等離子噴焊制備超厚涂層及其耐磨機(jī)理研究

等離子噴焊制備超厚涂層及其耐磨機(jī)理研究

在石化行業(yè)關(guān)鍵部件的不良形式中，磨損損失占很大比例，降低了生產(chǎn)效率，增加了能源消耗，導(dǎo)致設(shè)備故障和嚴(yán)重安全事故。例如，石油加工過程是原油加工過程中的重要部件。它長期處于高壓下，因此需要高溫和耐腐蝕性。目前，一些油田的鉆探桿連接已被回收，使用一段一段開采的方法來更換井，這顯著降低了鉆孔效率，提高了生產(chǎn)成本。因此，提高石化行業(yè)關(guān)鍵部件的耐腐蝕性已成為必須盡快解決的問題之一。利用等離子弧為熱源,在普通材料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一,具有合金材料消耗少、能噴焊各種合金粉末材料,可得到稀釋率低、熔敷率高的致密涂層,且涂層成分可控、涂層與母材結(jié)合強(qiáng)度高、成本低、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等許多優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用在石油、化工、水電、礦山等存在嚴(yán)重磨損的工礦條件下.本文利用等離子噴焊技術(shù)在Q235鋼表面噴焊Fe65和Ni602種自熔性合金粉末,對比了2種合金噴焊層的顯微組織、硬度及耐磨損性能,并與氧乙炔火焰噴焊制備的涂層進(jìn)行耐磨性比較.1樣品的制備和測試方法1.1材料的體化學(xué)成分基體材料選用100mm×50mm×10mm的Q235鋼板狀試樣,以Fe65(60～160目)和Ni60(150～320目)作為噴焊合金粉末,具體化學(xué)成分如表1所示.噴焊前將2種合金粉末在210℃烘干,基材表面采用溶劑法脫脂凈化、烘干,采用自制等離子噴焊設(shè)備進(jìn)行噴焊.具體工藝參數(shù)為:板狀試樣預(yù)熱至100℃,離子氣流量500L/h,送粉氣流量400L/h,保護(hù)氣流量600L/h,轉(zhuǎn)移弧電流100A,轉(zhuǎn)移弧電壓30V,噴焊速度8cm/min,焊槍擺幅30mm,噴距10mm,噴焊層厚度3cm.同時(shí),本文采用氧乙炔火焰制備2種合金涂層與等離子噴焊合金涂層進(jìn)行耐磨性對比.1.2顯微組織及磨損試驗(yàn)用HVS1000顯微硬度計(jì)測量噴焊層表面的硬度,載荷為9.8N.合金噴焊層上選擇不少于5個(gè)點(diǎn)取平均硬度.采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)對噴焊層進(jìn)行磨損試驗(yàn),載荷為20N,轉(zhuǎn)速為50r/min,每隔10min取樣稱量,取3次質(zhì)量損失的平均值.采用XJL-01型立式光學(xué)金相顯微鏡和KYKY-2800B型掃描電鏡對噴焊層表面和截面的顯微組織及磨損試驗(yàn)后的涂層表面進(jìn)行觀察和分析.2鍍層的微織構(gòu)及以亞共晶方式形成的組織Fe基合金涂層的平均硬度為HV815.4,Ni基合金涂層的平均硬度為HV631.8.從2種合金粉末噴焊后的涂層硬度來看,在相同的工藝規(guī)范條件下,Fe基合金涂層的硬度比Ni基合金涂層的硬度高30%左右.基體和等離子噴焊(P)、氧乙炔噴焊(O)所制備的合金涂層的磨損平均質(zhì)量損失如圖1所示.由圖1可見,采用等離子和氧乙炔火焰噴焊技術(shù)所制備的合金涂層其耐磨性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基體金屬的耐磨性,而且等離子噴焊涂層的耐磨性要好于氧乙炔火焰噴焊涂層;同等工藝規(guī)范條件下等離子噴焊Fe基合金涂層的耐磨性要優(yōu)于Ni基合金涂層.磨損試驗(yàn)后涂層的表面形貌如圖2所示.通過掃描電鏡觀測磨損試驗(yàn)后基體金屬和合金涂層的表面形貌可以直觀看出,Q235鋼的磨痕最深且最平直,如圖2(c)所示.在2種涂層試樣中,Ni基合金涂層磨痕較窄、較淺,而Fe基合金涂層上幾乎看不到貫穿整張圖片的磨痕,多數(shù)磨痕都不連續(xù),從中間斷開,且磨痕的寬度非常窄,深度非常淺,仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)有些犁溝在一些顆粒處斷開,繞開后又繼續(xù)產(chǎn)生新的磨痕.由圖2可見,與基體金屬相比,2種合金涂層均表現(xiàn)出良好的耐磨粒磨損的性能,且Fe基合金涂層的耐磨性能要優(yōu)于Ni基合金涂層.圖3是等離子噴焊后試樣剖面的顯微組織,圖4是噴焊層的表面顯微組織.由圖3可以看出,涂層與基體金屬的結(jié)合較好,界面處形成了冶金結(jié)合.結(jié)合區(qū)上面是基體金屬熱影響區(qū),主要為馬氏體組織,這是由于靠近熔池底部的基材溫度高于臨界點(diǎn)Ac3,依靠基體金屬的快速傳熱冷卻發(fā)生淬火而得到馬氏體組織.隨著與結(jié)合界面距離的增加,加熱溫度不斷降低,由相變區(qū)、部分相變區(qū)最后過渡到基體原始組織.結(jié)合區(qū)下方為合金涂層區(qū),從圖3和圖4可以看出,涂層區(qū)有明顯的樹枝晶生長特征.Fe基合金涂層枝晶發(fā)達(dá),枝晶較為細(xì)小,而Ni基合金涂層枝晶比較粗大.另外,從圖4可看出,等離子弧噴焊Fe基合金層的枝晶比Ni基合金層要細(xì)小.從合金涂層表面的組織形貌可見噴焊合金涂層組織是以亞共晶方式結(jié)晶.噴焊后Fe基合金涂層在冷卻時(shí)先析出初生γ樹枝晶,在繼續(xù)冷卻到共晶轉(zhuǎn)變后,在初生枝晶間形成細(xì)小的共晶體,共晶體也是由更細(xì)小γ枝晶及各種化合物相所組成.由于等離子弧所產(chǎn)生的溫度很高,能夠使自熔合金粉末完全熔化,在快速凝固過程中,形成了過飽和的固溶體和一些共晶化合物.根據(jù)磨粒磨損形貌,在濕砂橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)中,涂層材料的磨損類型應(yīng)屬于三體磨損,磨料對材料表面的作用力有2個(gè):一是垂直于涂層表面的壓力;二是平行于涂層表面的切力,在這2個(gè)方向力的作用下,磨粒一方面受到擠壓,壓入涂層材料中,另一方面,在橡膠輪的帶動(dòng)下磨料平行于涂層表面作切削運(yùn)動(dòng),因此,磨損開始階段的磨損機(jī)理是以擠壓塑性變形為主,隨后是微觀切削形成犁溝或犁皺.通過以上2種合金涂層及Q235鋼耐磨性試驗(yàn)對耐磨性能分析如下:1)彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的作用合金粉末中的合金元素一方面熔入γ固溶體中起到固溶強(qiáng)化的作用;另一方面,在冷卻過程中會(huì)形成Fe23(C,B)6、(Cr,Fe)7C3、Cr7C3等合金碳化物,這些合金碳化物彌散分布在涂層中起到彌散強(qiáng)化的作用,由于Fe65合金粉末中含有較多的C及Cr元素,因此Fe基合金涂層中的固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用相對于Ni基涂層來說更為明顯,從而體現(xiàn)出Fe基合金涂層相比Ni基涂層具有更高的硬度和耐磨性.2)硬質(zhì)顆粒對涂層耐磨粒磨損性能的影響在2種合金涂層中存在較多未熔的合金碳化物硬質(zhì)顆粒,除其本身有很好的耐磨性外,還能在磨粒磨損過程中起到阻擋犁溝擴(kuò)展的作用,致使磨痕往往在硬質(zhì)相處間斷,石英砂磨料的運(yùn)動(dòng)受到阻礙,減緩了涂層受磨損的進(jìn)程.而Q235鋼中由于沒有任何硬質(zhì)顆粒,所以磨料可以暢通無阻地對其進(jìn)行磨損,故磨痕寬、深且平直,磨損掉的材料多,磨損量非常高.而Fe基合金涂層中硬質(zhì)顆粒比Ni基的數(shù)量更多,分布更彌散.3)硬質(zhì)顆粒與涂層基體結(jié)合強(qiáng)度對耐磨性的影響采用等離子噴焊所制備的涂層與基體金屬呈冶金結(jié)合,涂層中存在的硬質(zhì)顆粒和基體金屬結(jié)合緊密,不會(huì)在磨損過程中產(chǎn)生脫落,可以有效地阻礙磨料的磨損運(yùn)動(dòng).3涂層的耐磨性1)采用等離子噴焊Fe基和Ni基自熔性合金粉末制備的涂層與基體呈冶金結(jié)合,硬度分別為HV815.4和HV631.8,耐磨性能相較于基體金屬分別提高約6倍和4倍.2)采用等離子噴焊技術(shù)制備的涂層其耐磨性要優(yōu)于氧乙炔