等離子熔覆高鉻鐵基涂層高溫耐磨性與耐空蝕性*

劉均波

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

等離子熔覆高鉻鐵基涂層高溫耐磨性與耐空蝕性*

劉均波

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

采用等離子熔覆工藝,以Fe-Cr-C-W-Ni復(fù)合粉末為原料;在Q235鋼基材表面制備了高鉻鐵基復(fù)合涂層。測(cè)試了涂層的高溫耐磨性和耐空蝕性。結(jié)果表明,涂層中含有大量硬質(zhì)耐磨相(Cr, Fe)7C3,具有較高的顯微硬度,涂層在高溫干滑動(dòng)磨損條件下具有優(yōu)異的耐磨性能和載荷特性,經(jīng)44 h空蝕試驗(yàn)后累積的質(zhì)量損失量為0Cr13Ni6Mo不銹鋼的0.497倍,具有一定的耐空蝕性能。

等離子熔覆;高鉻鐵基涂層;高溫耐磨性;耐蝕性

磨損是機(jī)械零部件最常見(jiàn)的主要失效形式之一[1],并導(dǎo)致巨大的能源及材料浪費(fèi),研究開(kāi)發(fā)優(yōu)異耐磨材料是減少磨損最有效途徑之一。高溫耐磨機(jī)械零部件工作條件惡劣,要求材料既具有優(yōu)異的耐磨性能又具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能[2-3]。(Cr,Fe)7C3金屬陶瓷具有硬度高、耐腐蝕性及抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn),常被用作耐磨或抗氧化涂層的增強(qiáng)相[4-5]。但(Cr,Fe)7C3的脆性致使該材料目前尚不能作為整體結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用。然而其極高的常溫和高溫硬度及金屬鍵和共價(jià)鍵共存的性質(zhì),使(Cr,Fe)7C3具備了作為耐磨復(fù)合材料中耐磨增強(qiáng)相的條件[6]。固溶了大量合金元素的γ固溶體具有良好的塑性、韌性及較高的強(qiáng)度,以高硬、耐磨的(Cr,Fe)7C3金屬陶瓷作為增強(qiáng)相,以韌性、塑性良好的γ-Fe固溶體作為基體的Cr7C3/γ-Fe復(fù)合材料涂層,應(yīng)具有優(yōu)異的高溫耐磨性能,在此方面的研究報(bào)道很少。為此,以鐵粉、鉻粉、鎢粉、鎳粉等為原料,經(jīng)等離子熔覆獲得了原位合成高鉻鐵基涂層。分析了高溫磨損試驗(yàn)條件下涂層的耐磨性能和耐蝕性,并對(duì)其耐磨性和耐蝕性機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)基體材料選用Q235鋼,試樣尺寸為150 mm×150 mm×20 mm。試驗(yàn)用粉末為Fe、Cr、W、Ni粉末和作為碳的前軀體的蔗糖。熔覆設(shè)備是DFR-I型反應(yīng)等離子熔覆機(jī)床,工藝參數(shù)為:工作電流400 A,保護(hù)氣體和電離氣體(A r)流量均為1.0 m3/h,送粉氣(A r)流量0.5 m3/h,等離子束流的掃描速度600 mm/min,同步送粉量280 g/m in,噴嘴距離工件距離30 mm?；w材料為陽(yáng)極,等離子炬為陰極,對(duì)基體進(jìn)行多道連續(xù)掃描,使整個(gè)表面均得到處理。垂直于涂層截取試樣,加工成18 mm圓柱形,涂層表面拋光。

高溫滑動(dòng)磨損試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,選取調(diào)質(zhì)C級(jí)鋼作為標(biāo)樣,為滿足試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣尺寸的要求,將對(duì)比試樣和等離子熔覆高鉻鐵基涂層試樣均用電火花切割成尺寸為6mm 6mm 7mm的矩形塊,作為磨損上試樣,以試樣的6mm 6mm表面作為磨損面;選取具有較高的高溫硬度及優(yōu)良的抗氧化性能的鎳基高溫合金GH22(室溫硬度500HV)作為圓盤狀下試樣。載荷98N,相對(duì)滑動(dòng)速度0.15m/s,滑動(dòng)距離508m。

空蝕設(shè)備為J93025型超聲振蕩磁致伸縮儀,雙峰振幅42μm,頻率(19±1)k Hz。試驗(yàn)用水為(25±1 )℃自來(lái)水。選取耐空蝕性能優(yōu)良的0Cr13Ni6Mo不銹鋼按相同規(guī)格試樣進(jìn)行相同試驗(yàn)條件下的對(duì)比試驗(yàn)。用LEO1450掃描電子顯微鏡觀察涂層的顯微組織,用XD-3A型X射線衍射儀測(cè)定涂層的析出物相,用HV-1000型顯微硬度計(jì)檢測(cè)涂層及結(jié)合界面處的硬度,載荷200 g,保持時(shí)間為10 s。試樣在每次空蝕試驗(yàn)前后分別進(jìn)行清洗、烘干、用精度為0.1mg的FA 1004N型分析天平稱,再用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)觀察表面涂層空蝕過(guò)程中的形貌變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 高鉻鐵基復(fù)合涂層的顯微組織

圖1 等離子熔覆高鉻鐵基復(fù)合涂層典型組織SEM照片

圖1為等離子熔覆高鉻鐵基復(fù)合涂層的典型組織照片,可明顯看出,涂層顯微組織結(jié)構(gòu)特征為黑色塊狀初生相均勻分布于灰白色共晶基體上。共晶組織細(xì)小均勻,XRD結(jié)合EDS分析結(jié)果表明:規(guī)則塊狀初生相為(Cr,Fe)7C3,其體積分?jǐn)?shù)約占整個(gè)涂層的60%,硬度為HV 1100-1300。共晶基體中體積分?jǐn)?shù)較高的白色組織為γ固溶體,EDS分析結(jié)果表明γ固溶體中固溶有大量的Cr和少量的W、Ni,在隨后的冶金熔池冷卻過(guò)程中以γ的形式保持到室溫。共晶基體中顏色較深的不規(guī)則粒狀組織為共晶(Cr,Fe)7C3/γ。

2.2 Q235鋼和等離子熔覆高鉻鐵基涂層磨損表面形貌

圖2 600℃高溫滑動(dòng)磨損表面SEM形貌

圖2為Q235鋼和等離子熔覆高鉻鐵基涂層與對(duì)磨盤鎳基高溫合金GH22在載荷為98N、相對(duì)滑動(dòng)速度為0.15m/s、試驗(yàn)溫度為600℃、磨損滑動(dòng)行程為508m試驗(yàn)條件下的磨損表面SEM形貌。從圖2(a)可以看出,Q235鋼磨損表面布滿了既寬又深的犁溝及大塊的粘著剝落坑,表明在600℃高溫下,鎳基高溫合金GH22對(duì)磨盤表面的微凸體對(duì)Q235鋼產(chǎn)生了較嚴(yán)重的犁削和擦傷作用,同時(shí)兩摩擦面之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的粘著磨損。而涂層磨損表面均比較光滑,只有輕微的擦劃痕,沒(méi)有明顯粘著磨損的痕跡。對(duì)圖2中的黑色凸起區(qū)域進(jìn)行EDS分析,確定其成分為(at.%):10.18%O,1.44%Cr,86.39%Fe,1.63%Ni。黑色凸起區(qū)域Fe、Cr、O含量較高,這一結(jié)果表明GH22對(duì)磨盤材料向涂層表面發(fā)生了涂抹轉(zhuǎn)移,Ni的存在說(shuō)明轉(zhuǎn)移層中也含有少量的涂層在高溫磨損過(guò)程中脫落的磨屑,氧的存在表明在環(huán)境溫度及摩擦熱的雙重作用下涂抹轉(zhuǎn)移層材料發(fā)生了氧化。

圖3為等離子熔覆高鉻鐵基涂層與對(duì)磨盤鎳基高溫合金GH22在載荷98N、溫度600℃、相對(duì)滑動(dòng)速度0.15m/s、磨損滑動(dòng)行程508m試驗(yàn)條件下磨損表面亞表層形貌,可以看出,初生(Cr,Fe)7C3增強(qiáng)相與涂層基體基本上處于同一平面上,初生(Cr,Fe)7C3增強(qiáng)相沒(méi)有出現(xiàn)剝落及開(kāi)裂現(xiàn)象,磨損表面亞表層無(wú)明顯塑性變形特征。

圖3 等離子熔覆高鉻鐵基涂層高溫滑動(dòng)磨損表面亞表層SEM形貌

2.3 高鉻鐵基復(fù)合涂層的顯微硬度

圖4為涂層由表及里的顯微硬度分布。由圖4可見(jiàn),涂層內(nèi)硬度分布比較均勻,涂層具有較高的硬度,平均約為1100HV0.1,表面硬度高且分布平緩,由表及里逐漸降低到基體的硬度。

圖4 涂層顯微硬度

圖5 等離子熔覆層與不銹鋼的空蝕質(zhì)量損失曲線

2.4 高鉻鐵基復(fù)合涂層的耐空蝕性

圖5為等離子涂層空蝕質(zhì)量損失曲線。由圖5可見(jiàn),0Cr13Ni6Mo不銹鋼和涂層空蝕過(guò)程中的前16 h質(zhì)量損失相當(dāng),20 h后0Cr13Ni6Mo不銹鋼質(zhì)量損失加快,經(jīng)44 h空蝕后,對(duì)比試樣0Cr13Ni6Mo不銹鋼的累計(jì)質(zhì)量損失量為78 mg,涂層為38.8 mg,是0Cr13Ni6Mo不銹鋼的0.497倍。這表明涂層具有一定的耐空蝕性能。

圖6 等離子熔覆層空蝕不同時(shí)間后的表面SEM照片

圖6為兩種涂層空蝕一定時(shí)間后的表面SEM圖。由圖6可見(jiàn),空蝕6 h后0Cr13Ni6Mo不銹鋼表面出現(xiàn)一些小的針孔,0Cr13Ni6Mo不銹鋼表面開(kāi)始“變?yōu)酢?10h后針孔區(qū)域開(kāi)始變大出現(xiàn)明顯的空蝕坑,16 h后空蝕坑范圍擴(kuò)大,部分開(kāi)始相互連接,深度增加,同時(shí)空蝕的數(shù)量不斷增多。涂層空蝕初期形貌變化與0Cr13Ni6Mo不銹鋼相似,空蝕8 h后開(kāi)始有針孔出現(xiàn),14 h后針孔區(qū)域開(kāi)始變大出現(xiàn)明顯的空蝕坑, 22 h后空蝕坑范圍擴(kuò)大,深度增加,空蝕坑相互連接,但坑深較淺。在相同時(shí)間內(nèi),0Cr13Ni6Mo不銹鋼較涂層的空蝕嚴(yán)重。在空蝕過(guò)程中,空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓振蕩波和高速微射流通過(guò)引起材料表面劇烈的塑性變形,致使材料表面裂紋萌生、擴(kuò)展、局部斷裂以及隨后的空蝕剝落。因此,材料的耐空蝕性能與材料抵御變形的能力有關(guān)[4]。高鉻鐵基等離子熔覆層空蝕破壞的過(guò)程是:當(dāng)空泡在涂層表面潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓振蕩波和高速微射流誘發(fā)部分γ相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織[5],同時(shí)γ相受到?jīng)_擊力作用會(huì)發(fā)生塑性變形,出現(xiàn)大量的形變位錯(cuò)和孿晶[6]。由于γ相被斷續(xù)網(wǎng)狀分布的奧氏體枝晶及枝晶間(Cr,Fe)7C3等化合物形成的硬質(zhì)相晶界分割開(kāi),因此阻礙了滑移和孿晶的產(chǎn)生,使得位錯(cuò)在晶界處塞積并不斷聚集,于是晶界附近形成較高的應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)的存在一方面加速了形變馬氏體組織的形成,另一方面,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值,超過(guò)了晶界中脆性相所能承受的臨界應(yīng)力值時(shí),這些相開(kāi)始萌生裂紋并以一定角度向內(nèi)部擴(kuò)展,幾條裂紋交會(huì)或與底面相貫通后,造成小部分弱相脫落,形成小的針孔即空蝕坑[7]。

圖7a為空蝕1 h后氣孔附近裂紋形成的SEM照片。涂層晶界相硬度越高,晶界內(nèi)氣孔、雜質(zhì)越少,阻止位錯(cuò)滑移和孿晶產(chǎn)生的能力越強(qiáng)。當(dāng)晶界內(nèi)存在雜質(zhì)、氣孔、裂紋等缺陷時(shí),空蝕坑的形成將變得非常迅速?？瘴g孔附近的雜質(zhì)相由于一側(cè)作用力的消除而受力不均勻,導(dǎo)致其與基體的結(jié)合受到破壞脫落并在周邊基體上產(chǎn)生裂紋(見(jiàn)圖7b),裂紋沿雜質(zhì)相邊緣擴(kuò)展交匯或底部貫通,使空蝕坑增大,并沿晶界延伸(見(jiàn)圖7c)。

3 結(jié)論

(1)以Fe-Cr-C-W-Ni復(fù)合粉末為原料,采用優(yōu)化的等離子熔覆工藝,在調(diào)質(zhì)Q235鋼基材表面制備了高鉻鐵基復(fù)合涂層;

(2)涂層在600℃時(shí)具有良好的高溫滑動(dòng)磨損耐磨性;

(3)涂層具有較高的顯微硬度,空蝕44 h后累積質(zhì)量損失是0Cr13Ni6Mo不銹鋼的0.497倍,說(shuō)明涂層具有良好的耐空蝕性能。

[1]金慶生.35M nVN、40M nV Ti非調(diào)質(zhì)鋼溫鍛后的組織及耐磨性研究[J].金屬熱處理,2006,36(3):40-44.

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High Temperature Wear Resistance and Cavitation Rosion Resistance of Plasma Cladding High-chromium Iron-base Coating

LIU Jun-bo
(Weifang University,Weifang 261061,China)

A high-chromium iron-base coating was fabricated on the surface of Q 235 steel using composite powder of Fe-Cr-C-W-Ni with the optimum plasma cladding process.The high temperature w ear resistance and corrosion resistance w as tested.Results indicate that the coating has a great quantity hard wear resistance phase(Cr,Fe)7C3and superior microhardness.The coating has excellent wear resistance and load character.The cumulative mass loss is only 49.7%as that of 0Cr13Ni6Mo steel after 44 hours cavitation erosion.The coating has good corrosion resistance.

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TG174.44

A

1671-4288(2010)04-0001-04

(責(zé)任編輯:肖恩忠)

2010-05-12

山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2007GG30003003)

劉均波(1973-),男,山東諸城人,濰坊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授,博士。研究方向:材料表面涂層技術(shù),粉末冶金。