球閥表面熱噴涂鎳基合金強(qiáng)化層耐磨性的研究

王 坤，姜鶴明，金克雨，王小瑾，尚玉來，鄭道友，陶子雄，唐 恩

(1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院光電制造學(xué)院，浙江 溫州 325037；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 溫州 325102)

石油化工管道中球閥廣泛的被用來控制流體的方向、壓力、流量。由于球閥長期服役過程中承受流體和氣體的沖刷，密封面接觸位置常因磨損而影響密封效果[1-2]。對于一些關(guān)鍵位置的球閥，可通過表面處理技術(shù)對球閥表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，在其表面制備耐磨減摩強(qiáng)化層，從而延長球閥使用壽命。氧乙炔火焰噴涂將金屬粉末加熱至熔化，噴射并沉積到金屬基材表面，其強(qiáng)化層厚度可控制在0.15～3.00 mm之間，所以可在球閥表面獲得具有耐磨、耐蝕的強(qiáng)化層[3-4]。

鎳基合金粉末是自熔性合金粉末中應(yīng)用最廣泛的一種，具有優(yōu)良耐腐蝕、抗氧化性、耐熱、耐磨粒磨損及良好的沖擊韌性。常見的鎳基合金粉末有Ni30、Ni45、Ni60等系列，它們均在閥門等制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。不同的合金成分所制備的強(qiáng)化層具備不同的硬度、耐腐蝕和耐磨損等性能。

本文采用氧乙炔火焰噴涂方法在不銹鋼表面制備Ni45和Ni60兩種鎳基合金粉末強(qiáng)化層試樣。并對強(qiáng)化層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度和摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，以期為高性能鎳基合金強(qiáng)化層的制備和選用提供參考[5-7]。

1 試樣的制備

熱噴涂試驗(yàn)用的基材是規(guī)格為200 mm×200 mm×20 mm的商用CF8M不銹鋼板，其具體成分如表1所示。

表1 基材CF8M不銹鋼的化學(xué)成分 單位：%

試驗(yàn)用的150～300目的商用鎳基(Ni45和Ni60)粉末其粒徑為50～100 μm，鎳基粉末微觀形貌如圖1所示，可以看出該鎳基金屬粉末球形度較好，幾乎全部為近球形和橢球形，粒度分布均勻且衛(wèi)星球少，保證了粉末具有足夠好的流動性，硬質(zhì)顆粒的粒度也比較均勻。

試驗(yàn)用的150～300目的商用鎳基(Ni45和Ni60)粉末其粒徑為50 ～ 100 μm，鎳基粉末微觀形貌如圖1所示，可以看出該鎳基金屬粉末球形度較好，幾乎全部為近球形和橢球形，粒度分布均勻且衛(wèi)星球少，保證了粉末具有足夠好的流動性，硬質(zhì)顆粒的粒度也比較均勻。

圖1 鎳基合金粉末(Ni60)SEM形貌圖

噴涂前對CF8M不銹鋼鋼板進(jìn)行噴砂毛化處理，以除去基體表面的鐵銹、鱗皮、毛刺、焊渣等污物，并形成具有相當(dāng)粗糙度的基體表面，以提高熱噴涂強(qiáng)化層的結(jié)合力。利用氧氣乙炔火焰熱噴涂制備出不同鎳基合金粉末(Ni45和Ni60)的強(qiáng)化層，粉末的化學(xué)成分如表2所示。噴涂距離300 mm，熱噴涂搭接距離8 mm，噴涂完成之后，繼續(xù)利用氧氣乙炔火焰對試樣進(jìn)行重熔處理。

表2 試樣熱噴涂金屬粉末的化學(xué)成分 單位：%

將熱噴涂強(qiáng)化處理后的試樣利用電火花數(shù)控線切割機(jī)床沿垂直于噴涂方向的截面進(jìn)行切割以制取樣塊以備后續(xù)試驗(yàn)的使用，樣塊尺寸為25 mm×10 mm×20 mm。使用PG-2B金相拋光機(jī)依次對試樣表面和側(cè)面進(jìn)行打磨和拋光處理，采用LEICADM2500光學(xué)金相顯微鏡，Phenom XL電子顯微鏡和能譜掃描儀及 HV-1000A顯微硬度計對樣塊表面進(jìn)行檢測和分析。

利用MSR-2T型電化學(xué)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀對樣塊進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，壓力負(fù)荷為600 N，試驗(yàn)時間為60 min。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后采用酒精對試樣進(jìn)行清洗，采用 Phenom XL電子顯微鏡表征其磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)化層結(jié)構(gòu)

Ni45與Ni60強(qiáng)化層形貌圖如圖2所示，可以觀察到基材表面受到噴砂毛化處理后凹凸不平。為了真實(shí)反映噴涂層厚度，Ni45強(qiáng)化層隨機(jī)選取3處測量厚度分別為1455 μm、1431 μm、1422 μm，平均值為1436 μm；Ni60強(qiáng)化層隨機(jī)選取3處測量厚度分別為1176 μm、1151 μm、1164 μm，平均值為1163 μm。

圖2 Ni45和Ni60強(qiáng)化層形貌圖

在強(qiáng)化層形貌圖中可以觀察到結(jié)合區(qū)存在少量的孔隙，并且逐步延伸到強(qiáng)化層中部。熱噴涂過程中熔化和半熔化狀態(tài)下的鎳基粉末顆粒堆疊在基材表面，而粉末中變形嚴(yán)重的顆粒、低速和低溫的顆粒在堆疊過程中變形不充分，從而形成孔隙。另一方面，熱噴涂過程中，鎳基粉末從液態(tài)逐步凝固為固態(tài)，而粉末中部分雜質(zhì)的溶解度隨著溫度下降而降低，從而釋放出氣體最終形成孔隙。在每個試樣側(cè)面方向隨機(jī)選取5張掃描電鏡顯微圖，并通過ImageJ軟件測量了經(jīng)過氧氣乙炔火焰噴涂強(qiáng)化后涂層的孔隙率。其中，Ni45強(qiáng)化層致密度為98.89%，其計算孔隙率為1.11%。Ni60強(qiáng)化層致密度為98.39%，其計算孔隙率為1.61%。

Ni45強(qiáng)化層表層的微觀形貌如圖3所示，Ni45強(qiáng)化層中分布著多個相，結(jié)合能譜元素分析可以看出，圖中白色組織(A1點(diǎn)所在位置)主要為鎳基合金粉末中形成的固溶體。黑色組織(A2點(diǎn)所在位置)為Cr元素和C元素富集區(qū)域，初步推斷為碳化物、硼化物等硬質(zhì)相?；疑M織(A3點(diǎn)所在位置)為Ni元素和Cr元素富集區(qū)域，初步推斷為鎳、鉻合金的軟質(zhì)共晶組織。

圖3 Ni45強(qiáng)化層元素分析

表3 Ni45和Ni60強(qiáng)化層能譜元素測定成分表 單位：%

利用電子顯微鏡分析觀察Ni60強(qiáng)化層表層的微觀形貌如圖4所示。與Ni45強(qiáng)化層相比，Ni60強(qiáng)化層中灰色和黑色組織更為均勻，數(shù)量更多。結(jié)合能譜元素分析可以看出圖中白色組織(B1點(diǎn)所在位置)為Ni元素和Si元素富集區(qū)域，推斷為鎳、硅合金的軟質(zhì)共晶組織。黑色組織(B2點(diǎn)所在位置)為Cr元素和C元素富集區(qū)域，推斷為碳化物、硼化物等硬質(zhì)相?；疑M織(B3點(diǎn)所在位置)為Ni元素和Cr元素富集區(qū)域，初步推斷為鎳、鉻合金的軟質(zhì)共晶組織。

圖4 Ni60強(qiáng)化層元素分析

由此可以初步判斷，氧乙炔火焰熱噴涂鎳基合金粉末Ni45和Ni60可以在基材表面堆疊出孔隙率在1.11%和1.61%、具有一定厚度的強(qiáng)化層。強(qiáng)化層中組織主要為白色的基礎(chǔ)相包裹灰色和黑色的硬質(zhì)相。根據(jù)粉末中成分的不同，Ni60強(qiáng)化層中的強(qiáng)化相含量明顯增多。

2.2 強(qiáng)化層硬度分析

采用維氏顯微硬度計測試試樣的硬度，其中加載載荷為300 g，加載時間10 s，在Ni45和Ni60強(qiáng)化層表面方向每間隔100 μm打點(diǎn)測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Ni45和Ni60強(qiáng)化層表面顯微硬度圖

Ni45與Ni60強(qiáng)化層平均顯微硬度分別為422 HV0.3和788 HV0.3，較基材CF8M不銹鋼硬度260 HV0.3分別提高了62.3%和203.1%。由圖可以看出強(qiáng)化層顯微硬度值有所波動，原因在于熱噴涂強(qiáng)化層中存在一些微觀的孔隙和缺陷，導(dǎo)致硬度值下降，如Ni45強(qiáng)化層中的388 HV0.3和Ni60強(qiáng)化層中的500 HV0.3。同時強(qiáng)化層中存在硬質(zhì)的顆粒，此時顯微硬度會有明顯的上升，如Ni60強(qiáng)化層中的942 HV0.3。

在Ni45和Ni60強(qiáng)化層在結(jié)合區(qū)附近深度方向每間隔100 μm打點(diǎn)測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 Ni45和Ni60強(qiáng)化層截面顯微硬度圖

Ni45和Ni60強(qiáng)化層的顯微硬度沿著厚度方向逐漸下降，分別從490 HV0.3下降到基材的257 HV0.3和800 HV0.3下降到基材的274 HV0.3。受到熱噴涂火焰的熱影響，基材在結(jié)合區(qū)附近硬度有所變化。熱噴涂強(qiáng)化層截面方向同樣中存在一些微觀的孔隙和缺陷，導(dǎo)致硬度值下降，如Ni60強(qiáng)化層中的742 HV0.3。

2.3 強(qiáng)化層耐磨性分析

利用MSR-2T型電化學(xué)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀對樣塊進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷600 g，時間60 min，摩擦磨損運(yùn)動為10 mm直線往復(fù)式運(yùn)動。

摩擦系數(shù)是表征摩擦磨損性能的重要指標(biāo)之一，經(jīng)典摩擦理論中講到，摩擦系數(shù)的大小不僅能直接表征涂層表面的粗糙度，也能直觀地反映出摩擦磨損的狀況[8-9]。Ni45強(qiáng)化層摩擦系數(shù)如圖7所示，摩擦系數(shù)平均值為0.640，摩擦系數(shù)在0～10 min波動較大，而后逐步穩(wěn)定在0.6～0.7的區(qū)間。前期波動主要是摩擦副之間相互磨合，逐步磨去表層的氧化膜導(dǎo)致。10 min之后其中可以發(fā)現(xiàn)存在摩擦系數(shù)突然的下降，然后馬上回升，如圖7中20～30 min區(qū)間中，50～60 min區(qū)間中。初步判斷為摩擦過程中有顆粒掉落在摩擦副之間，形成滾動摩擦而導(dǎo)致。相比之下，Ni60強(qiáng)化層摩擦系數(shù)平均值為0.546，同樣前期受表面氧化膜的影響，摩擦系數(shù)在10 min前波動較大，而后逐步穩(wěn)定在0.4～0.6的區(qū)間。

圖7 Ni45和Ni60強(qiáng)化層摩擦系數(shù)對比

為了進(jìn)一步分析不同成分的鎳基合金強(qiáng)化層的摩擦行為和磨損機(jī)理，利用電子顯微鏡觀察并測量試樣強(qiáng)化層表層磨痕和磨屑。Ni45和Ni60強(qiáng)化層的磨損形貌具有明顯的平行于滑動摩擦方向的犁溝，表明摩擦過程中存在磨粒磨損。同時，在磨損痕跡附近存在數(shù)量和大小不一的剝落坑，表明存在粘著磨損或者疲勞磨損。

Ni45強(qiáng)化層磨痕如圖8(a)所示，其形貌為條狀溝犁和大片的塊狀剝落坑。Ni60強(qiáng)化層磨痕如圖8(b)所示，其形貌為條狀溝犁和少量的塊狀剝落坑，并且面積比Ni45強(qiáng)化層更小。

圖8 Ni45(a)和Ni60(b)強(qiáng)化層磨痕形貌

通過對Ni45強(qiáng)化層磨屑粉末能譜的分析，主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鎳(Ni)47.5%、氧(O)16.8%、鉻(Cr)15%、鐵(Fe)11.2%、硅(Si)6.9%、碳(C)2.6%，和鎳基粉末成分基本一致。而氧(O)元素的出現(xiàn)是因?yàn)槿鄹矊釉谀Σ吝^程中的溫度升高導(dǎo)致強(qiáng)化層中元素發(fā)生了氧化，表明也存在氧化磨損的現(xiàn)象。

當(dāng)摩擦副剛開始接觸時，由于表面粗糙度比較大，實(shí)際接觸面積為摩擦副的突出和尖角部位，是總面積的小部分，而施加較小的載荷在突出的接觸面上的局部應(yīng)力引起塑性變形而導(dǎo)致粘著磨損的現(xiàn)象。同時由于摩擦過程中會發(fā)生塑性變形，滑動產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力很容易集中在析出相與基體的界面處[10-11]。因此，裂紋在這些薄弱區(qū)域附近產(chǎn)生和擴(kuò)展，當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到極限時，就產(chǎn)生了分層現(xiàn)象，同時磨屑含有片狀物，意味著存在部分的疲勞磨損[12-13]，經(jīng)測量，Ni45強(qiáng)化層磨痕的寬度為1.860 mm，平均深度為3.27 μm。Ni60強(qiáng)化層磨痕的寬度為2.670 mm，平均深度為1.53 μm。計算磨痕截面分別為6.082×102μm，4.086×102μm，Ni60強(qiáng)化層磨損量比Ni45強(qiáng)化層減少了48.9%。

綜上所述，Ni45和Ni60強(qiáng)化層在摩擦磨損測試中主要分為兩個階段。前10 min摩擦副處于跑合磨損階段，在此階段由于實(shí)際接觸面積較小，接觸點(diǎn)粘著嚴(yán)重，摩擦系數(shù)波動較大，而且此階段磨損率較大。10 min之后隨著跑合磨損的進(jìn)行，表面微峰峰頂逐漸磨去，實(shí)際接觸面積增大，摩擦系數(shù)和磨損率也趨于穩(wěn)定。鎳基強(qiáng)化層主要磨損機(jī)理為磨粒磨損、疲勞磨損和大量的粘著磨損。磨粒磨損主要是鎳基強(qiáng)化層中鎳、鉻合金等軟質(zhì)組織受到硬質(zhì)顆粒溝犁現(xiàn)象導(dǎo)致。而粘著磨損和疲勞磨損主要為合金中材料塑性變形和應(yīng)力集中導(dǎo)致。

Ni60強(qiáng)化層中黑色組織的碳化物等硬質(zhì)相含量高于Ni45強(qiáng)化層，而硬質(zhì)相在摩擦磨損過程中減少了塑性變形的量，加強(qiáng)了強(qiáng)化層抵抗粘著磨損的能力從而提高了強(qiáng)化層的耐磨性。Ni60強(qiáng)化層主要磨損機(jī)理為磨粒磨損、少量的粘著磨損和疲勞磨損。

3 結(jié)論

(1)在常見球閥不銹鋼基材表面制備氧乙炔熱噴涂鎳基強(qiáng)化層，其中Ni45強(qiáng)化層厚度在1.43 mm以上，孔隙率在1.11%以下，Ni60強(qiáng)化層厚度在1.16 mm以上，孔隙率在1.61%以下。

(2)Ni45強(qiáng)化層平均顯微硬度為422 HV，Ni60強(qiáng)化層平均顯微硬度為788 HV，較基材CF8M不銹鋼硬度260 HV分別提高了62.3%和203.1%。

(3)Ni60涂層中鉻碳化合物硬質(zhì)相的存在可以減少強(qiáng)化層中粘著磨損和疲勞磨損的現(xiàn)象，主要磨損機(jī)理為磨粒磨損。Ni60涂層的磨損量比Ni45涂層減少了48.9%，表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐磨損性能。