球阀表面热喷涂镍基合金强化层耐磨性的研究

王 坤，姜鹤明，金克雨，王小瑾，尚玉来，郑道友，陶子雄，唐 恩

(1.浙江工贸职业技术学院光电制造学院，浙江 温州 325037；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 温州 325102)

石油化工管道中球阀广泛的被用来控制流体的方向、压力、流量。由于球阀长期服役过程中承受流体和气体的冲刷，密封面接触位置常因磨损而影响密封效果[1-2]。对于一些关键位置的球阀，可通过表面处理技术对球阀表面进行强化处理，在其表面制备耐磨减摩强化层，从而延长球阀使用寿命。氧乙炔火焰喷涂将金属粉末加热至熔化，喷射并沉积到金属基材表面，其强化层厚度可控制在0.15～3.00 mm之间，所以可在球阀表面获得具有耐磨、耐蚀的强化层[3-4]。

镍基合金粉末是自熔性合金粉末中应用最广泛的一种，具有优良耐腐蚀、抗氧化性、耐热、耐磨粒磨损及良好的冲击韧性。常见的镍基合金粉末有Ni30、Ni45、Ni60等系列，它们均在阀门等制造业中得到了广泛应用。不同的合金成分所制备的强化层具备不同的硬度、耐腐蚀和耐磨损等性能。

本文采用氧乙炔火焰喷涂方法在不锈钢表面制备Ni45和Ni60两种镍基合金粉末强化层试样。并对强化层的微观结构、硬度和摩擦磨损性能进行了研究，以期为高性能镍基合金强化层的制备和选用提供参考[5-7]。

1 试样的制备

热喷涂试验用的基材是规格为200 mm×200 mm×20 mm的商用CF8M不锈钢板，其具体成分如表1所示。

表1 基材CF8M不锈钢的化学成分 单位：%

试验用的150～300目的商用镍基(Ni45和Ni60)粉末其粒径为50～100 μm，镍基粉末微观形貌如图1所示，可以看出该镍基金属粉末球形度较好，几乎全部为近球形和椭球形，粒度分布均匀且卫星球少，保证了粉末具有足够好的流动性，硬质颗粒的粒度也比较均匀。

试验用的150～300目的商用镍基(Ni45和Ni60)粉末其粒径为50 ～ 100 μm，镍基粉末微观形貌如图1所示，可以看出该镍基金属粉末球形度较好，几乎全部为近球形和椭球形，粒度分布均匀且卫星球少，保证了粉末具有足够好的流动性，硬质颗粒的粒度也比较均匀。

图1 镍基合金粉末(Ni60)SEM形貌图

喷涂前对CF8M不锈钢钢板进行喷砂毛化处理，以除去基体表面的铁锈、鳞皮、毛刺、焊渣等污物，并形成具有相当粗糙度的基体表面，以提高热喷涂强化层的结合力。利用氧气乙炔火焰热喷涂制备出不同镍基合金粉末(Ni45和Ni60)的强化层，粉末的化学成分如表2所示。喷涂距离300 mm，热喷涂搭接距离8 mm，喷涂完成之后，继续利用氧气乙炔火焰对试样进行重熔处理。

表2 试样热喷涂金属粉末的化学成分 单位：%

将热喷涂强化处理后的试样利用电火花数控线切割机床沿垂直于喷涂方向的截面进行切割以制取样块以备后续试验的使用，样块尺寸为25 mm×10 mm×20 mm。使用PG-2B金相抛光机依次对试样表面和侧面进行打磨和抛光处理，采用LEICADM2500光学金相显微镜，Phenom XL电子显微镜和能谱扫描仪及 HV-1000A显微硬度计对样块表面进行检测和分析。

利用MSR-2T型电化学往复摩擦磨损试验仪对样块进行摩擦磨损试验，压力负荷为600 N，试验时间为60 min。摩擦磨损试验结束后采用酒精对试样进行清洗，采用 Phenom XL电子显微镜表征其磨损形貌。

2 试验结果与分析

2.1 强化层结构

Ni45与Ni60强化层形貌图如图2所示，可以观察到基材表面受到喷砂毛化处理后凹凸不平。为了真实反映喷涂层厚度，Ni45强化层随机选取3处测量厚度分别为1455 μm、1431 μm、1422 μm，平均值为1436 μm；Ni60强化层随机选取3处测量厚度分别为1176 μm、1151 μm、1164 μm，平均值为1163 μm。

图2 Ni45和Ni60强化层形貌图

在强化层形貌图中可以观察到结合区存在少量的孔隙，并且逐步延伸到强化层中部。热喷涂过程中熔化和半熔化状态下的镍基粉末颗粒堆叠在基材表面，而粉末中变形严重的颗粒、低速和低温的颗粒在堆叠过程中变形不充分，从而形成孔隙。另一方面，热喷涂过程中，镍基粉末从液态逐步凝固为固态，而粉末中部分杂质的溶解度随着温度下降而降低，从而释放出气体最终形成孔隙。在每个试样侧面方向随机选取5张扫描电镜显微图，并通过ImageJ软件测量了经过氧气乙炔火焰喷涂强化后涂层的孔隙率。其中，Ni45强化层致密度为98.89%，其计算孔隙率为1.11%。Ni60强化层致密度为98.39%，其计算孔隙率为1.61%。

Ni45强化层表层的微观形貌如图3所示，Ni45强化层中分布着多个相，结合能谱元素分析可以看出，图中白色组织(A1点所在位置)主要为镍基合金粉末中形成的固溶体。黑色组织(A2点所在位置)为Cr元素和C元素富集区域，初步推断为碳化物、硼化物等硬质相。灰色组织(A3点所在位置)为Ni元素和Cr元素富集区域，初步推断为镍、铬合金的软质共晶组织。

图3 Ni45强化层元素分析

表3 Ni45和Ni60强化层能谱元素测定成分表 单位：%

利用电子显微镜分析观察Ni60强化层表层的微观形貌如图4所示。与Ni45强化层相比，Ni60强化层中灰色和黑色组织更为均匀，数量更多。结合能谱元素分析可以看出图中白色组织(B1点所在位置)为Ni元素和Si元素富集区域，推断为镍、硅合金的软质共晶组织。黑色组织(B2点所在位置)为Cr元素和C元素富集区域，推断为碳化物、硼化物等硬质相。灰色组织(B3点所在位置)为Ni元素和Cr元素富集区域，初步推断为镍、铬合金的软质共晶组织。

图4 Ni60强化层元素分析

由此可以初步判断，氧乙炔火焰热喷涂镍基合金粉末Ni45和Ni60可以在基材表面堆叠出孔隙率在1.11%和1.61%、具有一定厚度的强化层。强化层中组织主要为白色的基础相包裹灰色和黑色的硬质相。根据粉末中成分的不同，Ni60强化层中的强化相含量明显增多。

2.2 强化层硬度分析

采用维氏显微硬度计测试试样的硬度，其中加载载荷为300 g，加载时间10 s，在Ni45和Ni60强化层表面方向每间隔100 μm打点测试，结果如图5所示。

图5 Ni45和Ni60强化层表面显微硬度图

Ni45与Ni60强化层平均显微硬度分别为422 HV0.3和788 HV0.3，较基材CF8M不锈钢硬度260 HV0.3分别提高了62.3%和203.1%。由图可以看出强化层显微硬度值有所波动，原因在于热喷涂强化层中存在一些微观的孔隙和缺陷，导致硬度值下降，如Ni45强化层中的388 HV0.3和Ni60强化层中的500 HV0.3。同时强化层中存在硬质的颗粒，此时显微硬度会有明显的上升，如Ni60强化层中的942 HV0.3。

在Ni45和Ni60强化层在结合区附近深度方向每间隔100 μm打点测试，结果如图6所示。

图6 Ni45和Ni60强化层截面显微硬度图

Ni45和Ni60强化层的显微硬度沿着厚度方向逐渐下降，分别从490 HV0.3下降到基材的257 HV0.3和800 HV0.3下降到基材的274 HV0.3。受到热喷涂火焰的热影响，基材在结合区附近硬度有所变化。热喷涂强化层截面方向同样中存在一些微观的孔隙和缺陷，导致硬度值下降，如Ni60强化层中的742 HV0.3。

2.3 强化层耐磨性分析

利用MSR-2T型电化学往复摩擦磨损试验仪对样块进行摩擦磨损试验，载荷600 g，时间60 min，摩擦磨损运动为10 mm直线往复式运动。

摩擦系数是表征摩擦磨损性能的重要指标之一，经典摩擦理论中讲到，摩擦系数的大小不仅能直接表征涂层表面的粗糙度，也能直观地反映出摩擦磨损的状况[8-9]。Ni45强化层摩擦系数如图7所示，摩擦系数平均值为0.640，摩擦系数在0～10 min波动较大，而后逐步稳定在0.6～0.7的区间。前期波动主要是摩擦副之间相互磨合，逐步磨去表层的氧化膜导致。10 min之后其中可以发现存在摩擦系数突然的下降，然后马上回升，如图7中20～30 min区间中，50～60 min区间中。初步判断为摩擦过程中有颗粒掉落在摩擦副之间，形成滚动摩擦而导致。相比之下，Ni60强化层摩擦系数平均值为0.546，同样前期受表面氧化膜的影响，摩擦系数在10 min前波动较大，而后逐步稳定在0.4～0.6的区间。

图7 Ni45和Ni60强化层摩擦系数对比

为了进一步分析不同成分的镍基合金强化层的摩擦行为和磨损机理，利用电子显微镜观察并测量试样强化层表层磨痕和磨屑。Ni45和Ni60强化层的磨损形貌具有明显的平行于滑动摩擦方向的犁沟，表明摩擦过程中存在磨粒磨损。同时，在磨损痕迹附近存在数量和大小不一的剥落坑，表明存在粘着磨损或者疲劳磨损。

Ni45强化层磨痕如图8(a)所示，其形貌为条状沟犁和大片的块状剥落坑。Ni60强化层磨痕如图8(b)所示，其形貌为条状沟犁和少量的块状剥落坑，并且面积比Ni45强化层更小。

图8 Ni45(a)和Ni60(b)强化层磨痕形貌

通过对Ni45强化层磨屑粉末能谱的分析，主要元素质量分数为：镍(Ni)47.5%、氧(O)16.8%、铬(Cr)15%、铁(Fe)11.2%、硅(Si)6.9%、碳(C)2.6%，和镍基粉末成分基本一致。而氧(O)元素的出现是因为熔覆层在摩擦过程中的温度升高导致强化层中元素发生了氧化，表明也存在氧化磨损的现象。

当摩擦副刚开始接触时，由于表面粗糙度比较大，实际接触面积为摩擦副的突出和尖角部位，是总面积的小部分，而施加较小的载荷在突出的接触面上的局部应力引起塑性变形而导致粘着磨损的现象。同时由于摩擦过程中会发生塑性变形，滑动产生的循环应力很容易集中在析出相与基体的界面处[10-11]。因此，裂纹在这些薄弱区域附近产生和扩展，当裂纹进一步扩展到极限时，就产生了分层现象，同时磨屑含有片状物，意味着存在部分的疲劳磨损[12-13]，经测量，Ni45强化层磨痕的宽度为1.860 mm，平均深度为3.27 μm。Ni60强化层磨痕的宽度为2.670 mm，平均深度为1.53 μm。计算磨痕截面分别为6.082×102μm，4.086×102μm，Ni60强化层磨损量比Ni45强化层减少了48.9%。

综上所述，Ni45和Ni60强化层在摩擦磨损测试中主要分为两个阶段。前10 min摩擦副处于跑合磨损阶段，在此阶段由于实际接触面积较小，接触点粘着严重，摩擦系数波动较大，而且此阶段磨损率较大。10 min之后随着跑合磨损的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，实际接触面积增大，摩擦系数和磨损率也趋于稳定。镍基强化层主要磨损机理为磨粒磨损、疲劳磨损和大量的粘着磨损。磨粒磨损主要是镍基强化层中镍、铬合金等软质组织受到硬质颗粒沟犁现象导致。而粘着磨损和疲劳磨损主要为合金中材料塑性变形和应力集中导致。

Ni60强化层中黑色组织的碳化物等硬质相含量高于Ni45强化层，而硬质相在摩擦磨损过程中减少了塑性变形的量，加强了强化层抵抗粘着磨损的能力从而提高了强化层的耐磨性。Ni60强化层主要磨损机理为磨粒磨损、少量的粘着磨损和疲劳磨损。

3 结论

(1)在常见球阀不锈钢基材表面制备氧乙炔热喷涂镍基强化层，其中Ni45强化层厚度在1.43 mm以上，孔隙率在1.11%以下，Ni60强化层厚度在1.16 mm以上，孔隙率在1.61%以下。

(2)Ni45强化层平均显微硬度为422 HV，Ni60强化层平均显微硬度为788 HV，较基材CF8M不锈钢硬度260 HV分别提高了62.3%和203.1%。

(3)Ni60涂层中铬碳化合物硬质相的存在可以减少强化层中粘着磨损和疲劳磨损的现象，主要磨损机理为磨粒磨损。Ni60涂层的磨损量比Ni45涂层减少了48.9%，表现出更为优异的耐磨损性能。