摘要
连铸机是实现板坯连续铸造技术的基础设备，但拉矫辊作为连铸机的关键零部件，长期处于高温、重载、腐蚀等恶劣的工况下，使拉矫辊极易出现辊面脱皮、裂纹甚至整体弯曲等不良状况，导致拉矫辊的使用寿命较短，因此提高连铸机拉矫辊强度具有重要的研究意义。本文利用等离子喷涂技术在拉矫辊辊面制备复合涂层，通过实验分析、有限元仿真模拟和实际生产测试来评估复合涂层拉矫辊的性能，研究复合涂层的强化机理，旨在提高连铸机拉矫辊的工作寿命。 本次研究以H13钢作为基体，分别制备WC-20Cr3C2-7Ni、含有30wt.%8YSZ的WC-20Cr3C2-7Ni和含有50wt.%8YSZ的WC-20Cr3C2-7Ni三种涂层样本。使用扫描电子显微镜观察各样本截面形貌，结果表明WC-20Cr3C2-7Ni样本涂层致密性较差，随着30wt.%8YAZ、50wt.%8YSZ的加入，复合涂层的致密性有较好的改善，且组织分布较为均匀。为了进一步分析复合涂层的微观情况，通过能谱仪和X射线衍射仪对复合涂层进行元素和物相检测，结果表明复合涂层两种组织间的结合方式为冶金结合，并且WC相在高温喷涂时出现脱碳现象，生成WC1-x和W相。 分别对三种样本涂层做硬度、划痕和摩擦磨损实验，结果表明三种样本涂层的硬度均远大于基体材料，并且随着30wt.%8YAZ、50wt.%8YSZ的加入，复合涂层的平均硬度出现先变大后变小的现象；三种样本涂层均具备较好的抗划伤性能，涂层组织间的结合力也随着8YSZ的加入而变更加稳定；掺杂30wt.%8YSZ的复合涂层耐磨性能最优，其磨损形式主要为磨粒磨损与疲劳磨损。 利用有限元仿真软件对拉矫辊拉矫板坯进行建模，计算常规拉矫辊与三种样本涂层拉矫辊在同样生产条件下的温度场和应力场分布，结果表明三种样本涂层均有隔热效果，并且随着8YSZ加入WC-20Cr3C2-7Ni涂层，复合涂层的隔热效果增强；同时随着涂层隔热效果增强，拉矫辊所受的等效应力也大幅度降低。 将喷有三种样本涂层的拉矫辊应用于某钢铁企业板坯生产中，实际生产数据表明，相对于常规拉矫辊，三种涂层拉矫辊样本的使用寿命均有大幅度提高，其中掺杂30wt.%8YAZ的复合涂层拉矫辊疲劳使用寿命最长，相对于常规拉矫辊提高了约1.3倍。利用改进的Manson-Coffin寿命预测模型与寿命疲劳累计理论对三种样本涂层的失效寿命进行预测，其中WC-20Cr3C2-7Ni、掺杂30wt.%8YAZ、50wt.%8YSZ复合涂层的失效寿命分别为17天、25.6天与18.4天，表明掺杂30wt.%8YAZ的复合涂层疲劳失效寿命最长。
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