球閥表面熱噴涂鎳基合金強化層耐磨性的研究

王 坤，姜鶴明，金克雨，王小瑾，尚玉來，鄭道友，陶子雄，唐 恩

(1.浙江工貿職業技術學院光電制造學院，浙江 溫州 325037；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 溫州 325102)

石油化工管道中球閥廣泛的被用來控制流體的方向、壓力、流量。由于球閥長期服役過程中承受流體和氣體的沖刷，密封面接觸位置常因磨損而影響密封效果[1-2]。對于一些關鍵位置的球閥，可通過表面處理技術對球閥表面進行強化處理，在其表面制備耐磨減摩強化層，從而延長球閥使用壽命。氧乙炔火焰噴涂將金屬粉末加熱至熔化，噴射并沉積到金屬基材表面，其強化層厚度可控制在0.15～3.00 mm之間，所以可在球閥表面獲得具有耐磨、耐蝕的強化層[3-4]。

鎳基合金粉末是自熔性合金粉末中應用最廣泛的一種，具有優良耐腐蝕、抗氧化性、耐熱、耐磨粒磨損及良好的沖擊韌性。常見的鎳基合金粉末有Ni30、Ni45、Ni60等系列，它們均在閥門等制造業中得到了廣泛應用。不同的合金成分所制備的強化層具備不同的硬度、耐腐蝕和耐磨損等性能。

本文采用氧乙炔火焰噴涂方法在不銹鋼表面制備Ni45和Ni60兩種鎳基合金粉末強化層試樣。并對強化層的微觀結構、硬度和摩擦磨損性能進行了研究，以期為高性能鎳基合金強化層的制備和選用提供參考[5-7]。

1 試樣的制備

熱噴涂試驗用的基材是規格為200 mm×200 mm×20 mm的商用CF8M不銹鋼板，其具體成分如表1所示。

表1 基材CF8M不銹鋼的化學成分 單位：%

試驗用的150～300目的商用鎳基(Ni45和Ni60)粉末其粒徑為50～100 μm，鎳基粉末微觀形貌如圖1所示，可以看出該鎳基金屬粉末球形度較好，幾乎全部為近球形和橢球形，粒度分布均勻且衛星球少，保證了粉末具有足夠好的流動性，硬質顆粒的粒度也比較均勻。

試驗用的150～300目的商用鎳基(Ni45和Ni60)粉末其粒徑為50 ～ 100 μm，鎳基粉末微觀形貌如圖1所示，可以看出該鎳基金屬粉末球形度較好，幾乎全部為近球形和橢球形，粒度分布均勻且衛星球少，保證了粉末具有足夠好的流動性，硬質顆粒的粒度也比較均勻。

圖1 鎳基合金粉末(Ni60)SEM形貌圖

噴涂前對CF8M不銹鋼鋼板進行噴砂毛化處理，以除去基體表面的鐵銹、鱗皮、毛刺、焊渣等污物，并形成具有相當粗糙度的基體表面，以提高熱噴涂強化層的結合力。利用氧氣乙炔火焰熱噴涂制備出不同鎳基合金粉末(Ni45和Ni60)的強化層，粉末的化學成分如表2所示。噴涂距離300 mm，熱噴涂搭接距離8 mm，噴涂完成之后，繼續利用氧氣乙炔火焰對試樣進行重熔處理。

表2 試樣熱噴涂金屬粉末的化學成分 單位：%

將熱噴涂強化處理后的試樣利用電火花數控線切割機床沿垂直于噴涂方向的截面進行切割以制取樣塊以備后續試驗的使用，樣塊尺寸為25 mm×10 mm×20 mm。使用PG-2B金相拋光機依次對試樣表面和側面進行打磨和拋光處理，采用LEICADM2500光學金相顯微鏡，Phenom XL電子顯微鏡和能譜掃描儀及 HV-1000A顯微硬度計對樣塊表面進行檢測和分析。

利用MSR-2T型電化學往復摩擦磨損試驗儀對樣塊進行摩擦磨損試驗，壓力負荷為600 N，試驗時間為60 min。摩擦磨損試驗結束后采用酒精對試樣進行清洗，采用 Phenom XL電子顯微鏡表征其磨損形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 強化層結構

Ni45與Ni60強化層形貌圖如圖2所示，可以觀察到基材表面受到噴砂毛化處理后凹凸不平。為了真實反映噴涂層厚度，Ni45強化層隨機選取3處測量厚度分別為1455 μm、1431 μm、1422 μm，平均值為1436 μm；Ni60強化層隨機選取3處測量厚度分別為1176 μm、1151 μm、1164 μm，平均值為1163 μm。

圖2 Ni45和Ni60強化層形貌圖

在強化層形貌圖中可以觀察到結合區存在少量的孔隙，并且逐步延伸到強化層中部。熱噴涂過程中熔化和半熔化狀態下的鎳基粉末顆粒堆疊在基材表面，而粉末中變形嚴重的顆粒、低速和低溫的顆粒在堆疊過程中變形不充分，從而形成孔隙。另一方面，熱噴涂過程中，鎳基粉末從液態逐步凝固為固態，而粉末中部分雜質的溶解度隨著溫度下降而降低，從而釋放出氣體最終形成孔隙。在每個試樣側面方向隨機選取5張掃描電鏡顯微圖，并通過ImageJ軟件測量了經過氧氣乙炔火焰噴涂強化后涂層的孔隙率。其中，Ni45強化層致密度為98.89%，其計算孔隙率為1.11%。Ni60強化層致密度為98.39%，其計算孔隙率為1.61%。

Ni45強化層表層的微觀形貌如圖3所示，Ni45強化層中分布著多個相，結合能譜元素分析可以看出，圖中白色組織(A1點所在位置)主要為鎳基合金粉末中形成的固溶體。黑色組織(A2點所在位置)為Cr元素和C元素富集區域，初步推斷為碳化物、硼化物等硬質相?；疑M織(A3點所在位置)為Ni元素和Cr元素富集區域，初步推斷為鎳、鉻合金的軟質共晶組織。

圖3 Ni45強化層元素分析

表3 Ni45和Ni60強化層能譜元素測定成分表 單位：%

利用電子顯微鏡分析觀察Ni60強化層表層的微觀形貌如圖4所示。與Ni45強化層相比，Ni60強化層中灰色和黑色組織更為均勻，數量更多。結合能譜元素分析可以看出圖中白色組織(B1點所在位置)為Ni元素和Si元素富集區域，推斷為鎳、硅合金的軟質共晶組織。黑色組織(B2點所在位置)為Cr元素和C元素富集區域，推斷為碳化物、硼化物等硬質相?；疑M織(B3點所在位置)為Ni元素和Cr元素富集區域，初步推斷為鎳、鉻合金的軟質共晶組織。

圖4 Ni60強化層元素分析

由此可以初步判斷，氧乙炔火焰熱噴涂鎳基合金粉末Ni45和Ni60可以在基材表面堆疊出孔隙率在1.11%和1.61%、具有一定厚度的強化層。強化層中組織主要為白色的基礎相包裹灰色和黑色的硬質相。根據粉末中成分的不同，Ni60強化層中的強化相含量明顯增多。

2.2 強化層硬度分析

采用維氏顯微硬度計測試試樣的硬度，其中加載載荷為300 g，加載時間10 s，在Ni45和Ni60強化層表面方向每間隔100 μm打點測試，結果如圖5所示。

圖5 Ni45和Ni60強化層表面顯微硬度圖

Ni45與Ni60強化層平均顯微硬度分別為422 HV0.3和788 HV0.3，較基材CF8M不銹鋼硬度260 HV0.3分別提高了62.3%和203.1%。由圖可以看出強化層顯微硬度值有所波動，原因在于熱噴涂強化層中存在一些微觀的孔隙和缺陷，導致硬度值下降，如Ni45強化層中的388 HV0.3和Ni60強化層中的500 HV0.3。同時強化層中存在硬質的顆粒，此時顯微硬度會有明顯的上升，如Ni60強化層中的942 HV0.3。

在Ni45和Ni60強化層在結合區附近深度方向每間隔100 μm打點測試，結果如圖6所示。

圖6 Ni45和Ni60強化層截面顯微硬度圖

Ni45和Ni60強化層的顯微硬度沿著厚度方向逐漸下降，分別從490 HV0.3下降到基材的257 HV0.3和800 HV0.3下降到基材的274 HV0.3。受到熱噴涂火焰的熱影響，基材在結合區附近硬度有所變化。熱噴涂強化層截面方向同樣中存在一些微觀的孔隙和缺陷，導致硬度值下降，如Ni60強化層中的742 HV0.3。

2.3 強化層耐磨性分析

利用MSR-2T型電化學往復摩擦磨損試驗儀對樣塊進行摩擦磨損試驗，載荷600 g，時間60 min，摩擦磨損運動為10 mm直線往復式運動。

摩擦系數是表征摩擦磨損性能的重要指標之一，經典摩擦理論中講到，摩擦系數的大小不僅能直接表征涂層表面的粗糙度，也能直觀地反映出摩擦磨損的狀況[8-9]。Ni45強化層摩擦系數如圖7所示，摩擦系數平均值為0.640，摩擦系數在0～10 min波動較大，而后逐步穩定在0.6～0.7的區間。前期波動主要是摩擦副之間相互磨合，逐步磨去表層的氧化膜導致。10 min之后其中可以發現存在摩擦系數突然的下降，然后馬上回升，如圖7中20～30 min區間中，50～60 min區間中。初步判斷為摩擦過程中有顆粒掉落在摩擦副之間，形成滾動摩擦而導致。相比之下，Ni60強化層摩擦系數平均值為0.546，同樣前期受表面氧化膜的影響，摩擦系數在10 min前波動較大，而后逐步穩定在0.4～0.6的區間。

圖7 Ni45和Ni60強化層摩擦系數對比

為了進一步分析不同成分的鎳基合金強化層的摩擦行為和磨損機理，利用電子顯微鏡觀察并測量試樣強化層表層磨痕和磨屑。Ni45和Ni60強化層的磨損形貌具有明顯的平行于滑動摩擦方向的犁溝，表明摩擦過程中存在磨粒磨損。同時，在磨損痕跡附近存在數量和大小不一的剝落坑，表明存在粘著磨損或者疲勞磨損。

Ni45強化層磨痕如圖8(a)所示，其形貌為條狀溝犁和大片的塊狀剝落坑。Ni60強化層磨痕如圖8(b)所示，其形貌為條狀溝犁和少量的塊狀剝落坑，并且面積比Ni45強化層更小。

圖8 Ni45(a)和Ni60(b)強化層磨痕形貌

通過對Ni45強化層磨屑粉末能譜的分析，主要元素質量分數為：鎳(Ni)47.5%、氧(O)16.8%、鉻(Cr)15%、鐵(Fe)11.2%、硅(Si)6.9%、碳(C)2.6%，和鎳基粉末成分基本一致。而氧(O)元素的出現是因為熔覆層在摩擦過程中的溫度升高導致強化層中元素發生了氧化，表明也存在氧化磨損的現象。

當摩擦副剛開始接觸時，由于表面粗糙度比較大，實際接觸面積為摩擦副的突出和尖角部位，是總面積的小部分，而施加較小的載荷在突出的接觸面上的局部應力引起塑性變形而導致粘著磨損的現象。同時由于摩擦過程中會發生塑性變形，滑動產生的循環應力很容易集中在析出相與基體的界面處[10-11]。因此，裂紋在這些薄弱區域附近產生和擴展，當裂紋進一步擴展到極限時，就產生了分層現象，同時磨屑含有片狀物，意味著存在部分的疲勞磨損[12-13]，經測量，Ni45強化層磨痕的寬度為1.860 mm，平均深度為3.27 μm。Ni60強化層磨痕的寬度為2.670 mm，平均深度為1.53 μm。計算磨痕截面分別為6.082×102μm，4.086×102μm，Ni60強化層磨損量比Ni45強化層減少了48.9%。

綜上所述，Ni45和Ni60強化層在摩擦磨損測試中主要分為兩個階段。前10 min摩擦副處于跑合磨損階段，在此階段由于實際接觸面積較小，接觸點粘著嚴重，摩擦系數波動較大，而且此階段磨損率較大。10 min之后隨著跑合磨損的進行，表面微峰峰頂逐漸磨去，實際接觸面積增大，摩擦系數和磨損率也趨于穩定。鎳基強化層主要磨損機理為磨粒磨損、疲勞磨損和大量的粘著磨損。磨粒磨損主要是鎳基強化層中鎳、鉻合金等軟質組織受到硬質顆粒溝犁現象導致。而粘著磨損和疲勞磨損主要為合金中材料塑性變形和應力集中導致。

Ni60強化層中黑色組織的碳化物等硬質相含量高于Ni45強化層，而硬質相在摩擦磨損過程中減少了塑性變形的量，加強了強化層抵抗粘著磨損的能力從而提高了強化層的耐磨性。Ni60強化層主要磨損機理為磨粒磨損、少量的粘著磨損和疲勞磨損。

3 結論

(1)在常見球閥不銹鋼基材表面制備氧乙炔熱噴涂鎳基強化層，其中Ni45強化層厚度在1.43 mm以上，孔隙率在1.11%以下，Ni60強化層厚度在1.16 mm以上，孔隙率在1.61%以下。

(2)Ni45強化層平均顯微硬度為422 HV，Ni60強化層平均顯微硬度為788 HV，較基材CF8M不銹鋼硬度260 HV分別提高了62.3%和203.1%。

(3)Ni60涂層中鉻碳化合物硬質相的存在可以減少強化層中粘著磨損和疲勞磨損的現象，主要磨損機理為磨粒磨損。Ni60涂層的磨損量比Ni45涂層減少了48.9%，表現出更為優異的耐磨損性能。