摘要:针对热轧平整机组开卷机卷筒扇形板的防护,系统分析对比了渗氮、镀铬、等离子喷涂APS(Air Plasma Spraying)及超音速火焰喷涂(HVOF)等常用表面处理技术的特点。基于HVOF具有涂层结合强度高、硬度高、耐磨性能好、孔隙率低及可多次修复使用等优点,重点研究了两种粉末WC-12Co和WC-CrC-Ni经0°,15°, 30°不同喷涂角度制备试样的显微形貌、硬度、沉积率、耐磨性等。确定了涂层粉末和最佳喷涂工艺参数,并将其用于卷筒扇形板的实际表面处理中,使用效果良好。
关键词:卷筒扇形板;高速高压超音速火焰喷涂(HVOF);涂层;工艺优化
1 卷筒扇形板表面处理方法
在钢铁行业,目前设备零部件失效的原因主要有五种,其中由于磨损原因造成零部件失效的比例高达53%,见图1。如何使零部件达到高的耐磨性,延长使用寿命,同时可重复修复利用,是降低成本的关键。
在热轧开卷机设备中,卷筒扇形板是其核心部件,扇形板表面直接与带钢接触,承受着开卷时较大压力和摩擦力。为延长卷筒使用寿命、提高带钢质量,根据使用工况和失效形式,扇形板表面必须具备:¹高硬度、高耐磨性和高结合强度;º具有表面粗糙度保持性、防打滑的要求。
对扇形板等表面硬度、耐磨性要求较高的零部件,表面处理方法主要有渗氮、镀铬及热喷涂。国内应用渗氮和镀铬较为广泛,近年来逐步开始了热喷涂技术的研究和应用。
1. 1 常用的表面处理方法对比
热喷涂、镀铬、渗氮的主要特点及工艺流程如表1所示,相互区别如表2所示。
由此可见,与镀铬、渗氮相比,热喷涂所需工序更简单,且在生产过程、材料选择、环保要求等方面,具有更显著的优越性。
1. 2 热喷涂方法的确定
最近出现一种冷空气动力喷涂法(CGDS:Cold GasDynamic Spray),利用具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞,经强烈的塑性变形发生沉积形成涂层。与热喷涂相比,冷喷涂加速气流的温度一般低于600°C,温度远低于材料的熔点,可以避免喷涂材料的氧化,获得成分纯净、压应力较大、较厚的涂层。此法可以解决HVOF难以喷涂一些难熔合金和陶瓷、难以制备有特殊要求喷涂涂层的问题。可以认为冷喷涂是粒子温度和速度分别向低温和高速进一步拓展的新型热喷涂方法,但目前应用还很少。
在热喷涂技术中,等离子喷涂和HVOF是制备高硬度、高耐磨涂层应用最多的两种方法。碳化钨(WC)陶瓷材料是制备高硬度耐磨涂层最常用的喷涂材料,在扇形板表面处理工艺研究中,选用碳化钨系列粉末,不同喷涂方法WC涂层硬度对比见图2。
常用的等离子喷涂APS流射速度相对较低,一般在250~300m/s,温度约10 000e,喷涂颗粒在高温等离子体射流中停留时间较长,容易造成氧化、脱碳和烧损现象。在喷涂WC粉末时,WC在高温下易氧化、脱碳,致使涂层硬度、结合强度、致密度等降低[1]。等离子喷涂中经常出现的气孔、裂纹以及分层等缺陷给涂层性能带来很多不利的影响[2]。
HVOF喷涂速度高,粉末与射流作用时间短,燃气温度约3 000e,颗粒以超音速飞行撞击到基体表面,高速度、高动能和相对较低的受热,更能得到一种低孔隙度、高致密度、高结合强度、低氧化、材料成分变化小的高性能涂层,有效提高了涂层的硬度和耐磨性,使WC涂层在应用中得到迅速的发展[3]。
综上所述,确定采用HVOF喷涂方法,通过PW状、具有高硬度、高耐磨性WC-12Co和WC-CrC-Ni两种粉末涂层分析对比,优化出一种综合性能更优的粉末和更合适的喷涂参数。
2 涂层的制备与性能
涂层试样基体材料为35SMi n,尺寸为50 mm*25 mm*5 mm。喷涂前用93号汽油将试样表面清洗干净,在空气中自然挥发,用丙酮清洗试样表面,用46目的石英砂对基体材料喷砂粗化处理。石英砂粒度不能过大,否则效率低且使基材表面粗糙度过大,涂层结合强度降低[4]。
采用WC-12Co和WC-CrC-Ni两种喷涂粉末做涂层原料。
喷涂设备采用HP/HVOF JP5000。该设备以煤油为燃气,氧气为助燃气体,氩气为送粉气。图3为JP5000喷涂时煤油流量与氧气流量的关系。由图中可以看出,粒子的速度随着氧气流量加大而提高,其温度随着煤油流量的加大也上升。氧气流量的加大,提高粉末粒子速度的同时,保证了煤油充分的燃烧,从而降低涂层内游离碳的存在。
煤油和氧气流量的正确设置,对涂层质量具有重要影响。通过对氧气流量、煤油流量、沉积率等综合实验分析,得出表3优化的喷涂工艺参数。喷涂角度的定义详见图4,当喷枪和喷涂表面垂直时定义为0°。喷砂后基体表面形成凸凹不平的微观结构,如采用较大角度喷涂,易在涂层和基体结合面形成空隙,降低结合强度,并且空隙处易形成裂纹源,造成涂层出现裂纹、剥落。因此,实际喷涂中喷涂角度一般不大于30°。在0°, 15°, 30°三个喷涂角度下,分别制备WC-12Co和WC-CrC-Ni涂层试样,分析其附着效率、耐磨性及磨耗比等。
3 结果与讨论
3. 1 涂层的显微形貌
对0°时的WC-12Co和WC-CrC-Ni涂层断面,做涂层在光学金相显微镜下的微观形貌,见图5。微观形貌显示,两种涂层都没有明显分层、裂纹、较大孔隙。涂层由变形良好的带状粒子、少量未变形的球状离子、疏松和孔隙(涂层中的黑点)组成,组织机构均匀一致。涂层致密,颗粒间结合良好,没有明显缺陷,粉末颗粒的形状结构和喷涂机理是完全一致的。
在WC-12Co涂层显微形貌中,WC粉末颗粒呈明显的多角状、细长带状分布,细小的WC被Co紧紧包围起来,紧密地黏结成块,粉末结构细致,粒度分布均匀。从WC-CrC-Ni涂层显微形貌中可以看出,WC和CrC作为涂层的耐磨材料,Ni作为黏结剂,在图中不能明显分辨出来,同样,其粉末结构细致、致密,粉末颗粒分布均匀,紧密地黏结在一起。
两种涂层形貌分析说明,HVOF喷涂形成的WC-12Co和WC-CrC-Ni涂层都具有良好的特性,涂层均匀致密,不存在裂纹、较大的气孔等涂层缺陷。
3. 2 涂层硬度
用硬度测量仪检测涂层试样的HV(200g)表面硬度,得出两种涂层粉末的表面硬度曲线图6。涂层的高硬度主要由以下几个方面决定的:(1)非晶体内各原子排列是无序的,不存在晶界、缺陷、偏析等,表现出各向同性,在化学成分上具有均匀性、一致性,因此具有高硬度、强度和优异的耐磨性[5]。(2)HP/HVOF形成的高速喷涂粒子使涂层堆积紧密、孔隙和疏松较少。(3)WC硬质相的形成对涂层的硬度起到非常重要的作用。
WC-12Co和WC-CrC-Ni涂层都是由半径不同的原子组成。资料表明,半径不同的原子构成一个紧密无序的堆积,将导致自由体积的减少、流动性和扩散系数的减小,增强了非晶态的形成与稳定。增加合金中的组元数可以降低熔点,使合金成分处于共晶点附近,更容易形成非晶态,合金中原子半径: Fe 1. 24, Cr 1. 27, Ni 1. 24,C 0. 86,W 1. 41,Co 1. 26。这种半径不同的金属-类金属的原子组合使粉末具有高的非晶形成能力。喷涂过程中溶液粘度大,扇形板基体对溶液的冷却速度极快,元素的长程扩散受到抑制,短程有序被保留下来,形成无序堆积的凝固状态,即是非晶态[6]。由于非晶态所具有的性质,使它具有高的硬度、强度和优异的耐磨性。
涂层高硬度是扇形板表面性能考核的重要指标, 0°、WC-12Co涂层硬度效果更好。
3. 3 涂层的沉积率
沉积率是指沉积在基体表面的粉末量A总的送粉量*100%,沉积率越高,说明粉末利用率越高、喷涂效率越高。通过对涂层的试样分析,WC-12Co、WC-CrC-Ni粉末的沉积率见图7。碰撞角度对高速碰撞过程中能量的转换非常关键,随着角度的不断增加,粒子在和基体撞击时能量损失逐渐加大、结合力下降,粒子容易从基体上脱落下来。同时,小颗粒沿着气流运动的倾向比大颗粒大,容易向外围扩散[7],使粉末沉积率进一步下降。在上图中, 0°时沉积率最高,且WC-12Co的沉积率达到约55%,远高于WC-CrC-Ni约45%的沉积率。
3. 4 涂层的耐磨性及磨耗比
分析涂层耐磨性,通常是通过分析磨耗比进行耐磨性分析。体积磨耗比越小,说明涂层的磨耗量越小、耐磨性能越好。磨耗比分析有两种形式:干式磨耗比和湿式磨耗比。开卷机卷筒属于干式磨损,因此只分析干式磨耗比。用干砂轮对不同角度喷涂的涂层试样进行摩擦磨损测试。采用精度0. 1 mg的测量试样磨损前后的质量,得出不同角度涂层体积磨耗比,见图8。
从中可以看出, 0°磨耗比最低,耐磨性最好,WC-12Co涂层耐磨性优于WC-CrC-Ni涂层。
3. 5 综合结果
通过上述对WC-12Co和WC-CrC-Ni两种HVOF涂层显微形貌、0°, 15°, 30°喷涂角度下涂层硬度、附着效率、耐磨性等性能分析,得出喷涂角度为0°的WC-12Co涂层具有更好的综合性能。
4 实际应用与效果
根据试验分析结论,用JP5000设备对扇形板进行喷涂、组装、上线使用,见图9。使用过程中,利用停机间隙,对卷筒扇形板使用情况进行了全程跟踪检查,历次检查情况良好。该卷筒在线使用3年后,对扇形板涂层表面进行了全面检查,情况如表4。
表4各项性能检查情况表明,卷筒扇形板表面没有出现磨损、划伤现象,涂层的耐磨性和硬度等性能良好。
5 结语
从资源、环保、节能等长远的发展考虑,相对于渗氮、镀铬等传统工艺技术,热喷涂技术具有更显著的优越性。通过对卷筒扇形板表面采用HVOF喷涂新技术,实现了耐磨、防打滑、可重复修复、绿色环保等特点,在实际应用中效果良好,为其他同类型冶金设备的研制提供第一手资料,具有积极的借鉴意义。
参考文献略
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