高温冲蚀磨损试验新方法

《高温冲蚀磨损试验新方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高温冲蚀磨损试验新方法（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十二届国际热喷涂研讨会论文 (ITSS2009) 第十三届全国热喷涂年会论文 (CNTSC2009) - 49 - 高温冲蚀磨损试验新方法 魏 琪 冯艳玲 李 辉 栗卓新 (北京工业大学材料科学与工程学院焊接实验室, 北京 100022) 摘 要：本文介绍了一种新型的高温冲蚀磨损测试装置及方法，研究了冲蚀距离、冲蚀温度、冲蚀速度、冲蚀角度等因素对涂层冲蚀磨损测试结果的影响。结果表明，所研制的新型高温冲蚀磨损测试装置结构简单、操作方便、运行稳定、所测试的数据重现性好，利用该装置可以评价不同冲蚀温度、冲蚀速度和冲蚀角度条件下涂层的耐冲蚀磨损性能。 0 引言 磨损是造成材料损失和设备破坏的重要原因

2、，在冶金、电力、矿山、建材和化工等工业领域， 由于材料的磨损和腐蚀，每年都会造成巨额的浪费和损失，甚至会造成设备的毁坏和人员的伤亡。 其中冲蚀磨损约占工业生产中磨损破坏总数的8%，特别是高温冲蚀磨损对材料和装备造成的破坏就 更为严重。 例如锅炉受热管壁因高温磨损而导致的减薄甚至爆管的现象是影响锅炉运行的主要问题， 特别是循环流化床锅炉水冷壁管等受热面的高温冲蚀磨损问题更为严重，磨损减薄量可达56mm/ 年。因此，提高材料的耐冲蚀性能就成为人们极为关注和急需解决的问题。 提高材料耐磨蚀的方法很多，其中采用热喷涂技术在工件表面制备一层耐磨蚀的涂层是目前采 用最多、最经济和最有效的方法之一。热喷涂涂

3、层耐高温冲蚀性能的优劣直接影响到零件或工件的 使用寿命，而耐高温冲蚀磨损涂层的研发需要借助于更好的、更实用的测试手段和方法。 目前，国内外见诸于报道的高温冲蚀磨损试验方法也有多种，但都还有一定的局限性。有的试 验条件与实际工况相差较远，有的设备复杂操作繁琐，有的测试的准确性和测试环境较差。由于没 有合适的试验方法和设备，在国内很多人只能通过测试涂层的硬度或涂层的常温磨损性能，间接判 断涂层的高温冲蚀磨损的性能，这种方法既不准确也不科学。因此，开展新型高温冲蚀磨损试验方 法的研究是非常有必要的。 1 测试装置 根据高温冲蚀磨损的实际工矿要求，所设计的新型高温冲蚀磨损测试装置的测试温度为室温 10

4、00之间， 砂粒的冲击速度为0120m/s,冲蚀角度为090度。 而且要求设备结果简单， 操作方便， 经济实用，测量数据稳定可靠。 根据上述设计原则，所研制的新型高温冲蚀磨损测试装置采用电阻热直接对试样进行加热的方 式，用高速电机带动转盘作高速旋转运动来提供冲蚀所需要的动力，砂粒从转盘上方的落砂斗下落， 经分砂器均匀分配到转盘的四个孔槽中，在离心力的作用下从岀砂孔被高速抛出并打击放置在转盘 周围的试样表面上，最后通过计算试件单位面积的失重量来评价涂层的耐高温冲蚀磨损性能。图1 是所设计的高温冲蚀磨损测试装置结构的示意图。 2 测试方法 本文通讯联系人：魏 琪(北京工业大学材料科学与工程学院焊接

5、实验室, 北京 100022) 北京市教委科技发展项目（JP000901220803） 第十二届国际热喷涂研讨会论文 (ITSS2009) 第十三届全国热喷涂年会论文 (CNTSC2009) - 50 - 冲蚀砂粒、试样制备、冲蚀距离、冲蚀角度、冲击速度和测试温度等因素对材料的冲蚀测试结 果有重要影响，因此有必要进行上述因素对高温冲蚀磨损测试结果影响规律的研究。 1-控制柜 2-加热电源 3-支架 4-送砂器 5-磨粒 6-落砂槽 7-漏斗 8-分砂器 9-转盘 10-箱体盖 11-试样 12-电极 13-冲蚀箱体 14-电机 15-滑砂板 16-水冷系统 17-出砂口 图1 高温冲蚀磨损测试

6、装置结构示意图 2.1 冲蚀砂粒的选择 冲蚀砂粒对冲蚀磨损性能的影响主要与砂粒的硬度、形状、粒度和砂粒的流量等因素有关。一 般认为，砂粒的硬度要高于被冲蚀磨损材料的硬度；尖棱角砂粒造成的冲蚀失重远大于球状砂粒； 砂粒的粒度越大动能越大，冲蚀磨损越严重；砂粒的流量越大，冲蚀磨损试验效率越高。根据试验 设备和条件，经试验确定选用 16 目的尖棱角形棕刚玉砂，砂粒流量为 300g/min。 2.2 试样的制备 本试验的试样是在 25mm10mm2mm的304不锈钢基体上喷涂涂层制备而成。在高温试验时，由 于只对一个表面进行冲蚀，而其它未被冲蚀的表面会因高温氧化而产生增重，从而会影响试验结果 的准确性

7、。因此，必须采用计算的方法将未受到冲蚀磨损表面造成的氧化增重的部分减去，以此来 减小氧化对测试结果的影响。试验中实际测量了304不锈钢试样基体在800下的氧化增重曲线（如 图2所示） 。由图2可知，随氧化时间的增加，304不锈钢试样基体的氧化增重逐渐增加，但是重量增 加幅度很小。因此，在低于800短时间的高温冲蚀磨损试验中，若对测试结果的计算精度要求不非 常高的情况下，试样基体的氧化增重可以忽略不计。 图2 304不锈钢在800下的氧化增重曲线 图3 冲蚀距离与磨损量的关系 2.3 冲蚀距离的影响 冲蚀距离是指被冲蚀试样表面距转盘边缘的距离。由于砂粒从岀砂孔飞出后，随着飞行距离的 增加，颗粒之

8、间的距离逐渐增大，也就是颗粒有一个逐渐发散的过程。冲蚀距离的远近对试样表面 的打击密度是不同的，所以冲蚀磨损的程度也是不同的。图 3 是冲蚀距离与磨损量的关系。 由图 3 可见，随着冲蚀距离的增大，试样的冲蚀磨损量逐渐增加，当冲蚀距离为 40mm 时试样 的冲蚀磨损量达到最大值。当继续增加冲蚀距离时，试样的冲蚀磨损量逐渐减少。另外，在冲蚀速 度变化的条件下所表现出来的规律是一样的。 20304050600.00000.00050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.0040冲蚀距离(mm)冲蚀磨损量(g)冲蚀距离(mm)冲蚀磨损量(g)60m/s40m/s0

9、51015202530350.00000.00020.00040.00060.00080.0010氧化增重(g)氧 化 时 间(min)第十二届国际热喷涂研讨会论文 (ITSS2009) 第十三届全国热喷涂年会论文 (CNTSC2009) - 51 - 图 4 是冲蚀距离分别为 20mm，40mm，60mm 时试样被冲蚀表面的 SEM 形貌。从图 4 可见， 随冲蚀距离的增大，被冲蚀区域的范围逐渐增加，冲蚀坑的分布由密集逐渐变为稀疏。由此说明， 冲蚀过程中，粒子流束呈发散形态分布，当冲蚀距离为 40mm 时冲蚀坑的分布既密集又均匀。因此 确定最佳冲蚀距离为 40mm。 a) 20mm b) 4

10、0mm c) 60mm 图 4 不同冲蚀距离的冲蚀表面 SEM 形貌 2.4 冲蚀速度对磨损量的影响 材料发生冲蚀磨损存在一个冲击速度的门槛值 （门槛速度取决于磨粒性能和材料性质） ， 低于这 个数值不产生冲蚀磨损，只发生弹性碰撞变形，大量的冲蚀试验表明，冲蚀磨损量与磨粒的速度存 在如下关系： nEKv= （1） 式中 E 为冲蚀磨损量； v为冲蚀速度；n 为常数。n 与材料的种类和冲蚀角度有关。一般情况下金 属材料在低冲蚀角下 n 为 2.22.4，正向冲击条件下 n 为 2.55；陶瓷材料 n 约为 3。由此可知，冲蚀 磨损量与冲蚀速度和被冲蚀材料的性质有关。本实验选择冲蚀时间 10 分钟

11、，测量了 304 和 Q235 两 种材料在常温时不同冲蚀速度下的冲蚀磨损量。 将冲蚀速度与冲蚀磨损量的关系曲线转化为对数图， 如图 5 所示，所得直线的斜率即为常数 n。 图 5 冲蚀速度与冲蚀磨损量的关系曲线 由图5可知，304不锈钢材料的n值约为2.4，Q235材料的n值约为2.28，两者都与上述n值吻合。 上述两种材料的单位面积冲蚀磨损量都随冲蚀速度的增加而增加，这是由于粒子速度增大，其动能 相应也增加，导致材料的冲蚀磨损加剧。为了缩短冲蚀磨损试验的周期，可以选择较大冲蚀速度进 行磨损试验，但是如果冲蚀速度太大，试样冲蚀变形较严重，这样会对测试结果产生影响。 2.5 冲蚀角度对磨损量的

12、影响 冲蚀角是指粒子运动轨迹与被冲蚀试样表面的夹角。大量试验表明，材料的冲蚀磨损量和磨粒 的冲蚀角有密切的关系。冲蚀角与冲蚀磨损量的关系几乎不随磨粒的种类、形状和速度而改变，而 与材料的类型有关。通常塑性材料最大冲蚀率出现在 2030冲蚀角之间；脆性材料最大冲蚀率400.612.71828单位面积冲蚀磨损量(mg/cm2)304不锈钢Q2358060冲蚀速度log(m/s)第十二届国际热喷涂研讨会论文 (ITSS2009) 第十三届全国热喷涂年会论文 (CNTSC2009) - 52 - 为 90冲蚀角。本试验选用一种硬度的铁基碳化铬陶瓷复合涂层（其涂层的成分和硬度见表 1 中 1# 涂层）

13、和 Q235 钢两种材料， 研究了在不同冲蚀角度下的冲蚀磨损量情况。 试验条件： 冲蚀距离 40mm， 冲蚀速度 80m/s，温度为室温和 650，砂粒流量为 300g/min，冲蚀时间 5 分钟 。测试结果分别如 图 6 和 7 所示。 表1 涂层的主要成分及硬度 涂层 C Cr B Ni 其他 Fe 涂层硬度（HV0.1） 1# 0.6-1.0 22-24 2-5 3-6 3-8 余量 1249.6 2# 0.6-0.7 12-14 0.5-3 2-5 余量 631 图6 1#涂层在不同冲蚀角度下的 图7 Q235基体在不同冲蚀角下的 图8 1#涂层冲蚀磨损量与温 磨损量 磨损量 度的关系

14、曲线 由图6可知，在室温和650时，1#涂层的单位面积的冲蚀磨损量随着冲蚀角度的增加而增加， 当冲蚀角为90时冲蚀磨损量达到最大值，表现出典型的脆性材料的冲蚀磨损特征。由图7可知，在 室温和650时，随着冲蚀角度的增加，Q235钢单位面积的冲蚀磨损量先增加后减小，最大值出现 在30冲蚀角，表现出典型塑性材料的冲蚀磨损特征。选用何种角度进行冲蚀磨损试验，主要应根 据涂层应用的实际工况。根据上述测试结果，建议对于脆性材料采用90冲蚀角，对于塑性材料采 用30冲蚀角。 2.6 测试温度对磨损量的影响 试验中分别在室温、 300、 650和800条件下测试了1#涂层的耐冲蚀磨损性能。 试验参数为： 冲蚀距离40mm，冲蚀速度80m/s，冲蚀角90，冲蚀时间5分钟。试验结果如图8所示。 由图8可见，1#涂层的冲蚀磨损量随试验温度的提