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等離子弧金屬表麵熔覆處理的研究

發布日期:06-21                     發布來源:《金屬熱處理》2002年第27卷第2期


  摘要:在鋼的表麵上用Ni基合金粉末進行等離子弧熔覆處理。試驗結果表明,用優化後的等離子弧熔覆工藝可以在鋼的表麵獲得致密、結合牢固和零稀釋率的熔覆層。因此等離子弧熔覆是一種有發展前途、環境友好的金屬表麵改性處理技術。

1 引言

  在化工行業或油田中使用的機械設備工作環境都比較惡劣,許多機械零部件在使用過程中可能遭受磨損和腐蝕的侵害,如何提高這些機械零部件表麵的耐磨耐蝕性能一直是工程技術人員追求的目標。在眾多的金屬材料表麵改性處理技術中,熔覆處理技術具有熔覆層厚、成分可調等特點。適合於處理一些急需要耐磨又需要耐蝕的金屬材料。傳統的熔覆處理技術包含噴塗、噴焊和堆焊等幾種方法。近幾年國內外興起的激光熔覆處理技術的研究是金屬材料表麵改性處理的一個研究熱點,它減少了傳統熔覆處理中的熔覆層質量不高,被處理工件變形大和熔覆處理工作環境差等缺點,是一種極有發展前途的金屬表麵改性處理新技術。在與激光熔覆發展的同時,用氬弧、高頻感應等做熱源的熔覆處理方法也不斷出現。等離子弧是一種經過壓縮處理的電弧,它和電子束、激光束同時被列入高能束的範疇,與激光束相比,等離子弧具有加熱範圍大,設備簡單,便於操作,容易實現大功率等特點,是一種比較理想的熔覆處理加熱源。

2 試驗方法

  試驗是在自製的等離子弧熔覆設備處理設備上進行。圖1為等離子弧熔覆處理示意圖。

                            圖片1.png










                                   圖1   等離子弧熔覆處理示意圖


  基體材料為Q235普通碳素鋼,試樣尺寸為120mm×40mm×10mm,試樣表麵加工粗糙度Ra為6.3μm。熔覆材料選用Stellite Ni60商用鎳基自熔性合金粉末。粘接劑采用納水玻璃,模數為2.8。將合金粉末和水玻璃混合調成糊狀,均勻地塗抹在經除油除鏽處理後的試樣表麵,預置層厚度約為1mm左右。塗好後的試樣置於烘箱中加熱烘幹,按5℃min的加熱速度從室溫加熱至300℃,並在此溫度下保溫3h。

  用非轉移等離子弧均勻往複地移動掃描預置層,熔覆為多道搭接。等離子弧的電流為160A,氬氣流量為0.3m3/h。熔覆後的試樣要緩冷,以避免因冷卻速度過快造成熔覆層裂紋。

  用金相顯微鏡和電子顯微鏡觀察熔覆層的顯微組織和界麵結構,用電子探針分析儀測定熔覆層與基體之間化學元素的分布,以了解界麵兩側化學元素的過渡情況。用顯微硬度計測量熔覆層和基體材料的顯微硬度。

3 試驗結果

3.1 熔覆層顯微組織分析

  2 是熔覆層的金相組織照片。從圖2的照片中可以看到用等離子弧製備的熔覆層組織致密並無缺陷。熔覆層主要是由比較粗大的γ-Ni枝狀晶、枝晶間的γ-Ni、Ni(B,Si)共晶體和共晶體內彌散分布的碳化物M,C等組成。

                                圖片2.png

    

                                    圖2 熔覆層的金相組織照片


3.2 界麵結構分析

  圖3是熔覆層橫斷麵和熔覆層斷口的電子顯微照片。從圖3a可以清楚地看到基體與熔覆層之間的界麵是一條直線。這條直線和試樣表麵在同一水平上,說明用非轉移等離子弧熔覆處理可以獲得零稀釋率的熔覆層。從圖3b可以看到折斷後的熔覆層與基體金屬之間的結合仍然十分牢固。塗層沒有剝落現象。

3.3 界麵結構分析

                                圖片3.png


                                   3 熔覆層橫斷麵的電子顯微照片


  圖4是用電子探針測定的熔覆層與基體界麵兩側鎳的分布圖。分析結果表明,在基體金屬一側Ni的含量為零,這說明Ni基合金粉末中的Ni未能溶入基體金屬內。

                                        圖片4.png

                                 4 熔覆層與基體界麵兩側鎳的分布


3.4 顯微硬度分析

  5 是熔覆層與基體界麵兩側顯微硬度的變化曲線,從圖5可以看到,在界麵處基體金屬與熔覆層的顯微硬度也發生了突變。

                                 圖片5.png

                                 圖5  熔覆層與基體之間的顯微硬度

4 分析討論

  以上試驗結果表明,用優化後的工藝參數進行等離子弧熔覆處理可以獲得零稀釋率的熔覆層,而且熔覆層與基體之間的結合十分牢固。這種牢固的結合應歸功於自熔性Ni基合金粉末對鋼有著良好的浸潤性和在熔覆過程中高溫電弧所起的作用。一般自熔性Ni基合金粉末的熔點約在950-1100℃之間,而鋼的熔點約為1500℃。在熔覆處理過程中,隻要控製等離子弧熔覆處理的工藝參數,保證鋼基體表麵的加熱溫度高於Ni基合金粉末的熔點,低於鋼的熔點,就能實現零稀釋率的熔覆處理。因為在這個處理溫度範圍內預置層首先開始熔化,在表麵張力的作用下,熔化了的Ni基合金粉末在鋼基體的表麵浸潤展開形成熔覆層。同時在高溫的作用下,鋼基體表麵的Fe和Ni基合金粉末中的Ni原子相互擴散,形成大約有幾十個原子層的固溶體。從圖4的電子探針測試結果可以看到,Ni在熔覆層與鋼基體之間界麵處的過渡曲線並非是一條陡變的垂直線,而是約有幾微米厚的過渡區,這表明在熔覆層與基體的界麵結合處存在一個區域很窄的互溶區。從治金學角度講,這種結合也應當屬於一種冶金結合,而且這種結合強度完全可以滿足一般金屬零部件的使用要求。

  由於等離子弧熔覆處理用的Ni基合金粉末是用粘接劑混合預置堆放在試樣的表麵上,然後再用高溫等離子弧進行熔覆處理。因此,等離子弧熔覆處理使一種有發展前途的、環境友好的金屬表麵改性處理技術。

5 結論

(1)用非轉移等離子弧在低碳鋼表麵用鎳基自熔性合金粉末進行熔覆處理,可以獲得致密,結合牢固和零稀釋率的熔覆層。

(2)等離子弧熔覆處理是一種有發展前途的環境友好的金屬表麵改性處理方法。





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