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耐磨復(fù)合板以Ca(NO3)2和NH4H2PO4為電解主鹽,在電解液中加入Zn(NO3)2,成功制備得*了鋅摻雜羥基磷灰石(HAP)涂層。通過控制加入的Zn元素的含量,研究分析了Zn對于羥基磷灰石涂層結(jié)晶度、微觀形貌、物相成分及涂層與鈦基體之間結(jié)合力的影響。

  本文以冶金軋輥耐磨復(fù)合鋼板表面埋弧堆焊層為研究對象,利用體視顯微鏡、掃描電鏡觀察了耐磨復(fù)合板堆焊層裂紋及裂紋斷口宏觀形貌、微觀形貌。利用洛氏硬度計測定堆焊層、過渡層和基體硬度。利用金相顯微鏡觀察堆焊層、過渡層及基體金相組織。利用XRD測定堆焊層殘余奧氏體量。利用發(fā)射光譜儀測定耐磨復(fù)合鋼板堆焊層、過渡層及基體材料化學(xué)成分。利用X射線能譜儀測定斷口表面微區(qū)化學(xué)成分。通過上述方法確定軋輥失效性質(zhì)及失效原因。

  通過改變電解液主鹽Ca(NO3)2和NH4H2PO4的濃度,研究了電解液濃度對于電化學(xué)沉積磷酸鈣鹽涂層產(chǎn)物的影響。

  結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著電解液濃度的逐漸升高,涂層產(chǎn)物的物相由HAP逐漸向磷酸八鈣(OCP)轉(zhuǎn)變,同時微觀形貌上觀察到了從納米級規(guī)則六邊形棒狀HAP晶體逐漸轉(zhuǎn)變成微米級帶狀OCP晶體的過程。 

  本根據(jù)該件軋輥堆焊環(huán)境,應(yīng)用熱-結(jié)構(gòu)耦合法模擬軋輥焊縫及其附近區(qū)域堆焊降溫過程中溫度場,分析其軸向、周向和徑向熱應(yīng)力場；并比較了不同焊接線能量輸入下的堆焊層熱應(yīng)力場變化。 

  論文主要研究結(jié)論如下： 

  (1)軋輥耐磨復(fù)合鋼板堆焊層表面及縱向剖面堆焊層均觀察到短裂紋和沿晶微裂紋,橫向剖面的堆焊層及母材均未觀察到裂紋。短裂紋為結(jié)晶裂紋(長度為1～10mm),位于焊縫中*主要呈橫向。沿晶微裂紋為再熱裂紋,位于近縫區(qū)粗晶部位主要呈橫向穿越晶界鐵素體。

  (2)堆焊層整體P含量(0.025%)超過技術(shù)要求和枝晶表面P(0.05-0.06%)、S(0.05-0.12%)含量過高是復(fù)合耐磨板堆焊層產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的成分因素。堆焊層材料含有較高含量的Mo、V等碳化物形成元素和晶界弱化元素P(0.04%)、S(0.03%)是堆焊層產(chǎn)生再熱裂紋的成分因素。 

  (3)模擬軸向熱應(yīng)力峰值區(qū)位于軋輥焊縫中*,周向、徑向熱應(yīng)力峰值區(qū)位于軋輥熱影響區(qū)。軸向熱應(yīng)力(242MPa,1100℃)遠大于周向熱應(yīng)力(171MPa,1100℃)和徑向熱應(yīng)力(48MPa,1100℃)。軸向熱應(yīng)力較大,且熱應(yīng)力峰值區(qū)出現(xiàn)在軋輥焊縫中*是堆焊層發(fā)生橫向開裂的力學(xué)因素。 

  (4)模擬熱應(yīng)力隨著焊道寬度減小而減小,即熱應(yīng)力隨焊接線能量輸入減少而減小。減小焊接線能量輸入能避免堆焊熱應(yīng)力過大。

  實驗得出：隨著電解液中Zn含量的增加,沉積得*的HAP晶體的結(jié)晶度逐漸降低,晶體平均尺寸逐漸減小。當(dāng)Zn含量達到25mol%(Zn/(Zn+Ca))時,沉積不再得*Zn-HAP晶體。同時隨著Zn含量的增加,涂層規(guī)則六邊形微觀形貌特征逐漸消失,涂層與鈦基體之間的結(jié)合力逐漸增大。

  此外,本文還從熱力學(xué)角度上分析了復(fù)合耐磨鋼板濃度變化導(dǎo)致的這種轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因。 通過控制不同電解液濃度沉積過程的沉積時間,從微觀形貌上去初步揭示了電化學(xué)沉積法制備HAP及OCP的形成機理。

  文中提出：低電解液濃度(c(Ca2+)=1.2×10-3mol/L)下沉積初期得*的是薄片狀的OCP晶體,隨著沉積的進行,其通過固—固轉(zhuǎn)變的方式轉(zhuǎn)變成HAP晶體；電解液濃度在一定范圍內(nèi)時(c(Ca2+)=2.4×10-3mol/L～3.6×10-3mol/L),沉積得*的是結(jié)晶度較低的HAP晶體,其是通過沉積初期的納米小顆粒在薄片狀OCP前軀體表面定向粘附形成,屬于非經(jīng)典形核方式；當(dāng)電解液濃度較高(c(Ca2+)4.8×10-3mol/L)時,形成的OCP晶體則是通過經(jīng)典形核理論的層—層反應(yīng)生成。