煤粉风机防磨涂层而磨性及应用研究

12 涂层工艺
    氧乙炔焰喷熔由于设备简单、工艺灵活、操作方便、喷熔层冲淡率低、与基体结合强度高，特别适用于煤粉风机现场防磨处理及风机叶轮磨损后的修复，因此喷熔工艺采用氧乙炔喷熔FNi—15镍基合金、FNiWC25和 FNiWC35镍基碳化钨合金。另外在本研究中采用的涂层工艺有：氧乙炔亚音速火焰喷涂FNi—15镍基合金及FNiWC35镍基碳化钨合金、火焰线材喷涂3Crl3、手工堆焊D677高铬铸铁焊条、法奥迪硬面堆焊。
1．3 试验材料时制备
    耐磨试验基体材料为 Q235，销盘式磨损试验试样基体尺寸为D20mmx20mm；冲蚀磨损试验基体材料尺寸为60mmx50mmX5mm。氧乙炔焰喷熔层厚度为 2mill。喷涂层使用Ni／A1复合粉末打底层，底层厚度约0．1mm，工作层厚度0．5mm。D667手工堆焊层厚度约6mm，为减少冲淡率，采用多层堆焊。法奥迪硬面堆层厚度约3mm，法奥迪硬面堆焊材料及堆焊层性能指标为：药粉含量：9％C，58％Cr；药粉与焊丝比：60％／40％；焊缝含量： 5．4％C，33％Cr；冲淡率：15％；碳化铬含量：55．9％。
1．4 磨损试验
    本研究中磨损试验分为销盘式磨料磨损及冲蚀磨损。销盘式磨粒磨损试验参数为：销盘转速250r／min，磨料为100目AL2O3，砂布，作用于工件上的载荷为9．8N，磨损试验时间10min，在一次试验中同时安装3个相同材料的试样，试验结果为3个试样的平均值。为保证试验精度，试样表面要进行预研磨，使表面光滑平整。
    冲蚀磨损试验参数为：气体压力0．55MPa，冲蚀距离120mm，喷嘴直径8mm，磨料为80-120目的A120330度冲蚀角时冲蚀时间为3min，90度冲蚀角时冲蚀时间为2min。
1．5 硬度测量
     由于喷熔层、堆焊层及喷涂层具有不同的组织结构及厚度，因此在硬度测量中，对于不同性质的涂层采用不同的硬度测量方法。对于喷熔层及堆焊层采用HR— 150A．洛氏硬度机测量涂层的洛氏硬度，载荷为1470N。对于喷涂层，采用71型纸氏硬度计测量涂层的显微硬度，载荷为200g。

2试验结果及分析
2．1 硬度试验
     喷熔层及堆焊层洛氏硬度如图1所示，其结果为5次测量的平均值。3种喷涂层显微硬度值如表2所示。图1结果表明：镍基合金FNi—15喷熔层的洛氏硬度 HRc>58，且喷熔层硬度随碳化钨WC含量的增加而提高，VAUTID堆焊层也表明出很高的硬度，这是由于堆焊层中含有大量(CrFe)，C，合金碳化物所致，相比之下高铬铸铁堆焊层的硬度较低。比较几种喷涂层的显微硬度值可看出：FNiWC35喷涂层具有最高的显微硬度，而3Crl3涂层硬度较低。

图1 喷熔层及堆焊层的洛氏硬度

表2 热喷涂层显微度硬度

注：不同的硬度值反映了不同的微观组织结构。

2．2 销盘式磨粒磨损
    销盘式磨粒磨损试验结果见表3，相对耐磨性是以16Mn材料为标准试样计算获得。试验结果表明：对于同种喷涂材料，喷熔层比喷涂层具有更好的耐磨性，喷熔层的耐磨性是同种喷涂层的3-4倍，这是由于喷涂层与喷熔层具有不同组织结构造成的。喷涂层是一种典型的非均匀层状结构，扁平粒子间的结合力较弱，且在喷涂过程中，粒子表面在飞行过程中会发生氧化，生成一层薄薄的氧化物，在沉积形成涂层时，2粒子结合面上会沉积一层氧化物，它进一步减弱了粒子间的结合力。在磨粒磨损过程中，当上层粒子受到磨粒切削力作用发生犁沟和微切削时，粒子间也会产生剪切作用，由于它与周围粒子的结合力小，因此涂层中层状粒子会产生整体脱落，导致涂层磨损量大。喷熔层是对喷涂层进行重熔后获得的，在重熔过程中粉末颗粒得到了充分熔化，并经较长时间互相扩散，原来的孔隙消失了，氧化物也因合金粉末中的造渣元素脱氧而大大减少，这样整个涂层组织均匀、紧密，结合力也显著增强。这时喷熔层实质上是一种铸态组织结构，韧性较大，硬度高，当磨料对喷熔层进行微切削时，要消耗更多的能量，因此抗磨性好。试验结果也表明：在镍基合金中加入一定量WC颗粒时，喷熔层和喷涂层的耐磨性提高，并在一定范围内其耐磨性随 WC含量增大而提高。在磨粒磨损中，由于AL₂O₃，磨料的硬度(Hvl900)与WC的硬度(Hv2400-2740)相比较低，这样AL₂O₃粒子很难侵入WC粒子，只能切削WC粒子间的软基体，而WC颗粒分布弥散在基体里，整体提高了涂层硬度和强度，使切削过程比切削纯基体更难。另一方面，落在 WC粒子上的磨料由于不能侵入WC粒子，只能在其表面滑动，这样真正参与切削的磨料数量就减少了，没有落在WC粒子上的对粒子间软基体进行切削的磨料因为 WC粒子的缘故，压人基体的深度也大大减少，基体的变形也受到WC颗粒的限制而减小，犁沟现象由此而减轻，因此磨料切削基体的过程也会受到涂层中WC粒子的阻挡。另外，由于AL₂O₃，磨料硬度较WC粒子低，在磨损过程中磨料很可能破碎，使切削中止。因此，在喷涂层和喷熔层中WC的加入能有效提高其抗磨粒磨损性能，随着涂层中WC含量的增加，涂层耐磨性进一步提高。在喷熔层或喷涂层中，WC含量不能太高，当 WC含量高于40％时，镍基碳化钨合金的自熔性就会变差，喷熔层就会疏松，WC不能被很好地粘合，涂层粒子间的结合力显著下降，由此降低喷熔层耐磨性。
     从表3中试验结果看出：虽然法奥迪堆焊层的耐磨性比D667高铬铸铁堆焊层高35％左右，比FNi—15镍基合金喷涂层高57％左右，并与FNiWC35 镍基碳化钨喷涂层的耐磨性相当，但它的耐磨性只有试验中喷熔层的25％-50％，这是由法奥迪堆焊层组织结构所决定的。法奥迪堆焊层和D677堆焊层组织结构基本相同，都是由(CrFe)₇C₃一次合金碳化物和马氏体所组成，但在法奥迪堆焊层牛由于Cr含量更高，由此生成的(CrFe)₇C₃，更多，表现出VAU—TID堆焊层比D667堆焊层具有更高的硬度，因此VAUTID堆焊层比D677堆焊层具有更优良的耐磨粒磨损性能。虽然 VAUTID堆焊层与FNiWC25喷熔层硬度相当，但由于它们的组织结构不同，因而抗磨粒磨损性能也不同。在FNiWC25喷熔层中，其基体组织为含 Si、Cr的Ni固溶体γ相，并在基体中大量分布着碳化物(CrFe)₂₃C₆，及硼化物Ni3B、CrB等，它是一种多元共晶组织，这种组织结构具有较低的摩擦系数，加之WC硬质相的高硬度使FNi—WC25喷熔层抗磨粒磨损性能优良。VAUTID堆焊层是一种Fe—Cr合金，基体组织为马氏体，强化相是一次合金碳化物(CrFe)₇C₆，它的硬度(约Hvl820)比AL₂O₃，磨料低，因此它的抗犁沟及微切削性能比WC差，由此VAUTID堆焊层表现出比FNiWC25喷熔层差的抗磨粒磨损性能。在所有涂层耐磨粒磨损试验中， 3Crl3火焰喷涂层耐磨效果最差，与16Mn材料相比耐磨性仅提高3倍多，相当于FNi—15火焰喷涂层耐磨性的20％左右，这主要是由于3Crl3喷涂层的层状组织结构及喷涂层硬度低所致。

表3 销盘式磨粒磨损试验结果