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耐磨復合板以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晶度、微觀形貌、物相成分及涂層與鈦基體之間結合力的影響。

  本文以冶金軋輥耐磨復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合鋼板堆焊層、過渡層及基體材料化學成分。利用X射線能譜儀測定斷口表面微區(qū)化學成分。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沉積磷酸鈣鹽涂層產(chǎn)物的影響。

  結果發(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,應用熱-結構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、周向和徑向熱應力場；并比較了不同焊接線能量輸入下的堆焊層熱應力場變化。 

  論文主要研究結論如下： 

  (1)軋輥耐磨復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%)超過技術要求和枝晶表面P(0.05-0.06%)、S(0.05-0.12%)含量過高是復合耐磨板堆焊層產(chǎn)生結晶裂紋的成分因素。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)模擬軸向熱應力峰值區(qū)位于軋輥焊縫中*,周向、徑向熱應力峰值區(qū)位于軋輥熱影響區(qū)。軸向熱應力(242MPa,1100℃)遠大于周向熱應力(171MPa,1100℃)和徑向熱應力(48MPa,1100℃)。軸向熱應力較大,且熱應力峰值區(qū)出現(xiàn)在軋輥焊縫中*是堆焊層發(fā)生橫向開裂的力學因素。 

  (4)模擬熱應力隨著焊道寬度減小而減小,即熱應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晶體的結晶度逐漸降低,晶體平均尺寸逐漸減小。當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合力逐漸增大。

  此外,本文還從熱力學角度上分析了復合耐磨鋼板濃度變化導致的這種轉(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—層反應生成。