等離子噴焊制備耐磨涂層的研究

材料表面重建技術可以提高普通材料表面的耐堿性、耐腐蝕性和耐候性，成為材料研究的熱點。如石油鉆桿接頭是石油鉆探過程中的關鍵性部件之一,長期工作在高壓強磨損的環境中,因此要求它具有較高的耐磨損和耐腐蝕性能,而常在接頭上噴焊一層耐磨涂層來保護鉆具和套管。利用等離子弧為熱源,在普通材料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強化技術之一,具有合金材料消耗少、能噴焊各種合金粉末材料,可得到稀釋率低、熔敷率高的致密涂層,且涂層成分可控、涂層與母材結合強度高、成本低、生產效率高、易于實現自動化等許多優點,廣泛應用在石油、化工、水電、礦山等存在嚴重磨損的工礦條件下。目前國內外用于抗磨損的等離子弧噴焊材料中,許多是價格昂貴的鎳基和鈷基合金粉末,對低成本的鐵基合金粉末開展研究具有廣闊的應用前景。鐵基噴焊合金粉末是在鐵碳合金基礎上添加適量的鉻、鉬、硅、硼等元素,添加硼硅后可顯著降低合金粉末的熔點,具有自熔性和改善流動性的功能。該所經過深入的研究試驗和長期的應用實踐,成功研制出高耐磨鐵基噴焊粉FFe1160A。1鐵粉末的組成設計1.1碳含量對氫脆材料耐久性的影響在鐵基耐磨涂層成分的設計中,碳是最主要的強化元素,同時也是致脆元素。碳具有間隙固溶強化的作用,增加碳含量,將增加碳化物的數量,減少碳化物質點間距,從而增加耐磨性。但碳含量過高,會促進孿晶馬氏體基體組織的形成,使材料的沖擊韌度下降,抗裂性變差。為此,應適當控制碳含量,以獲得高韌性的板條馬氏體基體和大量高硬度碳化物配合的組織結構。1.2作為耐堿物質鉻元素是強碳化物形成元素,與碳的結合力很強,可形成高硬度的碳化物。一般鉻碳比應超過3.5,在這個成分范圍內,組織中將出現可作為耐磨骨架相M7C3型碳化物,提高涂層的硬度和耐磨性。釩元素和鈮元素與碳的親和能力很強,可形成MC型碳化物,MC型碳化物的高穩定性和細小彌散分布,可以細化晶粒,提高涂層的硬度和耐磨性。1.3鉬元素鉬元素能提高淬透性,產生固溶強化,抑制回火脆性。其碳化物可以提高涂層的硬度和耐磨性。1.4鐵基耐磨性涂層的成分設計此類元素具有聯合脫氧和固溶強化作用,硼、硅還可以降低熔點,提高熔融金屬流動性。此外,各種硼化物也能提高硬度和耐磨性。綜合以上各種元素的作用,鐵基耐磨涂層成分的設計思想是:以C、Cr、Mo、V、Nb等作為基本合金系統,通過成分優化系列試驗獲得以板條馬氏體為主的基體和以M7C3型碳化物為主的大量彌散強化相相配合的組織結構。板條馬氏體基體的高韌性和高強度可以保證噴焊涂層的高抗裂性和對硬化相的有力支撐,大量M7C3型碳化物的高硬度和彌散分布可以保證涂層的高硬度(HRC≥60)和高耐磨性,適當加入硼、硅、錳元素主要改善其堆焊工藝性。2抗研磨材料的比較試驗2.1試驗材料試驗采用了生產中常用的四種不同廠家生產的鐵基合金粉進行對比試驗,見表1。2.2噴焊層硬度測試合金粉末先在烘箱中烘干,利用等離子弧噴焊在試件上,形成厚度均勻,成形良好的噴焊層,噴焊工藝參數為:電弧電壓30~34V,焊接電流120~150A,保護氣流量600L/h,離子氣流量300L/h。試樣采用HR-150型洛氏硬度計測量噴焊層的硬度。磨損實驗在MHK-500環塊摩擦磨損試驗機上進行,轉速為600r/min,載荷為200N,時間為30min,對偶材料:GCr15鋼(HRC56~58),無潤滑干磨。3結果和分析3.1焊接表面缺陷噴焊后涂層表面形貌如附圖所示。從附圖可見,鐵基1#無肉眼可見裂紋,流動性較差,可見熔池凸緣,表面張力大,可見邊界分明,表面不平,不光滑,飛濺粉末形成液滴于兩邊。鐵基2#貫穿縱裂紋一條,貫穿橫裂紋及不規則裂紋若干,間距約8mm,流動性良好,焊層與基體過渡平緩,表面張力尚可,可見焊路紋,比較平整。鐵基3#未見裂紋,流動性差,焊層呈不規則波浪,焊層邊界有圓角,飛濺粉末及焊渣在邊界形成結合不良層。FFe-1160A無肉眼可見裂紋,流動性良好,表面光滑。表面張力適中,焊層平整,邊緣圓滑過渡。飛濺粉末形成滴溜于兩邊。3.2hrc64高磨損試驗結果見表2。由表2可見,4種涂層都具有較高的硬度,鐵基1#的硬度最高,達到HRC64。FFe-1160A試樣磨損速度最小,鐵基3#試樣磨損速度最快,鐵基3#是FFe-1160A的16倍,鐵基1#試樣磨損速度約為FFe-1160A試樣的1.9倍,鐵基2#試樣約為FFe-1160A試樣的6.9倍。4ffe-1190a、ffe-1190a、ffe-1190a涂層的抗磨性將鐵基1#和FFe-1160A提供給某管具公司,在鉆桿接頭上進行了系列實地對比試驗,結果見表3。從表3中可看出,在相同的條件下,噴焊鐵基1#僅鉆進了7602m,就造成了鉆具本體的磨損,而FFe-1160A鉆進了8149m,還有部分涂層的存在,表現了FFe-1160A涂層具有十分優良的抗磨性。目前FFe-1160A鐵基合金粉末已應用在國內外數十個油田的鉆桿接頭上。5硬度和耐