球體表面火焰噴焊制備Ni60涂層及耐磨性研究

徐志新， 茅嶺峰， 吳春豪

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇啟東226232）

0 引 言

目前，隨著環(huán)保要求越來越高，煤液化、煤制天然氣、煤制乙二醇等煤化工行業(yè)在能源和化工領域的地位越來越突出[1]。煤化工系統(tǒng)零件失效90%來源于腐蝕和磨損，約30%以上的能源直接消耗于摩擦磨損。煤化工系統(tǒng)中存在大量的管道、閥門等設備。這些閥門在煤化工系統(tǒng)中反應條件極為苛刻，對閥門的耐磨損、耐腐蝕、耐沖蝕等性能要求較高。通過改進球閥本體的傳統(tǒng)方法成本較高，目前，利用各種表面技術改變材料表面的形貌、成分、組織結構以獲得優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨等性能，是一種比較可行且經(jīng)濟的辦法[2-6]。熱噴涂技術是為解決材料腐蝕、高溫磨損等問題而發(fā)展起來的表面處理技術之一，在閥門行業(yè)得到大力推廣，其中火焰噴焊技術因操作簡單、效果較好而應用最廣[7]。

本文通過先進的電鏡掃描、能譜線掃描、XRD物相分析、顯微硬度計測量等手段，從微觀和材料元素組成等角度研究火焰噴焊制備的Ni60涂層的成型機理，為煤化工閥門的耐磨工藝提供理論支撐。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗設備為上海瑞法SH-2000型噴槍，參數(shù)如表1所示。噴涂粉末為肯納司太立公司提供的Ni60粉末，粒度為15～75 μm，形貌如圖1所示，成分如表2所示。基材為DN100球閥球體，如圖2所示，材料為316不銹鋼。

1.2 實驗方法

圖1 Ni60 合金粉末顯微形貌圖

本實驗采用氧-乙炔火焰噴焊工藝，首先對球體噴砂處理，經(jīng)噴砂處理，去除表面銹跡與油漬。噴砂處理可凈化工作表面，擴大涂層與基體接觸面積提高基體與涂層結合強度。

火焰噴焊過程：先在基體材料表面噴涂少量打底層，再對基體進行預熱至200 ℃。預熱可減少噴涂粉末與基體的溫差，降低涂層內(nèi)部熱應力，這樣有利于涂層與基體形成冶金結合。噴涂粉末時，噴嘴與球體表面成90°，噴槍移動速度要緩慢均勻，使球體表面涂層平整均勻。噴涂結束后對涂層進行重熔處理，此時應注意重熔速度，速度過快會導致涂層氧化和過熔[8]。重熔時鎳基合金粉末（Ni60）有優(yōu)良的還原脫氧及除氣造渣功能。重熔之后噴焊層中形成的氣孔和氧化物夾雜大部分得以消除，此外，涂層融化并完全潤濕基體表面使得涂層與基體間元素發(fā)生互擴散，使噴焊層獲得較強的冶金結合。

圖2 噴砂后球閥球體

表1 SH-2000型噴槍參數(shù)表

表2 Ni60合金粉末成分質(zhì)量分數(shù)%

試樣冷卻：噴焊結束后將試樣放置在石棉中緩慢冷卻，防止冷卻速度過快造成涂層應力開裂。冷卻后的球體如圖3所示。

全部冷卻結束后，將球體沿球心方向通過線切割切成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的試樣，對表面進行清潔處理用于后續(xù)實驗。

采用Sirion場發(fā)射掃描電鏡分析涂層截面形貌；采用D8-DISCOVER型XRD衍射儀分析材料物相；采用FM-700顯微硬度計和Fr-3e數(shù)字洛氏硬度計測試涂層截面與表面硬度；采用MM-2P磨損試驗機分析涂層耐磨性。

圖3 噴涂后球閥球體

2 結果與分析

2.1 組織形貌分析

涂層的形貌組織、物相形態(tài)、分布方式及涂層的孔隙大小等對涂層的性能產(chǎn)生關鍵及決定性的作用。

如圖4所示，涂層內(nèi)部組織比較均勻，孔隙較少，而且存在少量顆粒物質(zhì)。噴焊涂層中的孔隙對涂層的耐磨損性具有很大影響，因此涂層孔隙率是涂層的一項重要性能指標[8]。熔化的粒子內(nèi)溶解有一定量的氣體，當析出的氣體來不及從粒子中逸出時，便留在變形粒子中形成氣孔（如圖4中左側(cè)邊界處所示）。涂層是由變形粒子堆疊形成的，對于溫度速度較低的粒子，由于變形不充分，更不容易產(chǎn)生不完全重疊，從而形成孔隙。

由圖5可知，涂層由灰褐色區(qū)域、灰白色區(qū)域及黑色孔隙組成。從表3的EDS能譜可看出，灰白色區(qū)域為富鎳區(qū)域，鎳基體比較致密，缺陷較少；灰褐色區(qū)域為富鉻區(qū)，此區(qū)域流動性相對較差，熔滴中產(chǎn)生的氣體不能及時浮出，故周圍易產(chǎn)生孔隙。

圖4 涂層顯微形貌圖（200×）

圖5 微區(qū)能譜掃描位置

從圖6可以看出，涂層與基體界面分層明顯，分界面處易產(chǎn)生孔隙和微裂紋。這是因為噴砂后表面易受污染，在預熱之前需少量噴涂一層打底層，故此處缺陷較為集中。經(jīng)過重熔處理，涂層與基體之間發(fā)生了元素擴散，其中Fe及Ni元素擴散最為明顯。Fe元素從基體向涂層發(fā)生擴散，而Ni元素由涂層向基體擴散，該現(xiàn)象與涂層截面微觀組織一致[8]。表明涂層與基體為冶金結合，而冶金結合使工件承受較大的工作應力而不發(fā)生脫落。

表3 微區(qū)成分質(zhì)量分數(shù)分析表 %

2.2 涂層物相分析

圖6 涂層截面能譜線掃描位置圖

由圖8的涂層物相分析可知：該涂層主要由Fe3Ni、Cr1.12Ni2.88、Ni、Cr3C7、Cr3Ni5Si2等物相組成，其他物相較少，故衍射峰上沒有顯示。其中，含Cr相能對基體產(chǎn)生固溶強化作用，增強涂層鈍化能力進而提高涂層耐蝕性。Cr3C7、Cr3Ni5Si2等金屬間化合物，還能對涂層起到彌散強化作用從而提高材料耐磨性。

圖7 涂層界面元素擴散掃描

2.3 硬度與耐磨性分析

圖8 涂層XRD物相分析圖

因涂層截面厚度較薄，故采 用FM-700維氏顯微硬度計測試涂層截面顯微硬度。因為顯微硬度計壓痕較小，而涂層內(nèi)部組織不是很均勻，故采用多列打點取平均值的方法來測試涂層內(nèi)部硬度。由圖9可知，涂層內(nèi)部硬度最低為677.04 HV，最高為890.52 HV，平均硬度為734.09 HV。通過這些數(shù)據(jù)可知，涂層內(nèi)部硬度波動較大，但整體硬度值仍然較高?；w部分的平均硬度值為118.91 HV，涂層硬度為基體硬度的6.2倍。

圖9 涂層顯微硬度沿層深方向分布曲線

由圖10可知，基體磨損體積遠大于涂層。圖11所示為同一參數(shù)下，涂層與基體的磨損量。用MM-2P屏顯式摩擦磨損試驗機，在設定載荷為400 N、磨損時間為30 min時，用外徑為40 mm的GCr15對磨環(huán)來摩擦試樣。經(jīng)比較涂層與基體失重數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，Ni60涂層失重量（16.5 mg）遠小于基體材料失重量（302.5 mg），表明涂層可大幅提高材料耐磨性。

圖10 涂層與基體磨損后形貌

3 結 論

1）粉末在高溫熔融之后混合均勻，涂層內(nèi)部存在較少缺陷。涂層與基體間存在20 μm左右的過渡層，表明涂層與基體可達到比較強的冶金結合。

2）涂層經(jīng)加熱熔融形成硬質(zhì)陶瓷相，提升了涂層的硬度，平均硬度為734.09 HV，基體部分的平均硬度值為118.91 HV，涂層硬度為基體硬度的6.2倍。

3）涂層硬度與耐磨性成正相關，涂層硬度越高，耐磨性越好。涂層的產(chǎn)生可有效保護基體材料，延長零部件使用壽命。

4）氧-乙炔火焰噴焊工藝簡單，成本較低，形成的涂層對閥門球體表面起到顯著保護作用，可以有效解決煤化工閥門因表面磨損而導致的卡死、泄漏等破壞問題，減少經(jīng)濟損失，提高生產(chǎn)效率。

圖11 涂層與基體磨損量柱狀圖