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.青島蘭石重型機械設備有限公司,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壁，易造成管壁減薄。針對生產乙烯的氧氯化反應器管匯腐蝕和磨損的特點，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。

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

1 試驗材料、設備及方法

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(質量分數)見表1。粉末粒徑為38.5～76 μm。

表1 噴涂粉末的化學成分

試樣先經丙酮清洗除油和噴砂處理，然后采用超聲速火焰噴涂系統制備涂層。以丙烷為燃料氣，高壓氧氣為助燃氣，氮氣為送粉氣。噴涂時，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；氮氣壓力為0.35 MPa，流量為43 L/min。噴涂距離為200 mm。噴涂涂層厚度為250～300 μm。

采用國產銷盤式固定磨料磨損機進行滑動磨損試驗，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荷下轉動，并與下試樣進行摩擦。銷釘試樣材料為45號鋼，對其進行淬火處理，硬度為50 HRC。下試樣尺寸為φ34 mm×10 mm。試驗前采用電子天平稱量試樣的質量，試驗過程中，每磨損100 m測量一次試樣的質量。用磨損前后的質量差Yw評價涂層的滑動磨損性能。磨損質量損失Yw越小，涂層的耐滑動磨損性能越好。為減少涂層表面狀態對磨損率的影響，在試驗前對試樣表面用200目砂紙進行預磨。磨損正壓力為50 N；磨損距離為800 m；銷子轉速為0.5 m/s。

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

圖1 MPX盤銷式磨損試驗機(MPX-200)

2 試驗結果分析

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分析結果

從圖2 (a)可以看到,鐵基粉末和涂層的相結構為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，Fe和Cr的各種價態的硼化物。涂層除了鎳基粉末含有的CrB和(FeCr)2B的增強相結構外，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后的質量損失。由圖3可以看出,鎳基粉末涂層的質量損失最少，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相有著很好的支撐作用，因此其耐磨性能優良。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理

由圖4(b)可明顯看到，鎳基粉末涂層的剝落區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理

由圖5可以看出，鐵基粉末涂層的失效為沿層間弱結合面的層狀撕裂。分析認為，滑動磨損過程中，由于循環摩擦應力的作用，使得涂層的層間弱結合面發生松動，在黏著磨損力的作用下，涂層發生層狀撕裂。可見，鐵基粉末涂層的滑動磨損失效機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 論

(1)HVOF噴涂工藝不改變粉末的主要相結構，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構相同。

(2)自制鎳基粉末的HVOF噴涂層耐滑動磨損性能優于商用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理為在循環摩擦應力作用下，涂層的層間弱結合面發生松動，在黏著磨損力的作用下，涂層發生塊狀剝落和層狀撕裂。