基于同步送粉法的鍋爐管高頻感應(yīng)熔覆組織性能

王云山，胡 鵬，雷劍波，岑 虎，顧振杰

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

基于同步送粉法的鍋爐管高頻感應(yīng)熔覆組織性能

王云山，胡 鵬，雷劍波，岑 虎，顧振杰

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

采用高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)，在12CrMoV合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的鍋爐管表面進(jìn)行了采用熱噴涂、水玻璃作為黏結(jié)劑冷預(yù)置涂層、高頻感應(yīng)同步送粉器直接將合金粉末送于鍋爐管表面3種工藝方法制備NiCrSiB耐磨合金涂層實驗研究，用SEM和能譜儀分析了基體與熔覆層界面和熔覆層間的微觀組織及成分，開展了硬度測試實驗.結(jié)果表明：在熔覆電流為830 A、熔覆頻率為250 kHz的條件下，熱噴涂法得到的熔覆層與基體有明顯的間隙；水玻璃作為黏結(jié)劑冷預(yù)置涂層法獲得的熔覆層有夾渣且表面不平整；而同步送粉法得到的熔覆層表面平整，熔覆層和基體間有明顯的鋸齒狀白亮帶,表明熔覆層和基體形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層平均硬度為310 HV，是基體硬度的2倍.可見同步送粉高頻感應(yīng)熔覆工藝相對于預(yù)涂層法高頻感應(yīng)熔覆具有環(huán)保、加工效率高、無空隙夾渣、圓柱面平整度高、低成本等明顯優(yōu)勢。

高頻感應(yīng)；熔覆層；鍋爐管；NiCrSiB合金涂層；同步送粉

鍋爐高、低溫過熱器和再熱器受飛灰磨損引起的爆管和泄漏是我國電廠鍋爐運行中經(jīng)常發(fā)生的事故之一[1-4].電廠行業(yè)急需可行和成熟的耐磨、耐高溫的復(fù)合鍋爐管的制造方法和加強(qiáng)現(xiàn)有的鍋爐管修復(fù)技術(shù).鍋爐管主要失效形式為磨損，管類零件修復(fù)方法很多，包括電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、噴焊、熔覆[5-10].本文將提供一種新的解決方法，以克服飛灰磨損對管壁的磨損，延長管排壽命，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運行.感應(yīng)熔覆技術(shù)是將磁導(dǎo)率、電阻率與基體材料不同的合金粉末預(yù)先涂敷于基體表面或者用同步送粉器將合金粉末送置于基體表面，利用感應(yīng)線圈中的交變磁場在工件中產(chǎn)生渦流，渦流的趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的熱量熔化合金涂層，從而使涂層與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，達(dá)到強(qiáng)化基體的目的[11-12].感應(yīng)熔覆具有周期短、成本低、操作方便、對基體熱影響小、且熔覆層成形性好，表面平整，后續(xù)加工量比較少等特點[13-14].感應(yīng)熔覆主要過程是先將工件處理好，用熱噴涂或者冷預(yù)置涂層法將合金粉末預(yù)置于工件表面，然后利用感應(yīng)線圈對其加熱熔覆[15].但是熱噴涂預(yù)置法得到的熔覆層與基體未形成冶金結(jié)合，冷預(yù)置法得到的熔覆層有粘結(jié)劑夾渣，表面形貌不好.正是為了解決上述問題或者缺陷，本文以NiCrSiB合金粉末作為熔覆材料，在12CrMoV合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的鍋爐管表面采用高頻感應(yīng)熔覆的方法，進(jìn)行了采用熱噴涂、水玻璃作為粘結(jié)劑冷預(yù)置涂層、高頻感應(yīng)同步送粉器直接將合金粉末送于鍋爐管表面3種工藝方法制備耐磨合金涂層實驗研究.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

基體材料選用12CrMoV合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的鍋爐管，其規(guī)格為Φ44.5 mm×5 mm；為了滿足鍋爐管的高耐磨、耐蝕性要求，熔覆合金層材料采用NiCrSiB合金，其目數(shù)為-140～+320，基體和合金層材料的成分如表1所示.

表1 基體和合金粉末的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of matrix and alloy powder %

1.2 實驗材料預(yù)處理

鍋爐管在高頻熔覆前，先對基體試樣（鍋爐管）進(jìn)行除油、除銹等表面處理工序，經(jīng)清洗、干燥處理后，再用方法一，即用熱噴涂的方式在管表面噴涂一層厚為0.5 mm的NiCrSiB涂層；方法二即為用水玻璃作為粘結(jié)劑直接將合金粉末NiCrSiB常溫冷涂在管表面，厚度約為0.5 mm；方法三為運用高頻熔鑄送粉器直接將合金粉末NiCrSiB送與管表面，然后進(jìn)行熔覆實驗.

1.3 高頻感應(yīng)熔覆工藝原理及實驗裝置

基體試樣在高頻熔覆之前進(jìn)行除油和除銹等表面處理，采用圖1所示的高頻熔覆實驗裝置進(jìn)行實驗.圖1所示的實驗系統(tǒng)包括：型號為GC的感應(yīng)淬火機(jī)床、感應(yīng)加熱工作頭 (紫銅管制成的線圈)、型號為GP100的高頻感應(yīng)加熱電源、絲杠、高頻熔覆送粉器等.其中所選用的感應(yīng)加熱電源的參數(shù)為：振蕩功率100 kW，感應(yīng)加熱頻率200～250 kHz.

圖1 鍋爐管高頻熔覆實驗原理圖（同步送粉）Fig.1 High frequency cladding experimental schematic diagram of boiler tube（synchronous powder feeding）

高頻熔覆實驗的工藝原理：將鍋爐管裝卡好后，調(diào)整好工藝參數(shù)后啟動感應(yīng)加熱電源和淬火機(jī)床，套在鍋爐管上的熔覆工作頭中有電流產(chǎn)生，由于感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng)，管壁表層有大渦流產(chǎn)生，合金層材料快速被加熱熔化，同時冷卻水管開始對熔覆工作頭進(jìn)行水冷；熔覆工作頭相對工件向左移動，高頻熔覆送粉器同時送粉，管右半部分的合金涂層不斷加熱熔化，直至高頻熔覆過程結(jié)束.

1.4 熔覆層組織及性能測試

在給定頻率f為250 kHz時，熔覆電流I取830 A，分別采用熱噴涂法水玻璃冷預(yù)置法及同步送粉法進(jìn)行高頻感應(yīng)熔覆實驗.為了保護(hù)熔覆層的完整性和涂層組織的原始形態(tài)，用線切割機(jī)依次從熔覆后的3個鍋爐管端面橫向截取弧形試塊，編號為1、2、3號，然后用金相砂紙對試件表面進(jìn)行打磨.依次經(jīng)過200#、400#、600#、800#、1000#砂紙打磨，采用型號為XQ-2B的鑲嵌機(jī)對試塊進(jìn)行鑲嵌制成鑲嵌試樣.再將試件用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，采用氧化鉻作為拋光液.最后用分別進(jìn)行腐蝕劑（H2O∶HNO3∶HF按6∶1∶1配比）腐蝕35 s、水沖洗、酒精沖洗、干燥處理；選用S-4800型掃描電子顯微鏡觀察試樣熔覆層和基體組織，用能譜儀對金相試樣成分進(jìn)行測試分析；使用DHV-1000型數(shù)顯顯微硬度計沿深度方向以0.1 mm為間隔，測試試樣的顯微硬度，所加載荷為0.5 kg.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 熔覆層微觀組織

圖2為頻率f取250 kHz、熔覆電流I取830 A時得到的3種工藝條件下的試樣熔覆層的顯微組織.圖中下側(cè)為基體，上側(cè)為合金熔覆層.

圖2 不同工藝條件下的熔覆層金相組織Fig.2 Cladding microstructure of different process conditions

由圖2（a）可以看到，1號試樣的熔覆層和基體間有明顯的間隙，熔覆層和基體間為機(jī)械力結(jié)合，類似熱噴涂組織.由圖2(b)可以看出，2號試樣的熔覆層和基體交界處出現(xiàn)了一條清晰帶狀的白亮帶，白亮帶區(qū)域的組織相對熔覆層組織較為粗大、均勻；圖中下部為基體，上部為NiCrSiB合金涂層，中間是過渡層.在加熱過程中，由于電磁感應(yīng)的肌膚效應(yīng)，基體與涂層的結(jié)合面加熱速度最快，溫度最高，基材界面被熔融的涂層合金浸潤時，基材表面薄層中的一些Fe、C原子被激活，脫離基材點陣進(jìn)入涂層，并在液態(tài)合金中加速擴(kuò)散，迅速地改變了固溶區(qū)的成分.因此認(rèn)為，固溶區(qū)是涂層中的Ni、Si、Cr和B溶入基材高溫奧氏γ相中，使γ相強(qiáng)烈合金化，穩(wěn)定性提高，在隨后的快速冷卻中，γ相被保留下來，從而形成了一種固相擴(kuò)散物.這種固相擴(kuò)散產(chǎn)物組織致密，有極高的耐腐蝕性，腐蝕后在顯微鏡下仍然很光亮.但是由于粘結(jié)劑的使用，熔覆層形成小突起，具體分析得出小突起為水玻璃的固體形態(tài)，其影響熔覆層的外觀形貌.由圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)，3號試樣熔覆層和基體過渡區(qū)組織一致性很好，且有一條鋸齒狀寬大的白亮帶，表明熔覆層和基體互熔.對比圖2（a）、（b）、（c）可以看出，只有試樣2和試樣3的熔覆層和基體之間的白亮帶較寬且組織均勻，白亮帶的鋸齒形狀最明顯，表明在此種熔覆參數(shù)下（f=250 kHz，I=830 A）熔覆層和基體的成分得到了充分滲透、擴(kuò)散；但試樣3的外形更好，不需要前期準(zhǔn)備.且能得到預(yù)想中良好冶金結(jié)合的合金涂層.

2.2 熔覆層和基體組織成分分析

2號、3號試樣熔覆層橫截面的SEM照片如圖3所示，可以看到熔覆層和基體界面處基本實現(xiàn)冶金結(jié)合.

圖3 2、3號試樣熔覆層橫截面的SEM圖Fig.3 SEM map of cross section of cladding about sample 2 and sample 3

圖4（a）—（c）分別對2號試樣基體、過渡區(qū)、熔覆層均進(jìn)行了能譜分析及成分分析.圖4（a）是對過渡區(qū)附近的基體進(jìn)行的能譜分析，可以看到基體主要含F(xiàn)e、Ni、C及少量的Cr；由表1看出基體不含Ni，而合金材料含Ni，顯然基體中的Ni是合金材料在高頻熔覆中滲透到熔覆層中的.圖4（b）是對熔覆層和基體過渡區(qū)材料進(jìn)行的能譜分析，可以看出過渡區(qū)主要含Cr、Ni、Si及少量的從基體滲透過來的Fe；過渡區(qū)中Ni、Cr元素含量相對熔覆層含量明顯減少.圖4（c）是對靠近過渡區(qū)的熔覆層進(jìn)行的能譜分析，可看到熔覆層主要含Cr、C、Ni及少量從基體滲透過來的Fe.

圖4 2號試樣能譜及成分分析Fig.4 Analysis of energy spectrum and component about sample 2

圖5（a）～5（c）分別對3號試樣基體、過渡區(qū)、熔覆層均進(jìn)行了能譜分析及成分分析對比圖4（a）～5（c）可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的含量基體最高，過渡區(qū)次之，最低為熔覆區(qū)，Ni含量則是負(fù)相關(guān)的趨勢，熔覆層最高，過渡區(qū)次之，最低為基體.這說明2號試樣和3號試樣元素相對擴(kuò)散，SEM圖可以看到清晰的白亮帶，說明基體和合金層冶金結(jié)合.

圖5 3號試樣能譜及成分分析Fig.5 Analysis of energy spectrum and component about sample 3

2.3 熔覆層和基體顯微硬度測試分析

圖6為從熔覆層最外層到基體層的顯微硬度分布曲線，其中距熔覆層最外層的距離為0.5～1 mm范圍內(nèi)的區(qū)域為熱影響區(qū).

圖6 1、2、3號試樣顯微硬度曲線Fig.6 Microhardness curve of sample one two and three

圖中，基體的平均硬度為155 HV，和熔覆前相比基本不變；熱噴涂預(yù)置法獲得的熔覆層最高顯微硬度為340 HV，是基體的2.19倍；水玻璃冷預(yù)置涂層法獲得的熔覆層最高顯微硬度為380 HV，是基體的2.45倍；同步送粉法獲得的熔覆層最高顯微硬度為360 HV，是基體的2.32倍.從基體到熱影響區(qū)，顯微硬度逐漸增大，到靠近熔覆層和基體界面處時略有上升，接著沿著熔覆層方向先迅速升高，隨后基本保持穩(wěn)定.

3 結(jié)論

（1）實驗頻率為250 kHz時，熔覆電流為830 A，熱噴涂法得到的1號試樣的熔覆層和基體間有明顯的間隙，熔覆層和基體間為機(jī)械力結(jié)合，類似熱噴涂組織.冷預(yù)置涂層法得到2號試樣的熔覆層和基體交界處出現(xiàn)了一條清晰帶狀的白亮帶，白亮帶區(qū)域的組織相對熔覆層組織較為粗大、均勻；表明熔覆層和基體間相互充分滲透，形成冶金結(jié)合.用高頻熔鑄送粉器將合金粉末直接送于鍋爐管表面進(jìn)行高頻感應(yīng)熔覆，得到的3號試件熔覆層和基體過渡區(qū)組織一致性很好，且有一條鋸齒狀寬大的白亮帶，表明熔覆層和基體互熔.

（2）能譜分析表明：基體中的Fe元素向熔覆層滲透，熔覆層中的Ni元素向基體滲透，過渡區(qū)中Ni、Cr元素含量相對熔覆層含量明顯減少.2號試樣熔覆層最高硬度380 HV，是基體的2.45倍；3號試樣熔覆層最高硬度360 HV，是基體的2.32倍.2號試樣熔覆層含有固態(tài)水玻璃，其熔覆層硬度高于同步送粉法所得熔覆層的硬度.但考慮到同步送粉法不需要前期處理，以及熔覆層形貌較冷預(yù)置涂層法優(yōu)良，同步送粉法可以得到既經(jīng)濟(jì)又有良好冶金結(jié)合的涂層.

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High frequency induction cladding microstructure and properties of the boiler pipe based on synchronous powder feeding method

WANG Yun-shan，HU Peng，LEI Jian-bo，CEN Hu，GU Zhen-jie
（School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The NiCrSiB alloy coating was fabricated on the surface of boiler tube with 12Cr MoV structural alloy steel by highfrequency induction cladding.The first kind of method is thermal spraying,the second is cold-preseting coating method when water glass was used for binder,the third is a synchronous powder feeding method.The Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive Spectrometer were used to analyze microstructure and composition of the cladding layers.The hardness experiment was carried out.The cladding current was set to be 830 A.The power frequency was given at the level of 250 kHz.The results show that the cladding layer and the substrate obtained by the method of thermal spraying has obvious gap.Cladding layers had slag and its surface were roughness by the cold-preseting coating method.The surface of cladding layers were smooth by the way of synchronous powder feeding method.And the result that serrated white bright band between the cladding layer and the substrate shows transitional zone forms metallurgical bonding.The hardness of cladding layer is 310 HV，which is 2 times higher than that of substrate.This technology of high frequency induction cladding by the way of synchronous powder feeding method has more advantages such as environment protection，higher machining efficiency，higher smoothness of cylindrical surface，no slag inclusion，lower processing cost，than that by pre-coating methods.

high frequency induction；cladding layer；boiler tube；NiCrSiB cladding layer；synchronous powder feeding

TG178

A

1671－024X（2015）01－0084－05

2014-12-12

天津市科技支撐計劃重點項目（11ZCKFGX02500）

王云山（1954—），男，博士，教授，主要研究方向為激光制造理論與應(yīng)用和表面工程應(yīng)用研究.E-mail：wys0126@126.com