3Cr13材料的超音速电弧喷涂工艺试验研究
王树国
齐鲁石油化工
目前,热喷涂技术是表面工程领域最活跃的独立科学分支之一,电弧喷涂是热喷涂技术的重要分支,是热喷涂技术中新发展起来的重要技术。它是以电弧为热源,将金属丝材熔化,用高速气流将熔化后的金属熔滴雾化并加速喷向基材表面的一种喷涂方法[1]。
20世纪80年代后,由于普通电弧喷涂的粒子喷射速度受限且氧化程度比较重,使电弧喷涂的涂层质量和应用受到一定影响。至20世纪90年代末,发展起来的超音速电弧喷涂技术利用高速射流来雾化和加速熔融金属粒子,使雾化效果得到明显改善[2, 3]。
摘要：利用超音速喷涂设备,在喷砂处理过的金属样板上喷涂3Cr13防腐涂层,通过对电弧喷涂工艺各参数的试验,得出喷涂工艺参数的不同搭配水平对涂层结合强度、硬度、孔隙率的影响不同。通过正交试验法对3Cr13材料的超音速电弧喷涂工艺参数的研究表明:在合理的喷涂工艺范围内,喷涂电流对涂层性能的影响最大。
关键词：超音速电弧喷涂；涂层性能；防腐蚀；参数优化
1 烯烃厂装置现状
近年来,中国石化齐鲁分公司烯烃厂(简称烯烃厂)经过2次大规模的改扩建,各装置的传动设备数量大幅增加。同时,由于所输送物料介质的腐蚀性以及磨损的加剧,导致各装置的一些重要动设备的转动零部件频繁出现磨损,以致影响设备的正常平稳运行及装置的高负荷生产。为降低设备的维护费用,延长设备的使用寿命,保证装置和设备的高负荷平稳运行,经分析研究,对这些磨损零部件的修复部分决定采用超音速电弧喷涂技术。
2 耐腐蚀涂层的选择
在对各类零部件进行电弧喷涂修复时,不同的工况和使用环境要求涂层具备不同的使用性能。一般而言,零部件在使用过程中,绝大多数是由于磨损腐蚀而导致零件失效。因此,采用超音速电弧喷涂技术形成耐腐蚀耐磨涂层,必须考虑涂层本身即喷涂材料的耐腐蚀性和耐磨性,而涂层与基体的良好结合是保证其他性能的前提,孔隙率的大小对涂层耐腐蚀耐磨性能有很大的影响[4]。而具有广泛用途的3Cr13马氏体不锈钢丝在超音速电弧喷涂涂层形成过程中(熔化、雾化、飞行、沉积),发生马氏体转变,形成具有淬硬性好、硬度高和优良耐磨性的涂层。同时,在电弧喷涂过程中,它发生的马氏体相变具有体积增加效应,这种体积增加效应可以部分补偿涂层冷却时产生的体积收缩,从而减小涂层内应力,提高涂层的可靠性。另外还具有可切削,易磨削,涂层内聚强度高,冲击韧性好等优点[6]。因此选择3Cr13马氏体不锈钢丝作为烯烃厂传动设备的耐腐蚀涂层。
3 耐腐蚀涂层的工艺试验
采用合理的电弧喷涂工艺参数,可获得良好的喷涂效果,使涂层具有高的结合强度、微观硬度、宏观硬度和耐磨性及较小的空隙率。喷涂角度的大小直接影响到涂层的孔隙率和氧化物夹渣含量。当喷涂角度过小,熔滴在沉积过程中将产生所谓的“遮蔽效应”,即当喷涂颗粒粘在基材表面上时,这些颗粒阻碍继续喷上去的颗粒,结果在其后面形成一种“掩体”,使涂层结构发生急剧变化,形成许多不规则空穴的多孔涂层,大大降低了涂层的结合强度,并使氧化物夹渣的含量增加。所以,控制喷涂角度是喷涂工艺方向性所要求的。喷涂角度不能小于45°,当小于45°时,即会产生“遮蔽效应”。一般喷涂角度为60°~90°。此外,喷涂电压对喷涂粒子的尺寸、粒子束的集中程度、碳元素的烧损及喷涂粒子的氧化程度等有影响,喷涂电压的选择主要取决于喷涂材料的性质。喷涂材料的熔点越低,喷涂电压越小。但电压过低,喷涂过程不连续,电压提高,喷涂粒子颗粒尺寸增大,粒子散射也大,导致涂层表面粗糙。随着喷涂电压的提高,涂层中碳元素烧损加大,碳元素的烧损减少了涂层中马氏体转变,降低了涂层的硬度,增加了涂层的内应力。因此,在保证电弧稳定的情况下,电压的选择越小越好,一般在30~32 V较为合适。
3·1 试验材料
喷涂材料选用2 mm的3Cr13马氏体不锈钢丝,基体材料选用20#钢。
3·2 试验设备
①SAS-Ⅱ型超音速电弧喷涂设备。该设备主要由电源、送丝机构、喷枪、高速气流源、自动控制系统组成;②硬度计;③分析天平(感量0·1mg)。
3·3 试验步骤
本试验中,选取结合强度、孔隙率和硬度三者作为研究目标进行电弧喷涂工艺条件的优化。试验旨在考察3Cr13马氏体不锈钢丝电弧喷涂过程中,喷涂电流、喷涂气压以及喷涂距离对涂层结合强度、硬度、孔隙率的影响。综上所述,考虑影响涂层质量的主要因素,取喷涂电流、喷涂距离和喷涂气压为试验因素。各因素水平根据设备的可调范围及经验值确定,如表1所示。
3·4 试验结果
按L9(34)正交表安排试验。对于结合强度和硬度,每个试验号重复3次,而孔隙率在每个试验号不做重复。试验设计、数据与分析结果见表2。
由表2知,喷涂工艺参数的不同搭配水平对涂层结合强度、硬度、孔隙率的影响不同。因此要获得高结合强度、高硬度和低孔隙率的涂层,各因素水平的搭配并不相同。考虑各试验因素对结合强度影响程度的主次以及各试验指标在涂层使用中所起作用的重要程度,认为在钢基体上制备耐磨、耐蚀性能优化的3Cr13涂层,电弧喷涂的较佳工艺条件为:喷涂电流180A,喷涂距离200mm,喷涂气压0·6MPa,喷涂角度85°,喷涂电压32V。
4 投用效果
利用上述优化的工艺条件对烯烃厂部分磨损的零部件尤其是泵轴的轴颈和滚筒进行了超音速电弧喷涂,效果显著。减少了运行腐蚀和磨损,降低了设备的维护费用,延长了设备的使用周期。
5 结论
(1)利用超音速电弧喷涂技术,用正交试验法对超音速电弧喷涂工艺进行试验研究,得出3Cr13材料的较佳喷涂电流为180A、喷涂气压为0·6MPa、喷涂距离为200mm。
(2)运用改变不同工艺条件的方法,对涂层质量进行了研究,分析发现在适当的工艺条件范围内,比较3种条件的影响作用大小,喷涂电流对涂层质量影响最大,其次是喷涂距离。
(3)可以利用超音速电弧喷涂技术对传动设备的一些因腐蚀或磨损的关键零部件进行修复,以降低维修费用和延长使用寿命。
图略
参考文献略
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