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一種新型馬氏體不銹鋼耐磨涂層性能研究

文檔作者：鄧宇余圣甫邱宏斌行舒樂蔡業(yè)彬文檔來源： 1．華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2．廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 3．中國石化茂名分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月20日
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第41卷第4期
2012年7月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
VoI．41 NO．4
July 2012
文章編號：1000—7466(2012)04—0006—04
一種新型馬氏體不銹鋼耐磨涂層性能研究
鄧 宇 ，余圣甫 ，邱宏斌。，行舒樂 ，蔡業(yè)彬：
(1．華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；
2．廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名 525000；
3．中國石化茂名分公司，廣東茂名525000)
摘要：研制了一種提高零件表面耐磨性能的新型馬氏體不銹鋼電弧噴涂絲材，并通過高速電弧噴
涂設(shè)備在Q235低碳鋼板表面制備耐磨涂層。利用掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度儀和磨損試
驗(yàn)機(jī)等設(shè)備研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)度、硬度及耐磨損性能，并分析其耐磨機(jī)理。研究結(jié)果
表明，添加適量的V、Nb和稀土元素，可以促進(jìn)碳化物硬質(zhì)相顆粒的形成，有效地改善馬氏體不銹
鋼涂層性能。試驗(yàn)所制備的涂層成形良好，組織均勻且結(jié)構(gòu)致密，涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)34．61 MPa，涂
層顯微硬度值達(dá)538HV (高于4Cr13涂層)，耐磨性約為4Crl3涂層的1．70倍。
關(guān)鍵詞：馬氏體不銹鋼；合金化涂層；高速電弧噴涂；耐磨性能；結(jié)合強(qiáng)度
中圖分類號：TQ 050．4；TG 174．442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Study on M icrostructure and Properties for a New Kind of Arc Sprayed
M artensitic Stainless Steel W ear Resistance Coatings
DENG Yu ～，YU Sheng-fu ，QIU Hong-bias，XING Shu-le ，CAI Ye-bin
(1．College of Material Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，
W uhan 430074，China；2．College of M echanical and Electrical Engineering，Guangdong
University Of Petrochemical Technology，M aoming 525000，China；3．SINOPEC Maoming
Petroehemical Co．Ltd．，Maoming 525000，China)
Abstract：A new kind of carbonitride alloying flux-cored wire，which can enhance the wear per—
formance of the parts，had been developed．W ear resistant coatings were prepared on the surface
of the Q235 low—carbon steel by high velocity arc spraying with the wire．Detection and analysis
on the microstrueture and properties of the coatings were done by using the equipment such as
SEM ，XRD，microhardness tester and wear tester，and the wear resistance mechanism of the
coatings had also been studied．The results showed that V／Nb could improve the forming of car—
bide hard phase particles in the coatings and the performance of the coatings．The coatings had
good forming properties，uniformity of microstructure and compact structure．The value of adhe—
sion strength was up to about 34．61 MPa． The average microhardness value was about
5 38 HVo 1，higher than that of 4Cr1 3 coatings，and the abrasive wear resistance value was 1．70
times than that of the 4Cr1 3 coatings．
Key words：martensitic stainless steel；alloying coatings；high velocity arc spraying (HVAS)；
abrasive wear resistance；adhesion strength
收稿日期：2012—02—09
基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)Et(NO．2008B080702003)
作者簡介：鄧宇(1969)，男，廣東梅州人，副教授，博士，主要從事焊接工藝及表面技術(shù)的研究工作。
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第4期 鄧宇，等：一種新型馬氏體不銹鋼耐磨涂層性能研究
由于磨損而引起零部件早期失效與報(bào)廢，造成
了能源和材料的極大浪費(fèi)。因此，進(jìn)行零部件表面
耐磨涂層研究十分必要_1]?；跓釃娡考夹g(shù)的納
米、陶瓷、金屬陶瓷、鐵基非晶等涂層材料研究已有
報(bào)道，但成本過高等原因限制了這些涂層的廣泛應(yīng)
用E 。與其它熱噴涂方法相比，電弧噴涂具有設(shè)
備簡單、操作方便、效率較高、成本較低的特點(diǎn)而在
制備耐磨涂層中得到應(yīng)用。目前，采用電弧噴涂合
金化方法制備耐磨涂層主要使用碳強(qiáng)化合金絲材，
不過此類涂層存在碳化物容易長大、脫落而致使結(jié)
合強(qiáng)度和耐磨性不高的問題。
在涂層基體中生成硬質(zhì)相是提高涂層耐磨性的
有效途徑，本研究通過在4Cr13馬氏體不銹鋼絲材
中添加適量的V、Nb和稀土元素，以研究其對碳化
合物硬質(zhì)相顆粒形成及涂層性能的影響，為涂層材
料的深入研究打下一定的基礎(chǔ)。
I 試驗(yàn)簡介
1．1 試驗(yàn)方法
利用高速電弧噴涂設(shè)備在Q235低碳鋼板表面
制備了耐磨涂層，對其組織和性能進(jìn)行了檢測和分
析，以研究涂層的耐磨損機(jī)理。
1．2 試驗(yàn)用材
選用直徑為3．0 mm 的兩種噴涂絲材進(jìn)行試
驗(yàn)。第一種噴涂絲材為添加V、Nb及少量稀土元
素的新型用4Cr13馬氏體不銹鋼絲材，主要成分見
表i。第二種噴涂絲材為沒有添加上述元素的
4Cr13馬氏體不銹鋼絲材_】 。
噴涂試件材料為Q235低碳鋼，規(guī)格(長×寬
×厚度)200 mm×100 mm×5 mm。用新型4Cri3
馬氏體不銹鋼絲材制備的涂層記作A ，用4Crl3
絲材制備的涂層記作A ，涂層的設(shè)計(jì)厚度均為
0．7 mm 。
表1 電弧噴涂絲材的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
元素 C Si Mn Ni Cr V
重量坌塑 ： ： ：!! ： ： ：
質(zhì)量分?jǐn)?shù) O．28 ≤O．025≤O．028 余量 少量
噴涂前清除試件油污、鐵銹，用金剛砂對試件表
面進(jìn)行噴砂粗化處理。高速電弧噴涂設(shè)備采用
ZPG一400B型電弧噴涂機(jī)(配QDIll一250型高速電弧
噴涂槍)。
噴涂操作采用經(jīng)過優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)：噴涂
電流180 A，噴涂電壓38 V，空氣壓力為0．6 MPa，
噴涂距離2i0 mm。
1．3 試樣制備
(1)表面觀察和截面觀察試樣 在制備的A
涂層上用線切割垂直于涂層表面分別截取10 mm×
10 mm 的2個(gè)試樣，分別用于表面觀察和截面觀察
(記作AH和A )，再經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后用4 硝
酸酒精溶液腐蝕。
(2)涂層截取強(qiáng)度試驗(yàn)試樣 在A 和A 涂層
上各截取3個(gè)試樣以用做結(jié)合強(qiáng)度測試，分別記作
Al 3、Al 4、Al 5和A2 3、A2 4和『A2 5。
(3)硬度及磨損試驗(yàn)試樣 在A 和A 涂層上
各截取2個(gè)試樣進(jìn)行，分別記作A 、A 和A：
A2 7。
I．4 試樣測試
采用Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡觀察A¨和
A 試樣的形貌、顯微組織，并用EDS能譜儀分析
A 試樣的化學(xué)成分u 。
采用HV—1000顯微硬度計(jì)測試涂層的顯微硬
度(測試部位為涂層截面)。沿涂層方向上取10個(gè)
點(diǎn)測量顯微硬度，所加載荷為100 g，載荷保持時(shí)間
為10 S。
耐磨試驗(yàn)在橡膠輪磨粒磨損機(jī)上進(jìn)行。橡膠輪
沿硬度HA60，磨粒磨料為石英砂(尺寸為230～
415 btm，硬度900～l 0OOHV)，試驗(yàn)載荷為80 N，
轉(zhuǎn)速為120 r／min(線速度140 m／rain)，試件磨損時(shí)
間為1O min。耐磨性用涂層磨損量來計(jì)算，采用
JY602型電子天平稱測。
依據(jù)GB／T 8642—2O0 2《熱噴涂抗拉結(jié)合強(qiáng)度
的測定》來測定涂層結(jié)合強(qiáng)度口 。試驗(yàn)設(shè)備為
WDW3200微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)。拉伸時(shí)，加載速
率為0．3 mm／min，初始載荷為1O N。
顯微硬度、磨損量及結(jié)合強(qiáng)度的對比試樣為沒
有添加V、Nb及少量稀土：元素的4Crl3馬氏體不
銹鋼涂層。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2．1 涂層組織結(jié)構(gòu)及形貌
A 試樣的表面形貌見圖I。從圖I中可以看
到，高速噴射到試樣的表面：之后，多數(shù)金屬粒子發(fā)生
了明顯的變形，成為形狀各異的金屬基體。這些金
屬基體相互連接，表面成形良好，涂層的氧化物含量
較少。
A 試樣的截面形貌見圖2。從圖中可以看到，
涂層扁平狀的不規(guī)則的金屬基體和氧化物相互搭
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石油化工設(shè)備 2012年第41卷
接、堆疊，層狀結(jié)構(gòu)成形良好。經(jīng)分析軟件檢測后可
確定涂層的孔隙率為4．54 。
圖1 A 試樣涂層表面顯微組織
圖2 A 試樣涂層截面顯微組織
A 試樣涂層金屬基體的能譜分析見圖3。從
圖中可知，基體金屬中含有少量的V 和Nb。由于
冷卻速度太快，馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，還存在少量殘余
奧氏體 。藥芯絲材中的V、Nb為強(qiáng)碳化物形成
元素，促進(jìn)了碳化物硬質(zhì)相的形成。
7．1
5．7
4．3
2．9
1．4
能最／key
圖3 A 試樣涂層金屬基體的能譜分析
A 試樣涂層金屬基體的x射線衍射儀(XRD)
分析結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，涂層中存在
CrC、VC和NbC等硬質(zhì)相，這些碳化合物為細(xì)小硬
質(zhì)相顆粒，均勻分布于基體金屬上面和晶界處，對基
體起到很好的強(qiáng)化作用。
角度(2一’Fhela)／(。)
圖4 A 試樣涂層金屬基體的XRD分析
2．2 涂層結(jié)合強(qiáng)度
結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，若
結(jié)合強(qiáng)度不足則會(huì)造成涂層局部起皮、剝落而無法
使用。
AH、AH、A 和A A A。 測得涂層的結(jié)
合強(qiáng)度數(shù)值見表2。
表2 兩種涂層各3個(gè)試樣結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果
M Pa
試樣 結(jié)合強(qiáng)度 試樣 結(jié)合強(qiáng)度
A1 33．91 A2 3 30．70
A1 l 34．60 A2 4 29．10
Al 5 35．33 A2 5 29．53
平均值 34．61 平均值 29．53
從表中可以看出，添加V、Nb及少量稀土元素
的新型4Cr13馬氏體不銹鋼涂層的結(jié)合強(qiáng)度平均值
達(dá)到34．61 MPa，高于4Cr13涂層的平均值
(29．53 MPa)。
涂層的結(jié)合強(qiáng)度可分為涂層內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度和涂
層與板材結(jié)合強(qiáng)度。在進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)測試中，
斷裂均發(fā)生在涂層和Q235鋼板結(jié)合面，說明涂層
內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于涂層和鋼板的結(jié)合強(qiáng)度。
2．3 涂層顯微硬度及耐磨性
在兩種涂層試樣的截面上取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微
硬度測試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 兩種涂層各2個(gè)試樣的硬度測定值HV
序號 試樣A1 6 試樣Al一7 試樣Az一6 試樣A2．7
1 537 543 440 461
2 543 524 438 465
3 547 53O 457 447
4 541 528 453 449
5 544 540 337 470
6 531 538 448 462
7 544 532 452 443
8 535 547 432 451
9 548 518 454 464
10 560 530 439 458
平均值1 543 533 445 447
平均值2 538 451
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第4期 鄧 宇，等：一種新型馬氏體不銹鋼耐磨涂層性能研究
從表3中可以看出，A 涂層試樣的顯微硬度平
均值達(dá)到538HV ，高于A：涂層試樣的平均值
451 HVo 1。
兩種涂層各2個(gè)試樣的磨損試驗(yàn)測定值結(jié)果見
表4。從中可以看出，A 涂層的平均磨損失重約為
A 涂層的1．70倍，說明添加V、Nb及少量稀土元
素的4Cr13馬氏體不銹鋼涂層的顯微硬度值和耐磨
損性能均有較大提高。
表4 兩種涂層各2個(gè)試樣的磨損試驗(yàn)測定值 g
試樣 磨損量 試樣 磨損量
Al_6 0．228 A2 6 0．385
A1 7 0．215 A2 7 0．369
平均磨損量0．221 平均磨損量0．377
相對磨損量 1．7O 相對磨損量 1．00
如前所述，V、Nb為強(qiáng)碳化物形成元素．能促進(jìn)
碳化物硬質(zhì)相的形成。當(dāng)在噴涂絲材中添加V、Nb
后，它們與C形成了高硬度、高熔點(diǎn)的碳化物硬質(zhì)
相，彌散分布在馬氏體基體中，從而提高了涂層的顯
微硬度。
涂層耐磨性與涂層的顯微硬度和硬質(zhì)相的大
小、分布有關(guān)。一方面馬氏體基體本身具有較高的
硬度和較好的韌性。另一方面，均布在馬氏體基體
中的碳化物硬質(zhì)相顆粒能夠釘軋位錯(cuò)，細(xì)化晶粒，強(qiáng)
化基體，在磨損過程中起到耐磨骨架的作用。馬氏
體基體的支撐作用與硬質(zhì)相粒子的抗磨作用相結(jié)
合，使涂層具有較好的耐磨性能。
3 生產(chǎn)應(yīng)用
為檢驗(yàn)?zāi)湍ネ繉拥膶?shí)際應(yīng)用效果，將本涂層試
驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到某石化裝置泵軸的修復(fù)。該泵長時(shí)間
處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，泵軸發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致
設(shè)備無法正常運(yùn)行，泵軸材料3Crl3。
修復(fù)前，對泵軸進(jìn)行了表面油污清洗，再用金剛
砂對修復(fù)部位進(jìn)行了表面噴砂粗化的預(yù)處理過程。
為保證涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，打底層采用了噴
涂Ni95A15，工作層采用新型馬氏體不銹鋼絲材噴
涂，噴涂完畢后用機(jī)加工方法將泵軸加工到設(shè)計(jì)
尺寸。
日前對運(yùn)行了一年半的修復(fù)泵軸進(jìn)行檢測，泵
軸基本無磨損，說明了此新型馬氏體不銹鋼涂層具
有較高的耐磨性能，應(yīng)用前景良好。
4 結(jié)語
(1)添加適量的V、Nb和稀土元素可促進(jìn)碳化
物硬質(zhì)相顆粒的形成，能有效地改善馬氏體不銹鋼
涂層性能。
(2)文中所制備的涂層成形良好、組織均勻且
結(jié)構(gòu)致密，涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到34．61 MPa，涂層顯微
硬度值高于4Crl3涂層，達(dá)538HV ，涂層耐磨損
性能為4Cr13涂層的1．70倍。
(3)生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)表明，新型4Crl3馬氏體不
銹鋼涂層具有良好的推廣應(yīng)用前景。
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