等离子喷涂耐磨涂层技术在大型薄壁零件上的应用研究-硕士学位论文.pdf

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1、 分类号：分类号：TG174.4 密密 级：公级：公 开开 U D C：单位代码：单位代码：10424 学学 位位 论论 文文 等离子喷涂耐磨涂层技术在大型等离子喷涂耐磨涂层技术在大型 薄壁零件上的应用研究薄壁零件上的应用研究 王王 灿灿 明明 申请学位级别：申请学位级别：博士学位博士学位 专业名称：专业名称：机械设计及理论机械设计及理论 指导教师姓名：指导教师姓名：孙孙 宏宏 飞飞 职职 称：称：教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二一年十月二一年十月 论文题目：论文题目：等离子喷涂耐磨涂层技术在大型等离子喷涂耐磨涂层技术在大型 薄壁零件上的应用研究薄壁零件上的应用研究 作者姓名

2、：王作者姓名：王 灿灿 明明 入学时间：入学时间：2007 年年 9 月月 专业名称：机械设计及理论专业名称：机械设计及理论 研究方向：表面工程与摩擦学研究方向：表面工程与摩擦学 指导教师：孙指导教师：孙 宏宏 飞飞 职职 称：教称：教 授授 论文提交日期：论文提交日期：2010 年年 10 月月 论文答辩日期：论文答辩日期：2010 年年 12 月月 9 日日 授予学位日期：授予学位日期：STUDY OF WEAR RESISTANT COATING TECHNOLOGY APPLIED ON LARGE THIN-WALL PARTS BY PLASMA SPRAYING PROCESS

3、A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Canming Supervisor:Professor Sun Hongfei College of Mechanical and Electronic Engineering October 2010 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所公认

4、的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。博士生签名：博士生签名：日日 期：期：AFFIRMATION I declare that this dissertation,submitted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Sci

5、ence and Technology,is wholly my own work unless referenced of acknowledge.The document has not been submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山东科技大学博士学位论文 摘要 摘摘 要要 陶瓷涂布刮刀是造纸工业中的关键零部件，也是易损耗件，需求量大，技术含量高。目前我国全部依赖进口，价格昂贵。本文针对陶瓷涂布刮刀制备技术中的两大难题：即大型薄壁零件上的耐磨陶瓷涂层制备工艺和刮刀涂层精密磨削

6、工艺开展研究，初步取得的主要研究成果如下：首次在国内制备出纳米复合涂层陶瓷涂布刮刀。针对长薄壁零部件易变形难控制的难点，结合大型薄壁零件的结构特点及喷涂要求对工艺进行优化设计：采用二因子试验及方差分析方法研究了喷砂距离、空气压力及两者的交互作用对涂布刮刀喷砂质量的影响，优化了薄壁零件喷砂工艺规范；采用正交试验方法研究了喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离和送粉速率这四个关键参数对陶瓷涂层的孔隙率及刮刀平面度的影响规律，优化了大型薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的等离子喷涂工艺；设计出刮刀钢带喷涂特种专用夹具，解决了薄壁零件喷涂过程中温升过快，容易变形的技术难题。首次设计制造出刮刀涂层磨削专用工装夹具及磨削工艺方

7、法，该工装夹具根据陶瓷涂布刮刀超长超薄难于精密加工的特点，利用小型精密磨床即可实现各个面的磨削，获得所需的几何形状和尺寸精度，并可以实现任意长度刮刀涂层的连续磨削。并探讨了涂层在磨削过程中的材料去除机理及磨削工艺参数的变化对涂层表面光洁度的影响。上述刮刀涂层在自行设计的专用磨削装备上精密磨削后，刮刀的直线度、平行度和表面粗糙度等关键性能指标均达到了行业标准所规定的精度要求，满足了在工业生产中应用的基本要求。成功实现了在大型长薄零部件上获得高性能纳米、微米陶瓷复合涂层的技术。选用优化后的等离子喷涂工艺制备纳米及微米AT13（Al2O3-13%TiO2）涂层试样，并采用SEM、EPMA、TEM、X

8、RD 等现代分析手段对比研究了涂层组织、结构及成分分布特征；采用试验方法测定了涂层中的残余应力及分布特征、力学性能及耐磨粒磨损性能。分析表明：等离子喷涂纳米及微米 AT13 涂层的组织致密，均匀，孔隙率低，结合强度高，两种涂层均能够满足在涂布刮刀上的应用要求。两种涂层的主要相均为-Al2O3、-Al2O3及 TiO2。纳米 AT13 涂层中则保留了较多的 TiO2相。而微米 AT13 涂层中元素扩散现象显著，含有较多的 Al2TiO5相，在两种涂层的富 Al2O3区域均发现了非晶与纳米晶共存的山东科技大学博士学位论文 摘要 现象。纳米 AT13 涂层呈现出典型的双态结构和晶粒细化现象。等离子喷

9、涂纳米及微米 AT13 涂层均为残余压应力状态，纳米 AT13 涂层由于部分熔融区增多，孔隙率相对较大，同时，涂层中的纳米晶出现聚集长大现象，改善了涂层中的应力状态，其残余压应力值显著低于微米涂层。两种涂层的耐磨粒磨损性能优异，微米 AT13 陶瓷涂层的主要磨损方式为涂层中的微颗粒在磨削应力的作用下沿晶界的剥落和由于涂层中微裂纹的扩展而造成的涂层表面材料的小片状剥落；纳米陶瓷涂层的主要失效方式为微颗粒在磨削应力的作用下的沿晶界剥落。由于纳米陶瓷涂层的晶粒细小，晶界体积大，磨损过程中裂纹扩展路径更长，需要更多的能量，所以，其耐磨性能优于微米陶瓷涂层。该研究对于加快我国造纸装备行业关键零部件-陶瓷

10、刮刀的国产化进程，打破国际垄断，实现自主知识产权都具有重要的理论和现实意义。关键词：关键词：涂布刮刀，等离子喷涂，陶瓷涂层，磨粒磨损，精密磨削，残余应力 山东科技大学博士学位论文 摘要 ABSTRACT As one of the key parts which are widely used in paper industry,ceramic coating blades are easy to be worn out and have large markets in our country.Now these kinds of high-tech products all rely on

11、 imports with expensive prices.Two major difficult problems in the preparation technology of ceramic coating blade were studied in this paper:One is the wear resistant ceramic coating preparation process on large thin-wall parts.The other is the precision grinding process of ceramic coating on blade

12、.Main initial results are shown as follows:Nano ceramic composite coating blades were prepared successfully for the first time in domestic.The preparing process parameters were designed and optimized according to structural featuresBy means of two factors orthogonal test and the variance analysis,th

13、e influences of sandblasting distance,air pressure and their interaction on sandblasting quality of coating blade was studied and the sandblasting process factor for thin wall parts were optimized.The influence rule of spraying current,voltage,spraying distance and powder feed rate on porosity of th

14、e ceramic coating and flatness of the blade was studied and the plasma spraying parameters of wear resistant ceramic coating on large thin-wall parts was optimized by adopting orthogonal experimentation.Special fixture was designed for plasma spraying on blade steel belt.By the aiding of this appara

15、tus,the difficulties for spraying on thin wall parts such as excessive temperature rise and easy yielding were overcome.According to ultra-long and ultra-thin structure features of ceramic coating blade which is difficult for precision finishing,special fixtureand the grinding process were designed

16、firstly in home.By the aid of this fixture,each side of the blade can be grinded with a small precision grinding machine to get the necessary geometry and dimensional precision without the restriction of the coating bade length.Material removal mechanism and the effect of grinding parameters on coat

17、ing surface finish were discussed.The key performance indexes of the coating blade such as straightness,parallelism and surface roughness all reach to the accuracy requirementThe preparation technology of high-performance nano and micron ceramic composite coatings on large,long and thin parts was re

18、alized successfully in this subject.Micron and nano-AT13 ceramic coating samples were prepared with optimized plasma spraying parameters.Microstructure,phases and components distribution of the two coatings were analyzed with the aid of modern analytical means such as scanning electron microscope,en

19、ergy spectrum analysis,transmission electron microscope and X-ray diffraction.Residual stress and its distribution in the coatings,mechanical properties and abrasive wear resistance of the coatings were studied by experimental methods.The results showed:Both of the nano 山东科技大学博士学位论文 摘要 and micron co

20、atings prepared by plasma spraying process have dense and even microstructure,low porosity and higher bond strength.The two coatings all meet the application requirements of coating blade.Main phases of the two coatings are-Al2O3,-Al2O3 and TiO2.More TiO2 phase was detected in nano AT13 coating.Howe

21、ver,more Al2TiO5 phase was found in micron AT13 coating,mainly because the ceramic powders melt more fully and elements diffusion is more remarkable than that in nano AT13 coating.In rich Al2O3 region of the two coatings,amorphous and nanocrystalline structures were found.Nano AT13 coating presents

22、typical duplex microstructure and grain refinement phenomenon.Both nano and micron AT13 coatings prepared by plasma spraying process are in residual compressive stress state.Because of the higher porosity and growing up phenomenon of nanocrystalline,the residual compressive stress in nano ceramic co

23、ating is released and lowers apparently than that of micron AT13 ceramic coating.Both of the two coating have excellent abrasive wear resistant properties.Main failure pattern of micro AT13 coating is the tiny grains spalling along crystal boundary and the flake layer fragmenting caused by micro cra

24、cks expansion at the action of grinding stress.Main failure pattern of nano AT13 coating is the tiny grains spalling along crystal boundary.Because the grain size of nano AT13 coating is tinier and the grain boundary area is larger,more energy is needed for micro cracks expansion.So the abrasive wea

25、r resistance of nano AT13 coating is superior to that of micron coating.has an important theoretical and practical significance onnationalization of the key parts in paper industry-ceramic coating blade,breaking the international monopoly in this field and realizing the independent intellectual prop

26、erty rights.Keywords:Coating blade,plasma spraying,ceramic coating,abrasive wear,precision grinding,residual stress 山东科技大学博士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论.1 1.1 课题的来源及研究意义.1 1.2 涂布刮刀失效机理研究.3 1.3 涂布刮刀制备技术的发展及其在造纸工业中的应用.7 1.4 耐磨涂层技术的发展及其在工业中的应用.14 1.5 应用于薄壁零件上的耐磨涂层材料及涂层制备工艺.24 1.6 本章小结.27 2 总体研究方案总体研究方案.28 2.1

27、总体研究路线.28 2.2 薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的等离子喷涂工艺研究.29 2.3 薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究.30 3 涂层原材料对等离子喷涂层质量及沉积效率的影响规律研究涂层原材料对等离子喷涂层质量及沉积效率的影响规律研究.32 3.1 影响涂层质量和沉积效率的因素.32 3.2 粉末粒度对涂层组织及性能的影响.34 3.3 本章小结.39 4 薄壁零件上耐磨涂层的制备技术研究薄壁零件上耐磨涂层的制备技术研究.41 4.1 长薄壁零件喷涂专用夹具的设计.41 4.2 薄壁零件表面预处理工艺的优化.43 4.3 薄壁零件等离子喷涂工艺参数的优化设计.53 4.4 陶瓷涂层制备

28、及性能表征.57 4.5 结果分析与讨论.61 4.6 本章小结.74 山东科技大学博士学位论文 目录 5 等离子喷涂纳米及微米等离子喷涂纳米及微米AT13 陶瓷涂层的显微结构表征陶瓷涂层的显微结构表征.76 5.1 涂层组织结构分析方法.76 5.2 等离子喷涂纳米及微米陶瓷粉末的熔化及沉积特征.76 5.3 纳米及微米陶瓷涂层的组织结构特征.84 5.4 本章小结.94 6 等离子喷涂纳米及微米等离子喷涂纳米及微米AT13 陶瓷涂层的性能研究陶瓷涂层的性能研究.95 6.1 涂层性能分析方法.95 6.2 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的孔隙率.100 6.3 涂层应力及其分布特征.1

29、00 6.4 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的结合强度.105 6.5 涂层显微硬度及其统计分布特征.106 6.6 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的耐磨粒磨损性能.109 6.7 本章小结.113 7 长薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究长薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究.115 7.1 涂布刮刀精密磨削设备的选择及在磨削长薄壁零件时存在的问题错误！未定义书签。错误！未定义书签。7.2 磨削设备及磨削夹具设计.117 7.3 刮刀涂层的精密磨削试验研究方案.119 7.4 刮刀涂层磨削试验结果及分析.124 7.5 本章小结.129 8 结论及展望结论及展望.130 8

30、.1 主要结论.130 8.2 主要创新点.132 8.3 对今后工作的展望.133 致谢致谢.134 山东科技大学博士学位论文 目录 参考文献参考文献.135 攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况.146 山东科技大学博士学位论文 目录 Contents 摘摘 要要.5 ABSTRACT.7 目目 录录.9 Contents.12 1 绪论绪论.1 1.1 课题的来源及研究意义.1 1.2 涂布刮刀失效机理研究.3 1.3 涂布刮刀制备技术的发展及其在造纸工业中的应用.7 1.4 耐磨涂层技术的发展及其在工业中的应用.14 1.5 应用于薄壁零

31、件上的耐磨涂层材料及涂层制备工艺.24 1.6 本章小结.27 2 总体研究方案总体研究方案.28 2.1 总体研究路线.28 2.2 薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的等离子喷涂工艺研究.29 2.3 薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究.30 3 涂层原材料对等离子喷涂层质量及沉积效率的影响规律研究涂层原材料对等离子喷涂层质量及沉积效率的影响规律研究.32 3.1 影响涂层质量和沉积效率的因素.32 3.2 粉末粒度对涂层组织及性能的影响.34 3.3 本章小结.39 4 薄壁零件上耐磨涂层的制备技术研究薄壁零件上耐磨涂层的制备技术研究.41 山东科技大学博士学位论文 目录 4.1 长薄壁零件喷

32、涂专用夹具的设计.41 4.2 薄壁零件表面预处理工艺的优化.43 4.3 薄壁零件等离子喷涂工艺参数的优化设计.53 4.4 陶瓷涂层制备及性能表征.57 4.5 结果分析与讨论.61 4.6 本章小结.74 5 等离子喷涂纳米及微米等离子喷涂纳米及微米AT13 陶瓷涂层的显微结构表征陶瓷涂层的显微结构表征.76 5.1 涂层组织结构分析方法.76 5.2 等离子喷涂纳米及微米陶瓷粉末的熔化及沉积特征.76 5.3 纳米及微米陶瓷涂层的组织结构特征.84 5.4 本章小结.94 6 等离子喷涂纳米及微米等离子喷涂纳米及微米AT13 陶瓷涂层的性能研究陶瓷涂层的性能研究.95 6.1 涂层性能

33、分析方法.95 6.2 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的孔隙率.100 6.3 涂层应力及其分布特征.100 6.4 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的结合强度.105 6.5 涂层显微硬度及其统计分布特征.106 6.6 等离子喷涂纳米及微米AT13 涂层的耐磨粒磨损性能.109 6.7 本章小结.113 7 长薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究长薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的精密磨削工艺研究.115 7.1 涂布刮刀精密磨削设备的选择及在磨削长薄壁零件时存在的问题.115 7.2 磨削设备及磨削夹具设计.117 7.3 刮刀涂层的精密磨削试验研究方案.119 7.4 刮刀涂层磨削试验

34、结果及分析.124 7.5 本章小结.129 8 结论及展望结论及展望.130 山东科技大学博士学位论文 目录 8.1 主要结论.130 8.2 主要创新点.132 8.3 对今后工作的展望.133 致谢致谢.134 参考文献参考文献.135 攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况.146 8.1 Main conclusions.130 8.2 Main innovations.132 8.3 Prospects for the future work.133 Acknowledgments.134 References.135 Research

35、 projects and published papers during the doctorate study period.146 山东科技大学博士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源及研究意义课题的来源及研究意义 本课题来源于山东省科技攻关计划项目 新型耐磨复合材料涂层在造纸机关键零部件上的制备技术研究，以造纸工业中的关键部件之一涂布刮刀为研究对象，以等离子喷涂工艺为涂层制备手段，研究开发基于薄壁零件上的耐磨涂层制备和精密加工技术。涂布刮刀是造纸行业生产高级美术铜版纸和涂布白板纸的专用刀具，是刮刀涂布机配套使用的必要件和关键件，随着我国造纸工业的发展，这一产品的市场需求

36、量越来越大1-3。传统的涂布刮刀为碳钢刮刀，材质为 T8A、SK4M（日本材料牌号）等，碳含量基本上在0.81.0%之间，室温组织为马氏体（M）均匀分布的碳化物，硬度在5060HRC之间。国内造纸行业早期均采用低速纸机，走纸速度约 100200m/min，传统的钢刮刀能够很好的满足使用要求。但是，随着涂布技术向着高生产效率的方向发展，涂布纸机的速度越来越高。目前国际上涂布纸机的走纸速度可高达 1500m/min，纸幅的宽度在 8米以上。并且在涂布生产中，纸面上的涂布量通常控制在 525g/m2以内，对涂层的均匀性要求非常高，这对涂布刮刀提出了更高的精度要求4-6。刮刀在工作过程中受到纸面和涂料

37、的摩擦，磨损是其失效的主要形式。在这样的条件下，传统的钢刮刀使用寿命只有 35h，这不仅造成了材料的浪费，换刀过程及换刀后磨合过程也影响了涂布生产效率。理论上，采用比传统的刮刀钢带更耐磨的材料可以有效提高刮刀的使用寿命，比如硬质合金和金属陶瓷。但是，这些材料的弹性满足不了要求，通常都比较脆，在使用过程很容易因为应力过大而产生折断7,8。在刮刀边缘贴耐磨条、采用电镀硬铬或其他金属的方法都尝试过，但没有成功。这些方法无法解决提高耐磨性和保持刮刀获得良好涂布效果所必需的弹性之间的矛盾。目前国内一些大型纸业公司，如太阳纸业、晨鸣纸业、金东纸业等在生产中均采用进口陶瓷刮刀。在国外生产及应用的耐磨陶瓷涂层

38、刮刀，大体可以分为三大类型：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷及金属陶瓷复合涂层刮刀。根据涂层材料的不同，喷涂工艺可以是等离子喷涂或超音速火焰喷涂9。自 1999 年陶瓷涂布刮刀进入中国市场以来，不断的有新的产品开发出来，产生了用于不同工况的刮刀。与常规的仅具有一个简单几何外山东科技大学博士学位论文 绪论 2 形的钢刮刀相比，多规格的陶瓷刮刀适用范围更广。刮刀从只有一个角度发展到两个角度甚至更多角度。预磨好角度，会消除刮刀的磨合阶段。最重要的是，陶瓷刮刀的硬表面会以很慢的速度均匀磨损，因此保证了涂布质量的相对恒定6。由于刮刀壁很薄，目前国内最常用的厚度为 0.381mm，该类产品对精度要求很高，根据轻工业

39、行业标准 QBT 2574-2002，涂布刮刀刃口直线度要控制在 0.025mm/m 以内，并且在全长度范围内只允许出现一个弧度；刃口平行度0.01mm/m。因此涂层制备难度很大。受热喷涂工艺及长薄壁零件上陶瓷涂层精密机械加工能力的限制，国内尚不能进行该类产品的生产。国际上掌握陶瓷涂布刮刀生产技术的只有瑞士的 BTG Eclpens S.A.（BTG）、韩国的 GREENCOAT CO.,LTD.（GREEN COAT）和美国的 PACIFIC SAW AND KNIFE COMPANY（PSK）三家公司8,10。瑞士 BTG 公司产品进入中国市场较早，技术成熟，国内各大纸业公司均在使用。美国

40、 PSK 公司产品在中国也有应用，但市场占有率较小。上述两家公司产品价格较为昂贵。韩国的 GREEN COAT 公司产品进入中国市场较晚，但产品价格相对前面两家公司便宜，在中国的市场占有率目前不断扩大。垄断产品必然带来高额利润，以韩国 GREEN COAT 公司为例，其生产的氧化铝陶瓷刮刀，成本估计每米不超过 100 元，在国内市场售价却高达 750800 元米。由于国内尚不具备该类产品的生产技术，不得不受制于人。针对这一现状，本课题结合造纸工业中涂布刮刀这一关键零件的磨损问题进行研究，设计耐磨涂层及涂层制备技术，重点攻关微米陶瓷及纳米陶瓷涂层在大型薄壁零件上的应用技术难题。由于陶瓷刮刀对涂层

41、的韧性要求较高，选用纳米陶瓷作为涂层材料，利用纳米晶粒的细化，晶界数量增加，可使材料的强度、韧性和塑性大为提高。纳米陶瓷涂层的研发也是我国“十一五”期间材料科学重点研究方向之一。目前我国在陶瓷涂层的制备技术及应用方面取得了较大的成就，尤其是在航空、航天领域，采用先进的等离子喷涂技术可以制备出高性能的热障涂层及梯度功能涂层，很好的满足了军事工业发展的需要。在民用领域，通过对国外先进技术的引进、消化和吸收，目前已可自主生产常规涂层材料及喷涂设备，但是总体技术水平和国外相比还有较大的差距，特别是薄壁零件上的涂层制备工艺，目前国内还处于研究和探索阶段。本课题对陶瓷刮刀在国内、国外的应用和发展现状做了大

42、量的调研，结合国内造纸行业对低成本、高性能陶瓷刮刀的迫切需求，提出耐磨涂层技术在大型长薄壁零件上的应用研究课题，开发新型涂层技术及刮刀涂层精密磨削技术，为解决陶瓷刮刀的国产化难题，促进国内造纸工业的发展做出贡献。山东科技大学博士学位论文 绪论 3 1.2 涂布刮刀失效机理研究涂布刮刀失效机理研究 1.2.1 涂布刮刀工作原理涂布刮刀工作原理 刮刀涂布是生产涂布纸和涂布纸板最常用的一种涂布方式，由于它具有将原纸表面的凹陷处填平的不随性涂布特点，因此涂层面光滑，具有良好的印刷效果，并且它适应于高浓涂料和高速纸机的涂布，生产效率高，深受造纸厂欢迎。刮刀涂布的工作原理比较简单（如图 1.1 所示），工

43、作时，上料辊与背辊相对转动，涂料通过上料辊传递到背辊上，随着背辊的转动，涂料在刮刀顶部和纸幅之间流过，多余的涂料在楔形区域回转，然后返回涂料盘（见图 1.2）。刮刀涂布跟其他涂布方式的区别在于计量工具不一样，它的计量工具是一种特制的带弹性的钢质刀片，可以通过其弹性变形力来控制涂布量。涂布量的变化通常用绝干量（g/m2）来表示。影响涂布量的因素很多，主要来自三个方面，即涂料、原纸和涂布头，涂料的性质和原纸的质量可以采取相应措施控制，就涂布头而言，影响涂布量的因素主要有以下几点11：（1）刮刀所受的压力；（2）刮刀的几何特性，尤其是接触长度和刮刀的有效角度；图 1.1 刮刀涂布工作原理 Fig.1

44、.1 Blade coating working principle 背辊 刮刀 上料辊 图 1.2 刮刀涂布工作示意图 Fig.1.2 The sketch map of coating work 山东科技大学博士学位论文 绪论 4（3）涂布机（或纸幅）的运行速度；（4）背辊和上料辊间的线压力；（5）包胶辊的硬度和弹性。通常，涂布量的大小是由加在刮刀尖端的压力来控制的；除此之外，还有其他的影响因素，如上所述的（4）和（5），但这些变量一旦在涂布机工作正常后就不会有明显变化，即这些因素与刮刀比起来，影响很小；除了作用在刀尖端的压力外，刮涂的效果主要由刀尖角决定，那就是由刀尖和背辊的切线间角度来

45、控制涂布量。因此，影响涂布量的主要因素是刮刀所承受的压力，刮刀尖端角和刮刀的几何特性12,13。刮刀质量的好坏直接影响产品质量及生产效率。刀片的材质、形状、技术要求非常关键，是决定刮刀的使用寿命以及涂布质量的重要因素。普通钢刮刀通常是用具有较大弹性的钢带制成，厚度一般为 0.250.5mm，分为两类：斜面角度 通常在 2055之间，每 5为一增阶，这类刮刀称为硬刮刀。还有一种倾角为 90的刮刀，即通常所指的无角度刮刀，称为软刮刀。刮刀在使用过程中承受着非常严重的磨损，其质量的好坏影响着涂布质量和生产效率。一般情况下，车速越快，刮刀越薄，涂布量越低，则磨损越严重。为降低换刀及停机损失，目前许多涂

46、布机都改用陶瓷刮刀14,15。1.2.2 刮刀的磨损失效刮刀的磨损失效 在涂布生产中，依靠刮刀将配制好的涂料均匀涂覆到纸张表面。涂料中含有高岭土（Al2O32SiO22H2O）、CaCO3、TiO2等陶瓷粒子，对刮刀产生强烈的磨损，从磨损机理上分析，该类磨损属于磨粒磨损的范畴，其磨损的机理主要是：（1）显微切削机理 在涂布过程中，刮刀以一定的预压力紧贴纸张表面，随着机床的转动，涂料在纸张和刮刀之间通过，涂料中的陶瓷微粒起到磨粒的作用，在刮刀刃部的作用力可分为法向力和切向力这两个外力。法向力使磨粒压入表面，切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与方向适当时，磨粒就如刀具一样在表面进行切削而形成切屑。

47、不过这种切削的宽度和深度都很小，因此切屑也很小，称为微观切削。当磨粒形状较圆钝时，或者在犁沟的过程中磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向，或者磨粒和被磨材料表面之间的夹角太小时，或者表面材料塑性很高时，磨粒在表面滑过后往往只能犁出一条沟来，把材料挤向两边和前面，不能切出切屑。据统计，对于松散的磨粒，大概有 90磨粒发生滚动接触，只能压出印痕，而形成犁沟的概率只有 10，这样切削的可能性就更小了16,17。山东科技大学博士学位论文 绪论 5（2）多次塑变（微观犁皱或微观压入）磨损机理 前面提到，当磨粒滑过表面时，除了切削以外，大部分把材料推向两旁或前缘，这些材料的塑性变形很大，却没有脱离母体，在沟底

48、及沟槽附近的材料也有较大的变形。犁沟时可能有一部分材料被切削而形成切屑，另一部分则末被切削而在塑变后被推向两侧和前缘。若犁沟时全部沟槽中的材料都被推向两旁和前缘而不产生切屑，则称为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到随后的磨粒作用时，可能把堆积的材料重新压平，也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形，如此反复，导致材料产生加工硬化，最终剥落而成为磨屑16,18。（3）疲劳磨损机理 疲劳磨损是因表层微观组织受周期载荷作用而产生的，常有发展的潜伏期，在此期间内表面不出现任何破坏层，材料外部发生硬化而不会发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金表层出现硬化的滑移塑变层和

49、裂纹。克拉盖夫斯基认为，疲劳过程在一般磨粒磨损中起主导作用。维洛格拉洛夫等人指出，在多次塑性变形条件下疲劳过程的发展是毋庸置疑的，但是关于磨粒磨损疲劳假说的直接实验证据非常有限。根据他们的实验资料，淬火钢的磨料磨损性能与疲劳极限之间并不存在线性关系。提高钢的疲劳极限对耐磨料磨损性能并不是单值关系，这就证明疲劳极限不是金属磨料磨损耐磨性的基本判据。他们认为，从疲劳机理来看，塑性起很大的作用。在脆性破坏区中，随着塑性指标(特别是冲击韧性)的提高，钢的疲劳极限也增高。钢的塑性指标的提高往往使其硬度降低，这时钢的耐磨料磨损性能将降低，可见提高钢的疲劳抗力与提高耐磨料磨损性能的方法是不同的，而且对于疲劳

50、破坏来说时间因素的作用是很大的，在磨料磨损时，磨粒与表面摩擦相互作用的每个循环都发生金属表层的磨损16,19。（4）微观断裂(剥落)磨损机理 磨损时由于磨粒压入材料表面而具有静水压的应力状态，所以大多数材料都会发生塑性变形。但是有些材料(特别是脆化材料)则可能是断裂机理占支配地位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落。这种磨损机理主要适用于脆性材料16,20。影响磨料磨损的因素有零件材料的内部因素和磨粒等的外部因素。内部因素中影响最大的是材料的硬度。一般地说，零件材料的硬度越高，耐磨性越好。对金属材料，耐磨性大致与硬度成正比。对于陶瓷类等硬度很高的材料，硬度过高后耐磨性反而下降，这是由于