鐵基和鎳基超聲速火焰噴涂涂層滑動磨損行為研究

程國東 ，萬舉惠

(1.海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520；2.青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,山東 青島 266510)

石油石化裝備易受到腐蝕和磨損，帶有壓力的腐蝕性氣體和液體沖蝕著管線內(nèi)壁，易造成管壁減薄。針對生產(chǎn)乙烯的氧氯化反應(yīng)器管匯腐蝕和磨損的特點(diǎn)，研制了耐蝕耐磨的合金涂層，通過超聲速火焰噴涂方法[1-2](High Velocity Oxy-fuel，HVOF)在管匯外壁基體上沉積一層鎳基或鐵基合金涂層，從而減緩其腐蝕和減少磨損。

根據(jù)氧氯化反應(yīng)器的腐蝕磨損特點(diǎn)，研制了兩種噴涂粉末,比較了兩種自制粉末與商業(yè)Ni60粉末的性能差別。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

基體材料為45號鋼。噴涂材料為自制鐵基(1號)、鎳基(2號)自熔合金粉末和商用粉末Ni60, 其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。粉末粒徑為38.5～76 μm。

表1 噴涂粉末的化學(xué)成分

試樣先經(jīng)丙酮清洗除油和噴砂處理，然后采用超聲速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層。以丙烷為燃料氣，高壓氧氣為助燃?xì)?，氮?dú)鉃樗头蹥?。噴涂時(shí)，丙烷壓力為0.4 MPa，流量為44 L/min；氧氣壓力為0.55 MPa，流量為442 L/min；氮?dú)鈮毫?.35 MPa，流量為43 L/min。噴涂距離為200 mm。噴涂涂層厚度為250～300 μm。

采用國產(chǎn)銷盤式固定磨料磨損機(jī)進(jìn)行滑動磨損試驗(yàn)，工作原理見圖1。將涂層試樣固定在底座圓盤上，將對磨試樣做成銷釘，銷釘試樣在一定的負(fù)荷下轉(zhuǎn)動，并與下試樣進(jìn)行摩擦。銷釘試樣材料為45號鋼，對其進(jìn)行淬火處理，硬度為50 HRC。下試樣尺寸為φ34 mm×10 mm。試驗(yàn)前采用電子天平稱量試樣的質(zhì)量，試驗(yàn)過程中，每磨損100 m測量一次試樣的質(zhì)量。用磨損前后的質(zhì)量差Yw評價(jià)涂層的滑動磨損性能。磨損質(zhì)量損失Yw越小，涂層的耐滑動磨損性能越好。為減少涂層表面狀態(tài)對磨損率的影響，在試驗(yàn)前對試樣表面用200目砂紙進(jìn)行預(yù)磨。磨損正壓力為50 N；磨損距離為800 m；銷子轉(zhuǎn)速為0.5 m/s。

采用掃描電鏡(SEM)對涂層磨損后的表面形貌進(jìn)行觀察，用X射線衍射儀對粉末和涂層相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖1 MPX盤銷式磨損試驗(yàn)機(jī)(MPX-200)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 X射線衍射分析

圖2是鐵基粉末涂層和鎳基粉末涂層的XRD(X射線衍射)圖譜。

圖2 粉末及涂層的XRD分析結(jié)果

從圖2 (a)可以看到,鐵基粉末和涂層的相結(jié)構(gòu)為α-Fe,γ-Fe,M23(C,B)6和Cr7C3相，但從圖2(b)可以看出,涂層中沒有M23(C,B)6相。

從圖2(c)和圖2(d)可以看到,鎳基粉末涂層以鎳基固溶體為主，且在鎳基固溶體基體上彌散分布著Ni，F(xiàn)e和Cr的各種價(jià)態(tài)的硼化物。涂層除了鎳基粉末含有的CrB和(FeCr)2B的增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)外，還含有Cr2B，(Cr，Ni)5B4/(Cr，Ni)4B3相。

2.2 滑動磨損行為分析

圖3是三種涂層在磨損800 m后的質(zhì)量損失。由圖3可以看出,鎳基粉末涂層的質(zhì)量損失最少，鐵基粉末涂層損失最多，鎳基涂層損失約為鐵基粉末涂層的27.18%，并且自制鎳基粉末涂層質(zhì)量損失約為Ni60涂層的58.05%。由此可見鎳基粉末涂層和Ni60涂層的耐滑動磨損性能均優(yōu)于鐵基粉末涂層，在鎳基粉末涂層中含有大量硼化物和碳化物(Cr2B和CrB)，而這些硼化物都具有較高的硬度[3-5]，而鎳基固溶體對這些硬質(zhì)相有著很好的支撐作用，因此其耐磨性能優(yōu)良。而在鐵基粉末涂層中只有很少量的碳化物，其涂層耐滑動磨損性能較差。

圖3 涂層的滑動磨損質(zhì)量損失

圖4為鐵基粉末和鎳基粉末涂層磨損后的表面形貌特征。從圖4(a)可以看出，鎳基粉末涂層表面為小塊狀的剝落坑，可見其滑動磨損的主要失效形式為涂層的小塊狀剝落。

從圖4(c)可以看出，鐵基粉末涂層表面不僅存在小面積潰坑，而且還存在大面積的條狀撕裂痕跡，可見其滑動磨損失效形式為涂層的塊狀剝落加黏著磨損。

2.2.1 涂層的塊狀剝落失效機(jī)理

由圖4(b)可明顯看到，鎳基粉末涂層的剝落區(qū)域是由與涂層表面平行和垂直的光滑斷裂表面組成，具有解理斷裂特征。由圖4(d)可以看出，在鐵基粉末涂層表面斷裂區(qū)邊緣存在顯微裂紋，這說明，磨損裂紋源萌生于表面，裂紋沿平行涂層表面的亞表面迅速擴(kuò)展，與鄰近的裂紋連接起來，造成涂層片狀剝落，此磨損特征與疲勞磨損特征相似。

圖4 涂層磨損表面形貌SEM照片

2.2.2 涂層的黏著磨損失效機(jī)理

由圖5可以看出，鐵基粉末涂層的失效為沿層間弱結(jié)合面的層狀撕裂。分析認(rèn)為，滑動磨損過程中，由于循環(huán)摩擦應(yīng)力的作用，使得涂層的層間弱結(jié)合面發(fā)生松動，在黏著磨損力的作用下，涂層發(fā)生層狀撕裂。可見，鐵基粉末涂層的滑動磨損失效機(jī)理為塊狀剝落和層狀撕裂。

圖5 鐵基粉末涂層黏著磨損特征

3 結(jié) 論

(1)HVOF噴涂工藝不改變粉末的主要相結(jié)構(gòu)，只改變合金中的碳化物、硼化物含量，涂層與粉末的主要相結(jié)構(gòu)相同。

(2)自制鎳基粉末的HVOF噴涂層耐滑動磨損性能優(yōu)于商用Ni60粉末HVOF噴涂層，自制鐵基粉末涂層耐磨損性能較差。

(3)自制鐵基粉末涂層滑動磨損的主要失效形式為涂層的小塊狀剝落。自制鐵基粉末涂層滑動磨損失效機(jī)理為在循環(huán)摩擦應(yīng)力作用下，涂層的層間弱結(jié)合面發(fā)生松動，在黏著磨損力的作用下，涂層發(fā)生塊狀剝落和層狀撕裂。