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在能源和化工領域的地位越來越突出[1]。煤化工系統零件失效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。煤化工系統中存在大量的管道、閥門等設備。這些閥門在煤化工系統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、組織結構以獲得優良的耐腐蝕、耐磨等性能，是一種比較可行且經濟的辦法[2-6]。熱噴涂技術是為解決材料腐蝕、高溫磨損等問題而發展起來的表面處理技術之一，在閥門行業得到大力推廣，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?；臑镈N100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型噴槍參數表

表2 Ni60合金粉末成分質量分數%

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實驗。

采用Sirion場發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、分布方式及涂層的孔隙大小等對涂層的性能產生關鍵及決定性的作用。

如圖4所示，涂層內部組織比較均勻，孔隙較少，而且存在少量顆粒物質。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，更不容易產生不完全重疊，從而形成孔隙。

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

圖4 涂層顯微形貌圖（200×）

圖5 微區能譜掃描位置

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。經過重熔處理，涂層與基體之間發生了元素擴散，其中Fe及Ni元素擴散最為明顯。Fe元素從基體向涂層發生擴散，而Ni元素由涂層向基體擴散，該現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生脫落。

表3 微區成分質量分數分析表 %

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部硬度。由圖9可知，涂層內部硬度最低為677.04 HV，最高為890.52 HV，平均硬度為734.09 HV。通過這些數據可知，涂層內部硬度波動較大，但整體硬度值仍然較高。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。

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對磨環來摩擦試樣。經比較涂層與基體失重數據可發現，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）涂層經加熱熔融形成硬質陶瓷相，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，減少經濟損失，提高生產效率。

圖11 涂層與基體磨損量柱狀圖