表面改性技术研究现状
1.2.1 电镀法在结晶器铜合金上的应用
1.2.2 热喷涂法在结晶器表面改性中的应用
1.3 等离子喷涂技术发展简介
1.3.1 等离子喷涂设备及工作原理
1.3.2 等离子喷涂工艺简介
1.3.3 涂层设计时需选择的喷涂参数
1.3.4 涂层设计的基本原理
1.4 涂层的抗热震性能
1.4.1 涂层抗热震性能
1.4.2 涂层抗热震性的理论分析
1.5 摩擦原理和磨损的分类
1.6 本课题的主要研究目标
第二章 主要试验内容及试验方法
2.1 引言
2.2 基体材料的选择
2.3 基体材料的制备及热处理工艺
2.4 涂层结构的设计原则
2.5 涂层材料的优选
2.6 等离子喷涂工艺优化
2.6.1 等离子喷涂的工艺流程
2.6.2 Cr_3C_2-NiCr、NiAl、Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层等离子喷涂工艺优化设计
2.7 涂层力学性能试验
2.8 等离子喷涂涂层抗热震性能试验
2.9 等离子喷涂Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损试验
2.10 涂层微观结构,形成机理及界面研究
2.11 试验用主要设备
第三章 基体铜合金的热处理与涂层结构设计
3.1 基体合金的铸态、锻态组织与性能
3.2 基体合金的固溶处理
3.3 基体合金的时效处理
3.3.1 基体铜合金的时效温度选择
3.3.2 基体铜合金时效时间的选择
3.3.3 不同时效温度处理后铜合金的金相组织分析
3.3.4 不同时效时间处理后铜合金的金相组织分析
3.3.5 基体合金高温软化性能
3.4 涂层结构设计结果
3.5 本章小结
第四章 三种涂层的制备及喷涂工艺优化
4.1 引言
4.2 等离子喷涂制备Cr_3C_2-NiCr涂层及工艺优化
4.2.1 Cr_3C_2-NiCr涂层等离子喷涂工艺优化结果
4.2.2 优化参数对结合强度的影响
4.2.3 Cr_3C_2-NiCr涂层微观组织结构分析
4.3 等离子喷涂制备NiAl粘结涂层及工艺优化
4.3.1 NiAl粘结涂层喷涂工艺优化结果分析
4.3.2 喷涂参数对结合强度的影响
4.3.3 Ni/Al涂层微观组织结构分析
4.4 等离子喷涂制备Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层及工艺优化
4.4.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层等离子喷涂工艺优化结果分析
4.4.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层优化工艺参数对结合强度的影响
4.4.3 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层微观组织结构分析
4.4.4 不同喷涂工艺下制备的复合涂层微观组织分析
4.4.5 不同喷涂工艺制备的复合涂层显微硬度结果与分析
4.5 本章小结
第五章 涂层形成机理及界面扩散研究
5.1 引言
5.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层的形成机理
5.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层及界面微观组织结构分析
5.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层中不同显微组织成分分析
5.2.3 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层成分EDS线扫描
5.2.4 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层不同层深处的物相组成分析
5.3 NiAl涂层的物相组成及其形成机理研究
5.3.1 镍包铝粉末DTA测试分析
5.3.2 NiAl涂层微观组织形貌及成分
5.3.3 镍铝涂层的界面行为研究
5.3.4 NiAl涂层不同层深处的XRD物相分析
5.4 Cr_3C_2-NiCr涂层的物相组成及其形成机理研究
5.4.1 Cr_3C_2-NiCr涂层组织形貌及成分分析
5.4.2 Cr_3C_2-NiCr涂层界面行为分析
5.4.3 Cr_3C_2-NiCr涂层不同层深处XRD物相分析
5.5 本章小结
第六章 三种涂层抗热震性能研究
6.1 引言
6.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层抗热震性能试验
6.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层抗热震性能试验结果
6.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层热震失效过程宏观形貌分析
6.2.3 不同温度Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层热震失效机制分析
6.3 Cr_3C_2-NiCr涂层的抗热震性能试验
6.3.1 Cr_3C_2-NiCr涂层抗热震性能性能测试结果
6.3.2 Cr_3C_2-NiCr涂层热震失效过程宏观形貌分析
6.3.3 不同温度Cr_3C_2-NiCr涂层热震失效机制分析
6.4 Ni/Al涂层热震试验结果
6.5 本章小结
第七章 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层摩擦磨损试验
7.1 等离子喷涂工艺参数对Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损性能的影响
7.1.1 喷涂工艺参数对Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层耐磨性的影响
7.1.2 热喷涂工艺正交试验下制备的涂层摩擦磨损试验后的形貌及失效分析
7.1.3 热喷涂工艺正交试验下制备的涂层摩擦磨损试验后摩擦性能分析
7.2 最佳喷涂工艺下制备的Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损性能
7.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损前的微观形貌
7.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层磨损前外表面的XRD分析
7.2.3 500℃基体及复合涂层高温摩擦磨损性能的分析
7.2.4 300℃、室温时复合涂层摩擦磨损性能的分析
7.3 本章小结
第八章 主要结论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表或录用的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速电弧喷涂FeAlCr涂层的组织与耐磨性研究[J]. 田浩亮,魏世丞,陈永雄,童辉,刘毅,徐滨士. 稀有金属材料与工程. 2014(01)
[2]纳米Al2O3-13%TiO2粉末及其等离子喷涂涂层的相变（英文）[J]. 路学成,阎殿然,杨勇,董艳春,何继宁,张建新. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013(10)
[3]超音速火焰喷涂CoCrW涂层的磨损特性[J]. 杨中元,李学锋,张彬,付东兴. 热喷涂技术. 2012(04)
[4]铜合金熔铸设备技术要点探讨(续)[J]. 杜志科,胡兆奇,王家峰. 有色金属加工. 2012(05)
[5]温度对TC4钛合金磨损性能和摩擦系数的影响[J]. 姚小飞,谢发勤,韩勇,赵国仙,吴向清. 稀有金属材料与工程. 2012(08)
[6]连铸结晶器铜板表面处理关键技术的研究与应用[J]. 侯峰岩,吕春雷. 表面技术. 2012(04)
[7]激光熔覆技术在机械修复中的应用[J]. 张建军. 自动化与仪器仪表. 2011(05)
[8]水平连铸结晶器铜合金内套表面强化工艺及性能研究[J]. 洪昌,朱才进,谢春生,肖鸿光. 热加工工艺. 2011(14)
[9]纳米颗粒增强NiCoCrAlY熔覆涂层的高温摩擦磨损行为（英文）[J]. 王宏宇,左敦稳,王明娣,孙桂芳,缪宏,孙玉利. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(06)
[10]激光重熔NiCrAlY涂层研究[J]. 郭永利,祝超,卢学刚,梁工英,董菲. 化学工程. 2011(02)
硕士论文
[1]水平连铸结晶器铜合金内套的表面强化及组织与性能研究[D]. 花思明.江苏科技大学 2012
[2]水平连铸结晶器铜合金内套组织与性能研究[D]. 洪昌.江苏科技大学 2011
[3]结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬—碳化铬涂层的研究[D]. 刘雪飘.江苏科技大学 2011
[4]等离子喷涂涂层的工艺、组织与性能研究[D]. 李行志.武汉科技大学 2004
本文编号：3271576
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 选题意义
1.1.1 水平连铸技术
1.1.2 水平连铸结晶器
1.1.3 水平连铸结晶器用铜合金的发展
1.1.4 常用结晶器铜套在生产使用过程的失效
1.2 结晶器铜材表面改性技术研究现状
1.2.1 电镀法在结晶器铜合金上的应用
1.2.2 热喷涂法在结晶器表面改性中的应用
1.3 等离子喷涂技术发展简介
1.3.1 等离子喷涂设备及工作原理
1.3.2 等离子喷涂工艺简介
1.3.3 涂层设计时需选择的喷涂参数
1.3.4 涂层设计的基本原理
1.4 涂层的抗热震性能
1.4.1 涂层抗热震性能
1.4.2 涂层抗热震性的理论分析
1.5 摩擦原理和磨损的分类
1.6 本课题的主要研究目标
第二章 主要试验内容及试验方法
2.1 引言
2.2 基体材料的选择
2.3 基体材料的制备及热处理工艺
2.4 涂层结构的设计原则
2.5 涂层材料的优选
2.6 等离子喷涂工艺优化
2.6.1 等离子喷涂的工艺流程
2.6.2 Cr_3C_2-NiCr、NiAl、Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层等离子喷涂工艺优化设计
2.7 涂层力学性能试验
2.8 等离子喷涂涂层抗热震性能试验
2.9 等离子喷涂Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损试验
2.10 涂层微观结构,形成机理及界面研究
2.11 试验用主要设备
第三章 基体铜合金的热处理与涂层结构设计
3.1 基体合金的铸态、锻态组织与性能
3.2 基体合金的固溶处理
3.3 基体合金的时效处理
3.3.1 基体铜合金的时效温度选择
3.3.2 基体铜合金时效时间的选择
3.3.3 不同时效温度处理后铜合金的金相组织分析
3.3.4 不同时效时间处理后铜合金的金相组织分析
3.3.5 基体合金高温软化性能
3.4 涂层结构设计结果
3.5 本章小结
第四章 三种涂层的制备及喷涂工艺优化
4.1 引言
4.2 等离子喷涂制备Cr_3C_2-NiCr涂层及工艺优化
4.2.1 Cr_3C_2-NiCr涂层等离子喷涂工艺优化结果
4.2.2 优化参数对结合强度的影响
4.2.3 Cr_3C_2-NiCr涂层微观组织结构分析
4.3 等离子喷涂制备NiAl粘结涂层及工艺优化
4.3.1 NiAl粘结涂层喷涂工艺优化结果分析
4.3.2 喷涂参数对结合强度的影响
4.3.3 Ni/Al涂层微观组织结构分析
4.4 等离子喷涂制备Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层及工艺优化
4.4.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层等离子喷涂工艺优化结果分析
4.4.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层优化工艺参数对结合强度的影响
4.4.3 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层微观组织结构分析
4.4.4 不同喷涂工艺下制备的复合涂层微观组织分析
4.4.5 不同喷涂工艺制备的复合涂层显微硬度结果与分析
4.5 本章小结
第五章 涂层形成机理及界面扩散研究
5.1 引言
5.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层的形成机理
5.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层及界面微观组织结构分析
5.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层中不同显微组织成分分析
5.2.3 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层成分EDS线扫描
5.2.4 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层不同层深处的物相组成分析
5.3 NiAl涂层的物相组成及其形成机理研究
5.3.1 镍包铝粉末DTA测试分析
5.3.2 NiAl涂层微观组织形貌及成分
5.3.3 镍铝涂层的界面行为研究
5.3.4 NiAl涂层不同层深处的XRD物相分析
5.4 Cr_3C_2-NiCr涂层的物相组成及其形成机理研究
5.4.1 Cr_3C_2-NiCr涂层组织形貌及成分分析
5.4.2 Cr_3C_2-NiCr涂层界面行为分析
5.4.3 Cr_3C_2-NiCr涂层不同层深处XRD物相分析
5.5 本章小结
第六章 三种涂层抗热震性能研究
6.1 引言
6.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层抗热震性能试验
6.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层抗热震性能试验结果
6.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层热震失效过程宏观形貌分析
6.2.3 不同温度Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层热震失效机制分析
6.3 Cr_3C_2-NiCr涂层的抗热震性能试验
6.3.1 Cr_3C_2-NiCr涂层抗热震性能性能测试结果
6.3.2 Cr_3C_2-NiCr涂层热震失效过程宏观形貌分析
6.3.3 不同温度Cr_3C_2-NiCr涂层热震失效机制分析
6.4 Ni/Al涂层热震试验结果
6.5 本章小结
第七章 Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层摩擦磨损试验
7.1 等离子喷涂工艺参数对Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损性能的影响
7.1.1 喷涂工艺参数对Cr_3C_2-NiCr/NiAl复合涂层耐磨性的影响
7.1.2 热喷涂工艺正交试验下制备的涂层摩擦磨损试验后的形貌及失效分析
7.1.3 热喷涂工艺正交试验下制备的涂层摩擦磨损试验后摩擦性能分析
7.2 最佳喷涂工艺下制备的Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损性能
7.2.1 Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层摩擦磨损前的微观形貌
7.2.2 Cr_3C_2-NiCr/NiAl涂层磨损前外表面的XRD分析
7.2.3 500℃基体及复合涂层高温摩擦磨损性能的分析
7.2.4 300℃、室温时复合涂层摩擦磨损性能的分析
7.3 本章小结
第八章 主要结论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表或录用的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速电弧喷涂FeAlCr涂层的组织与耐磨性研究[J]. 田浩亮,魏世丞,陈永雄,童辉,刘毅,徐滨士. 稀有金属材料与工程. 2014(01)
[2]纳米Al2O3-13%TiO2粉末及其等离子喷涂涂层的相变（英文）[J]. 路学成,阎殿然,杨勇,董艳春,何继宁,张建新. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013(10)
[3]超音速火焰喷涂CoCrW涂层的磨损特性[J]. 杨中元,李学锋,张彬,付东兴. 热喷涂技术. 2012(04)
[4]铜合金熔铸设备技术要点探讨(续)[J]. 杜志科,胡兆奇,王家峰. 有色金属加工. 2012(05)
[5]温度对TC4钛合金磨损性能和摩擦系数的影响[J]. 姚小飞,谢发勤,韩勇,赵国仙,吴向清. 稀有金属材料与工程. 2012(08)
[6]连铸结晶器铜板表面处理关键技术的研究与应用[J]. 侯峰岩,吕春雷. 表面技术. 2012(04)
[7]激光熔覆技术在机械修复中的应用[J]. 张建军. 自动化与仪器仪表. 2011(05)
[8]水平连铸结晶器铜合金内套表面强化工艺及性能研究[J]. 洪昌,朱才进,谢春生,肖鸿光. 热加工工艺. 2011(14)
[9]纳米颗粒增强NiCoCrAlY熔覆涂层的高温摩擦磨损行为（英文）[J]. 王宏宇,左敦稳,王明娣,孙桂芳,缪宏,孙玉利. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(06)
[10]激光重熔NiCrAlY涂层研究[J]. 郭永利,祝超,卢学刚,梁工英,董菲. 化学工程. 2011(02)
硕士论文
[1]水平连铸结晶器铜合金内套的表面强化及组织与性能研究[D]. 花思明.江苏科技大学 2012
[2]水平连铸结晶器铜合金内套组织与性能研究[D]. 洪昌.江苏科技大学 2011
[3]结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬—碳化铬涂层的研究[D]. 刘雪飘.江苏科技大学 2011
[4]等离子喷涂涂层的工艺、组织与性能研究[D]. 李行志.武汉科技大学 2004
本文编号：3271576
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