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为了提高采煤机截齿的机械性能及服役寿命,本文采用等离子束表面冶金技术,在其磨损严重的部位制备出成本低廉、具有优良耐磨、耐蚀性能的铁基合金涂层。并对等离子束表面冶金技术涉及的粉末材料的优选、等离子熔池动力学、等离子束与材料的相互作用、工艺控制及组织性能等进行了详细的理论分析和实验研究。
针对截齿的工况、材质设计了Fe-Cr-C-Ni-B-Si-RE多元铁基材料体系,并对等离子束表面冶金工艺特性进行了深入系统的研究,分析了不同工艺参数对表面冶金涂层组织、性能的影响。在优化工艺参数的条件下,采用同步送粉等离子束表面冶金技术在Q235钢表面制备出质量良好、基本无缺陷、厚度为3mm的铁基合金涂层。
以流体动力学理论为基础,对等离子束表面冶金熔池的运动特性进行了理论分析。并根据等离子束表面冶金的特点,建立了温度场分析模型,对表面冶金过程温度场进行了有限元模拟,模拟计算的结果与实际试验值较吻合。结果表明,熔池最高温度与等离子束功率成正比例关系,与扫描速度成反比。另外,建立了合金粉末穿越等离子束的模型并进行了计算分析,结果表明,粉末颗粒到达熔池前其温度没有达到其熔点。模拟计算出熔池中心温度大致为5000~6000℃,远远高于铁基合金粉末的熔点,能够将进入熔池的粉末颗粒瞬间熔化,形成与基体呈冶金结合的合金涂层。
FeCrCNiBSi涂层主要组成相为γ-(Fe,Ni)和M7C3。涂层的不同位置G/R的不同,形成的凝固组织也不同,底部为平面外延生长组织,然后呈现胞晶、胞/枝过渡、枝晶到表面细小等轴晶的分层凝固组织特征。稀土的加入可以显著改善FeCrCNiBSi涂层组织和性能。热力学计算表明:在冶金熔池中,稀土氧化物能被碳还原为稀土元素,稀土元素能与氧、硫反应生成稀土硫氧化物,起到脱氧、脱硫、净化熔池的作用。试验结果表明,加入适量的La2O3和Ce2O3可以细化晶粒、减少夹杂和裂纹、净化晶界。在固溶强化、弥散强化和细晶强化共同作用下,涂层具有高的显微硬度,加入稀土后的涂层平均硬度为900HV,比未加稀土的铁基涂层提高约100。由于涂层中高硬度的耐磨相M7C3的作用和与基体的冶金结合,涂层具有良好的磨损性能,磨损试验结果表明,室温湿滑动磨损条件下,载荷为70N,当橡胶轮旋转周次为4000转时,铁基涂层相对与16Mn钢的耐磨性为12.1倍,铁基稀土涂层相对与16Mn钢的耐磨性为19.5倍;而当橡胶轮旋转周次为10000转时,铁基涂层相对与16Mn钢的耐磨性为23.7倍,铁基稀土涂层相对与16Mn钢的耐磨性为34倍。另外,涂层在H2SO4溶液、海水中具有良好的耐蚀性能,其涂层的耐酸和Cl-的腐蚀能力显著优于1Cr18Ni9Ti不锈钢。
最后,将本文设计的涂层材料和工艺技术在采煤机截齿上进行了成功应用,实现了批量生产,取代了进口产品,获得了显著的经济效益和社会效益。