等离子熔覆耐磨板的冲蚀磨损性能研究.pdf

第 4 期等离子熔覆耐磨板的冲蚀磨损性能研究沈涵（中国矿业大学 徐海学院，江苏 徐州221000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：目前疏浚管道的磨蚀问题已成为亟待解决的技术难题，传统疏浚管道材料难以满足复杂流体介质对管道内壁磨损和腐蚀性能的要求。等离子熔覆法是利用等离子体作为热源，对金属进行表面处理，使其具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗冲击等性能。文章采用等离子熔覆技术，选用 Fe 基合金粉末作为熔覆材料，在 Q235号钢基体表面制备耐磨损的熔覆层，采用 XRD 物相分析及金相组织，观察熔覆层的组织状态，并研究不同条件下的冲蚀磨损性能，从而改善疏浚管道的耐腐蚀、耐磨损性能。关键词：等离子熔覆；冲蚀磨损；疏浚管道作者简介：沈涵（1984），女，江苏徐州人，主要研究方向：材料物理学。随着疏浚行业规模扩大，排泥管道的需求量和随之产生消耗量迅速增加，管道维护而产生的施工成本迅速提升。疏浚管线的磨蚀问题已成为疏浚管线发展中亟待解决的技术难题。等离子体熔覆法，可在普通金属材料表面制备与基体呈冶金结合的表面功能涂层，从而显著改善基体材料的耐磨、耐蚀、耐热等性能，因此成为表面改性研究和发展的热点之一咱1-3暂。采用等离子体熔覆技术制备的抗磨蚀管道，有望解决传统疏浚、管道耐磨蚀、耐腐蚀的难题。文章采用冲蚀磨损试验机测试等离子熔覆耐磨板的冲蚀磨损性能，研究不同冲蚀角度对等离子熔覆耐磨板的影响，并分析磨损机理咱4暂。1等离子熔覆耐磨板的制备以 Q235 号钢为基础，采用等离子熔覆工艺，制作Fe 基合金的等离子熔覆层，获得与其冶金结合的耐磨涂层。为确保熔覆层的均匀性，选择 100200 目粒度的铁基合金粉末，以获得更好的等离子熔覆处理效果。两者主要成分如表 1 和表 2 所示。耐磨板的编号为 201 和 202，其中 201 为 20mm 的薄板，202 为 45mm 的厚板，耐密板均为无裂纹的等离子熔覆板材，且表面平整，将实验样品切割加工尺寸为10mm伊10mm伊40mm，并对试样表面进行细磨、抛光，腐蚀，便于观察其金相组织。2成分及组织分析2.1XRD 物相分析由图 1 可知，在 X 射线衍射谱上，铁基合金的表面存在着明显的结晶相衍射峰，同时也存在着一些较弱的峰位。涂层以铁素体 琢-（Fe、Cr）和高铬铸铁（CrFe）7C3碳化物为主。在转动到 44毅左右的时候可以发现，在熔覆层中，琢-Fe 相含量最多，它与纯铁的组成相似，具有体心立方晶格、碳溶解度低、强度和硬度较低、塑性和韧性较好。（CrFe）7C3碳化物的硬度为 HRV50 12001800，高于普通白口铸铁。2.2金相组织分析为更好地研究熔覆层微观组织，对 Fe 基合金熔覆层进行微观组织观察，结果如图 2、图 3。由图 2 可知，在该工艺条件下，熔覆层内部的显微组织以枝晶间网络共晶为主。由图 3 可知，熔覆层组织均匀、致密，并且网状共晶结构本身呈现出大面积的片状、条状和块状，在共晶内部有细小的块状和条状化合物，这些化合物通常是碳化物。201 号试样的熔覆层的金相组织见图 2 所示，图中碳化物分为长条状和大的块状碳化物、细的片状碳化物以及小尺寸的颗粒状碳化物。长条状和块状碳化物组织为初生碳化物相，片层状碳化物为共晶碳化物组织，颗粒状碳化物为二次析出碳化物组织。图 3 为表 1Q235 号钢元素成分表C0.12耀0.20Si臆0.30Mn0.30耀0.70S臆0.045P臆0.045Cr臆0.30Ni臆0.30Cu臆0.30wt%表 2Fe 合金粉末成分表wt%C0.09O0.0410B0.84Cr17.46Mn0.26Mo0.31Ni2.74Si0.87V0.07Fe余量163冶金与材料第 44 卷202 号试样的熔覆层金相组织，由 琢-（FeCr）相的枝晶组织和共晶组织组成，Cr7C3碳化物呈块状或鱼骨状形态存在咱5暂。3冲蚀磨损性能分析3.1冲蚀磨损对样品进行研磨和抛光，并用丙酮清洁，干燥后用分析天平（灵敏度为 0.1mg）进行称量。试验过程中，每隔一段时间，用超声波清洗样品，并对样品称重，确定样品的质量损失。相对耐磨性的计算公式为：着=（驻ms/驻m）伊（L/Ls）伊（籽/籽s）式中：驻m 为测试钢的实际质量磨损，g；驻ms为对应的标准钢样品（Q235）的实际磨损量，g；L 为被测钢样品在 m 处的真实磨耗；Ls 为对应的标准钢样品以 m 表示的实际磨耗；籽为测试用钢样品的密度；籽s为对应的标准钢试件的密度。图 4 为不同冲蚀角度的冲蚀磨损失重柱状图，表 3为相对耐磨性的计算结果，HD450 耐磨板为对照组。从图 4 中可以看出，磨损失重随着冲蚀角度的不同而发生变化，60毅冲蚀角展现出较大的磨损失重。由于随着磨损形态为 60毅时，表面上的划痕显著减小，划痕长度减小，划痕深度减小。随着竖向分力的增大，凿削损伤区图 1 熔覆层 X 射线（XRD）衍射图谱b）202熔覆区的Fe基合金a）201熔覆区的Fe基合金（a）长条状、块状碳化物（b）片层状、颗粒状碳化物图 2201 金相组织（a）近等轴块状碳化物（b）鱼骨状碳化物图 3202 金相组织164第 4 期的数目和深度均显著增多，且由塑性形变引起的疲劳剥离现象也相应增多。图 4冲蚀磨损失重量表 3相对耐磨性（着）计算结果磨损时间HD450耐磨板201熔覆耐磨板202熔覆耐磨板30毅12.943.4960毅12.782.9690毅13.984.42平均耐磨性（着）13.233.62根据图 4 可知，202 熔覆耐磨板的冲蚀磨损失重比201 熔覆耐磨板大，所以 201 熔覆耐磨板更加耐磨。3.2SEM 分析图 5 是 202 镀层板材不同冲蚀角度的扫描电镜照片。在 30毅冲蚀角度时，磨粒的切线分力最大，短切效应最显著，磨粒表面存在较多的短切磨粒。由于在垂直方向上的碰撞分力较小，因此由局部塑性形变引起的疲劳层裂面积很小。扫描电镜观察到，在 30毅的冲蚀角下，熔覆层表面出现了明显的微细切割痕迹。表面无剥离凹坑，表明涂层的损伤程度很轻，主要是以微切割和疲劳剥离为主。在表面形貌上没有发现明显的塑性形变，表明该熔覆层具有良好的抗腐蚀性能。相比于 30毅冲蚀角的磨损形貌，60毅冲蚀角度的增加，结果表明，微细切割痕显著减小，犁沟的长度和深度均有所缩短。随着竖向分力的增大，凿削损伤区的数目和深度均显著增多，且由塑性形变引起的疲劳剥离现象也相应增多。当冲蚀角为 90毅时，大部分的硬石英砂粒与金属表面垂直碰撞，以冲击剥落为主，在该图中可以看到有大范围的塑性形变引起的疲劳剥落磨损区。在 90毅角时，砂土颗粒的冲击强度很大，而切割效果很小，涂料表面没有明显的切割痕迹，只有少量的犁沟变形脊。当腐蚀角度为90毅时，该熔覆层具有强烈的冲击效应，但是没有出现在高碰撞条件下的脆性破坏，表明该熔覆层在 90毅时具有良好的抗脆性腐蚀能力咱6-7暂。4结语（1）试件熔覆效果良好，未产生气孔、裂纹等缺陷；Fe 元素在熔覆层内分布均匀；枝晶间形成了硬质碳化物，有利于提升熔覆层的硬度；熔覆层主要由 Cr7C3碳化物和-（FeCr）相作为基体相等硬质相构成。熔覆后疏浚管道材料的耐磨性提高了。（2）冲蚀磨损实验中，201 熔覆耐磨板磨损量小于202 熔覆耐磨板的磨损量，熔覆层表现出更优异的耐磨性，故 201 熔覆耐磨板更加耐磨，更适合做疏浚管道的材料。（3）材料受宏观硬度、韧性及微观结晶组分分布等因素影响，不同的冲蚀角度下的磨损程度也不同。60毅冲蚀角表现出较大的磨损失重，90毅冲蚀角表现出较小的磨损失重，30毅冲蚀角的磨损失重居中。参考文献1 严峰.挖泥船疏浚输泥管的材料选择 J.船海工程，2014，43（2）：91-93+96.2 李敏，李惠东，李惠琪，等.等离子体表面改性技术的发展J.金属热处理，2004（7）：5-9.3 齐秀丽，王广先，付珍，等.等离子熔覆技术在中部槽的应用及效果分析 J.煤矿机械，2010，31（11）：111-113.4 何建群，刘森，成巍，等.45钢表面激光熔覆铁基合金粉末研究 J.热喷涂技术，2018，10（3）：82-86.5 刘秀波，虞钢，郭建，等.等离子熔覆酌/Cr7C3复合材料涂层组织与耐磨性研究J.材料热处理学报，2006（6）：114-117+142-143.6Zhao C，Tian F，Peng H，et al.Non-transferred arc plasmacladdingofStelliteNi60alloyonsteelJ.SurfaceCoatingsTech原nology，2002，155（1）：80-84.7 刘建阳.等离子熔覆Fe-Cr-C系熔覆层改性研究 D.徐州：中国矿业大学，2017.图 5 202 熔覆层冲蚀磨损形貌（a）30毅冲蚀形貌毅（b）60毅冲蚀形貌（c）90毅冲蚀形貌沈涵：等离子熔覆耐磨板的冲蚀磨损性能研究165