金屬基體噴焊層抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方法

王傳鴻(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

0 引言

石油鉆采領(lǐng)域及機(jī)械制造領(lǐng)域中，經(jīng)常需要表面耐腐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化等各種不同功能的金屬零件，而熱噴涂工藝很好的滿(mǎn)足了對(duì)金屬零件的這些要求。無(wú)論噴涂方式還是噴熔(噴涂+熔化，冶金結(jié)合)方式形成的基體與噴涂材料的結(jié)合，都存在涂層結(jié)合強(qiáng)度與噴焊層抗拉強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求的問(wèn)題。本文就熱噴涂噴焊層抗拉強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行探討，提出試驗(yàn)用拉伸組件，便于更好的選擇適合基體的噴涂材料，確定噴焊層厚度。

1 必要性分析

涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下料所需要的力[1]，它是熱噴涂涂層設(shè)計(jì)與應(yīng)用的一個(gè)最基本的重要的性能參數(shù)。熱噴涂技術(shù)[2]作為表面工程學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是一種表面防護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù)。熱噴涂工藝后，金屬與噴涂材料之間的結(jié)合強(qiáng)度以及噴焊層的抗拉強(qiáng)度，直接影響金屬零件的使用效果與壽命。

當(dāng)金屬與噴涂材料之間的結(jié)合強(qiáng)度或者噴焊層的抗拉強(qiáng)度小于實(shí)際工況下的最大壓力時(shí)，噴焊層會(huì)發(fā)生脫落，變形或斷裂等諸多問(wèn)題。所以為了獲得滿(mǎn)足各種功能(耐腐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化等)的金屬零件，我們不僅需要研究金屬與噴涂材料之間的結(jié)合強(qiáng)度，還需要檢測(cè)噴焊層的抗拉強(qiáng)度。只有當(dāng)二者均大于使用工況下的最大壓力時(shí)，才能確保在基體完好的情況下，噴焊層不發(fā)生脫落，變形或斷裂等問(wèn)題。

2 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法研究

測(cè)定金屬基體抗拉強(qiáng)度最行之有效的方式是通過(guò)拉力機(jī)對(duì)拉伸試棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同樣，對(duì)熱噴涂后的金屬零件進(jìn)行噴焊層抗拉強(qiáng)度的測(cè)定，也可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)完成。

2.1 設(shè)計(jì)拉伸試樣

圖1所示為噴焊層抗拉強(qiáng)度測(cè)試所用的拉伸試樣組件。其中，試樣1是由件1(如圖2所示)與件2 (如圖3所示)通過(guò)熱噴涂工藝形成的一個(gè)整體。在加工件1與件2時(shí)，應(yīng)最大程度的保證分型面與中心軸線(xiàn)的垂直度、分型面的平面度以及內(nèi)孔與外圓的同軸度。

圖1 拉伸組件1

圖2 件1

圖3 件2

理論上，可以直接用拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試，但考慮到拉伸試樣中件1與件2螺紋的同軸度影響，故設(shè)計(jì)圖1所示的拉伸組件1。件1與件2通過(guò)件3、件4及緊固件連接。裝配后即為噴涂前拉伸試樣組件1。組件中其余零件的作用是，最大程度的減小拉伸過(guò)程中，熱噴涂結(jié)合面受到的徑向剪切力，使得拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

拉伸試驗(yàn)后，通過(guò)查看斷裂位置及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以確定金屬基體和噴涂層選用是否合適。如果斷裂位置在件1與件2的分型面處，那么試驗(yàn)結(jié)果中的抗拉強(qiáng)度就代表噴焊層的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明金屬基體和噴涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度大于噴涂層自身的抗拉強(qiáng)度；如果噴焊層斷裂位置在件1或者件2上，這就相當(dāng)于附著在件1或者件2上的噴涂層脫落，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的抗拉強(qiáng)度就代表金屬基體與噴涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度，此時(shí)金屬基體和噴涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度小于噴焊層的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)熱噴涂工藝處理的零件，通過(guò)對(duì)比拉伸試驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)與實(shí)際工況需滿(mǎn)足的數(shù)據(jù)，可以判斷金屬基體、噴涂材料，以及噴涂層厚度是否滿(mǎn)足要求。

下面就拉伸組件的加工與裝配做具體分析。首先，加工圖1所示的件1、件2、件3和件4；然后，按照?qǐng)D4所示進(jìn)行裝配，裝配后，加工組件外圓面、螺栓兩端頂針孔及噴涂槽，形成噴涂前拉伸試樣組件1。

圖4 噴涂前拉伸試樣組件1

考慮在拉伸過(guò)程中，件1與件2的分型面無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想貼合狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致貼合處為拉伸最為薄弱的位置。鑒于此，另外加工如圖5所示的噴涂前拉伸試樣組件2，可將相關(guān)的拉伸結(jié)果作為參考。組件2在件1與件2貼合的位置增加了內(nèi)凹圓弧，可補(bǔ)足件1和件2面貼和不理想導(dǎo)致的薄弱。

圖5 噴涂前拉伸試樣組件2

組件裝配并完成加工后，按照需求進(jìn)行熱噴涂，噴涂工藝依照零件實(shí)際需要的噴涂工藝來(lái)定。熱噴涂后，將組件中的螺栓、螺母、彈性墊圈與平墊圈拆除，加工試樣外圓面及內(nèi)螺紋孔，至此，拉伸試樣加工完成，如圖6與圖7所示。需特別注意，加工后的拉伸試樣，噴焊層的截面面積與實(shí)際產(chǎn)品噴焊層的截面面積相同。

圖6 熱噴涂后拉伸試樣1

圖7 熱噴涂后拉伸試樣2

理想的拉伸試樣需滿(mǎn)足：噴焊層外圓與螺栓孔同軸；熱噴涂結(jié)合面與螺栓孔同軸。將拉伸試樣與件3、件4、螺栓及螺母按照?qǐng)D1進(jìn)行裝配并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2.2 對(duì)拉伸試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

以柱塞噴涂層抗拉強(qiáng)度測(cè)試為例，試驗(yàn)組件中件1、件2、件3與件4材料有20#和40Cr兩種，噴涂材料為Ni60粉末。噴涂過(guò)程由零件供應(yīng)廠商完成，采用2次噴涂方式，首先將Ni60粉末噴涂在組件噴涂凹槽內(nèi)并填滿(mǎn)，然后二次高溫加熱使噴涂層均勻附著在組件上。試樣數(shù)量、材料及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試樣數(shù)量、材料及測(cè)試結(jié)果

表1中序號(hào)3、4、5拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖8所示。

圖8 序號(hào)3、4、5拉伸試樣應(yīng)力-應(yīng)變圖

拉伸試驗(yàn)后的拉伸試樣如圖9所示，所有試樣斷裂處均位于分型面，屬于應(yīng)力畸變區(qū)域硬質(zhì)合金面的斷裂，所以拉伸試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度即噴焊層的抗拉強(qiáng)度。其中僅序號(hào)2所示的拉伸試樣1在試驗(yàn)后，分離的件1和件2可以復(fù)原，其余4組均因噴焊導(dǎo)致變形而無(wú)法復(fù)原。

圖9 拉伸試驗(yàn)后的拉伸試樣

3 結(jié)語(yǔ)

文章提出噴焊層抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方法，并設(shè)計(jì)了拉伸組件的結(jié)構(gòu)，為檢測(cè)噴焊層抗拉強(qiáng)度提供了思路。用文中給出的拉伸組件進(jìn)行試驗(yàn)，可以檢測(cè)噴焊層的抗拉強(qiáng)度，確定基體與噴涂材料的配對(duì)是否為最優(yōu)，也可用來(lái)確定噴涂層厚度對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際影響。