铁基和镍基超声速火焰喷涂涂层滑动磨损行为研究

程国东 ，万举惠

(1.海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520；2.青岛兰石重型机械设备有限公司,山东 青岛 266510)

石油石化装备易受到腐蚀和磨损，带有压力的腐蚀性气体和液体冲蚀着管线内壁，易造成管壁减薄。针对生产乙烯的氧氯化反应器管汇腐蚀和磨损的特点，研制了耐蚀耐磨的合金涂层，通过超声速火焰喷涂方法[1-2](High Velocity Oxy-fuel，HVOF)在管汇外壁基体上沉积一层镍基或铁基合金涂层，从而减缓其腐蚀和减少磨损。

根据氧氯化反应器的腐蚀磨损特点，研制了两种喷涂粉末,比较了两种自制粉末与商业Ni60粉末的性能差别。

1 试验材料、设备及方法

基体材料为45号钢。喷涂材料为自制铁基(1号)、镍基(2号)自熔合金粉末和商用粉末Ni60, 其成分(质量分数)见表1。粉末粒径为38.5～76 μm。

表1 喷涂粉末的化学成分

试样先经丙酮清洗除油和喷砂处理，然后采用超声速火焰喷涂系统制备涂层。以丙烷为燃料气，高压氧气为助燃气，氮气为送粉气。喷涂时，丙烷压力为0.4 MPa，流量为44 L/min；氧气压力为0.55 MPa，流量为442 L/min；氮气压力为0.35 MPa，流量为43 L/min。喷涂距离为200 mm。喷涂涂层厚度为250～300 μm。

采用国产销盘式固定磨料磨损机进行滑动磨损试验，工作原理见图1。将涂层试样固定在底座圆盘上，将对磨试样做成销钉，销钉试样在一定的负荷下转动，并与下试样进行摩擦。销钉试样材料为45号钢，对其进行淬火处理，硬度为50 HRC。下试样尺寸为φ34 mm×10 mm。试验前采用电子天平称量试样的质量，试验过程中，每磨损100 m测量一次试样的质量。用磨损前后的质量差Yw评价涂层的滑动磨损性能。磨损质量损失Yw越小，涂层的耐滑动磨损性能越好。为减少涂层表面状态对磨损率的影响，在试验前对试样表面用200目砂纸进行预磨。磨损正压力为50 N；磨损距离为800 m；销子转速为0.5 m/s。

采用扫描电镜(SEM)对涂层磨损后的表面形貌进行观察，用X射线衍射仪对粉末和涂层相结构进行分析。

图1 MPX盘销式磨损试验机(MPX-200)

2 试验结果分析

2.1 X射线衍射分析

图2是铁基粉末涂层和镍基粉末涂层的XRD(X射线衍射)图谱。

图2 粉末及涂层的XRD分析结果

从图2 (a)可以看到,铁基粉末和涂层的相结构为α-Fe,γ-Fe,M23(C,B)6和Cr7C3相，但从图2(b)可以看出,涂层中没有M23(C,B)6相。

从图2(c)和图2(d)可以看到,镍基粉末涂层以镍基固溶体为主，且在镍基固溶体基体上弥散分布着Ni，Fe和Cr的各种价态的硼化物。涂层除了镍基粉末含有的CrB和(FeCr)2B的增强相结构外，还含有Cr2B，(Cr，Ni)5B4/(Cr，Ni)4B3相。

2.2 滑动磨损行为分析

图3是三种涂层在磨损800 m后的质量损失。由图3可以看出,镍基粉末涂层的质量损失最少，铁基粉末涂层损失最多，镍基涂层损失约为铁基粉末涂层的27.18%，并且自制镍基粉末涂层质量损失约为Ni60涂层的58.05%。由此可见镍基粉末涂层和Ni60涂层的耐滑动磨损性能均优于铁基粉末涂层，在镍基粉末涂层中含有大量硼化物和碳化物(Cr2B和CrB)，而这些硼化物都具有较高的硬度[3-5]，而镍基固溶体对这些硬质相有着很好的支撑作用，因此其耐磨性能优良。而在铁基粉末涂层中只有很少量的碳化物，其涂层耐滑动磨损性能较差。

图3 涂层的滑动磨损质量损失

图4为铁基粉末和镍基粉末涂层磨损后的表面形貌特征。从图4(a)可以看出，镍基粉末涂层表面为小块状的剥落坑，可见其滑动磨损的主要失效形式为涂层的小块状剥落。

从图4(c)可以看出，铁基粉末涂层表面不仅存在小面积溃坑，而且还存在大面积的条状撕裂痕迹，可见其滑动磨损失效形式为涂层的块状剥落加黏着磨损。

2.2.1 涂层的块状剥落失效机理

由图4(b)可明显看到，镍基粉末涂层的剥落区域是由与涂层表面平行和垂直的光滑断裂表面组成，具有解理断裂特征。由图4(d)可以看出，在铁基粉末涂层表面断裂区边缘存在显微裂纹，这说明，磨损裂纹源萌生于表面，裂纹沿平行涂层表面的亚表面迅速扩展，与邻近的裂纹连接起来，造成涂层片状剥落，此磨损特征与疲劳磨损特征相似。

图4 涂层磨损表面形貌SEM照片

2.2.2 涂层的黏着磨损失效机理

由图5可以看出，铁基粉末涂层的失效为沿层间弱结合面的层状撕裂。分析认为，滑动磨损过程中，由于循环摩擦应力的作用，使得涂层的层间弱结合面发生松动，在黏着磨损力的作用下，涂层发生层状撕裂。可见，铁基粉末涂层的滑动磨损失效机理为块状剥落和层状撕裂。

图5 铁基粉末涂层黏着磨损特征

3 结 论

(1)HVOF喷涂工艺不改变粉末的主要相结构，只改变合金中的碳化物、硼化物含量，涂层与粉末的主要相结构相同。

(2)自制镍基粉末的HVOF喷涂层耐滑动磨损性能优于商用Ni60粉末HVOF喷涂层，自制铁基粉末涂层耐磨损性能较差。

(3)自制铁基粉末涂层滑动磨损的主要失效形式为涂层的小块状剥落。自制铁基粉末涂层滑动磨损失效机理为在循环摩擦应力作用下，涂层的层间弱结合面发生松动，在黏着磨损力的作用下，涂层发生块状剥落和层状撕裂。