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耐磨損防護用FeCrMoCBSi系非晶涂層的性能研究

文檔作者：盧蘭志魏琪李輝文檔來源： 1．北京金威焊材有限公司 2．北京工業大學		點擊數：	更新時間： 2025年09月30日
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上一篇：熱噴涂鋅-鋁合金涂層對鋼結構防護性能研究

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第43卷第2期
2012年3月
鍋 爐技術
B0ILER TECHN0L0GY
Vo1．43，NO．2
M ar．，2Ol2
【制造·質量·標準·材料】
耐磨損防護用FeC rMoC BS i系非晶涂層的性能研究
盧蘭志 ， 魏 琪 ， 李 輝
(1．北京金威焊材有限公司，北京102206； 2．北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)
摘 要： 設計了5種不同硅硼含量的FeCrMoCBSi系粉芯線材，利用電弧噴涂技術制備涂層，對涂層的相組
成、非晶相含量、非晶相穩定性、微觀組織結構及涂層截面的顯微硬度進行了研究和分析，測試了涂層在500
℃ 時的耐磨粒磨損性能。結果表明：硅硼含量的調整使得涂層中的非晶相含量在47％ 到65．1 之間變動，卻
未引起涂層晶化溫度的變化。隨著涂層中非晶相含量的增加，涂層的顯微硬度和耐磨粒磨損性能隨之提高。
其中，6 原子分數的硅元素和12 原子分數硼元素的添加的涂層中的非晶相含量最高，為65．1 ，其晶化溫
度為853 K，截面顯微硬度平均值為1 302．1 H vo l，測試10 h的相對耐磨性為GCrl5軸承鋼球的5．2倍。
關鍵詞： 電弧噴涂； 粉芯線材； 非晶合金涂層； 非晶相含量
中圖分類號：TG174．442 文獻標識碼：A 文章編號：1672—4763(2012)02—0051一O5
0 前 言
材料的磨蝕與防護始終是人們重點研究的
領域。在磨損機制中磨粒磨損是最重要的一種
磨損形式，約占整個磨損百分比的50 [1 ]，其
中高溫磨粒磨損對材料和裝備造成的破壞就更
為嚴重。在冶金、電力、礦山、建材和化工等工業
領域，由于材料的磨損和腐蝕，每年都會造成巨
額的浪費和損失，甚至會造成設備的毀壞和人員
的傷亡。例如，鍋爐管壁因高溫磨損而導致減薄
甚至爆管的現象是影響鍋爐運行的主要問題[引，
解決這一問題的有效途徑是在這些機器零部件
表面制備一層性能優異的耐磨蝕涂層。
非晶合金(又稱金屬玻璃)與傳統合金材料
相比，具有獨特而優異的性能，如高強度、高韌
性、高硬度和較好的耐腐蝕性能_4]，采用先進噴
涂技術制備非晶涂層是將非晶合金推向工程耐
磨損防護應用的有效手段。近年來，國內外針對
熱噴涂技術制備非晶涂層的研究工作取得了一
定的成果[5]，其中電弧噴涂技術具有設備簡單、
操作方便、可在施工現場進行大面積噴涂等優點，
特別是采用粉芯線材電弧噴涂技術可以原位合成
非晶合金涂層，制備的涂層可應用于耐腐蝕、耐磨
損等領域，已經成為當前的研究熱點。但是，這方
面的工作開展時間還比較短，利用粉芯線材和電
弧噴涂技術制備非晶涂層的研究還不夠深入，現
有電弧噴涂制備非晶涂層的總體性能有待改進，
尤其是組分配比對非晶形成能力的影響、非晶相
的熱穩定性以及非晶含量對涂層機械性能和耐
磨損性能的影響等方面都還缺少系統的研究。
本文選用Fe基非晶合金系中非晶形成能力
較強的FeCrMoCB系非晶，并在此基礎上增加了
類金屬元素硅的添加量，設計了一系列不同硅硼
含量的FeCrMoCBSi系粉芯線材，采用電弧噴涂
技術制備了5種FeCrMoCBSi系非晶涂層，并對
涂層的相結構、微觀組織結構、涂層中非晶相的
熱穩定性、涂層的硬度和耐500℃ 高溫磨粒磨損
性能進行了對比研究，研究結果可望為深入開展
非晶涂層在耐磨損防護領域的應用打下一定的
基礎。
1 試樣制備與實驗方法
1．1粉芯線材設計
作者在借鑒非晶合金制備的經驗規則 及
具有較好非晶形成能力(GFA)的鐵基非晶合金
配方的經驗l6]的基礎上，確定出試驗粉芯線材配
方設計依據：(1)成份由3個以上的組元組成，其
中2個以上是金屬元素，并且金屬元素間的混合
熱接近零，金屬元素與非金屬元素間有較大的負
混合熱。(2)類金屬元素硼、碳、硅總的原子百分
收稿日期：2010—03—18； 修回日期：2010—05—20
基金項目：北京市教委科技發展項目(KM200610005026；JPOO9O1220O803)
作者簡介：盧蘭志(1983一)，男，北京工業大學碩士研究生，主要從事焊接材料及耐磨材料相關領域研究工作。
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52 鍋 爐 技術 第43卷
含量在20 左右。(3)鎳的原子百分含量在4
左右。(4)硼、碳、硅、鉬與主要組元鐵、鉻有較大
原子尺寸差。
以FeCrMoCB非晶合金系為基礎，根據上述
配方設計依據和粉芯線材制造技術，確定出各金
屬元素在所制備的FeCrMoCBSi系粉芯線材中
所占比例(at )：45Fe，20Cr，10Mo，4Ni。在金
屬元素添加量不變并保持類金屬元素原子添加
百分比在20 的前提下，以硅含量逐漸增加的順
序制定出如表1所示5種硅硼含量的粉芯線材
配方，由此來探討硅硼量對FeCrMoCBSi系涂層
性能的影響。根據粉芯線材的制造原則，確定出
所制備的粉芯線材的金屬外皮304L不銹鋼帶及
所需添加粉芯的成分，按35 的填充率制備出五
種直徑為2．0 mm 的粉芯線材。
表1 系列配方中硅、硼元素原子添加百分比
配方序號 S1 S2 S3 S4 S5
硅添加量／at 2 4 6 8 10
硼添加量／at 16 14 12 10 8
1．2涂層試樣制備
涂層試樣分別用上述5種粉芯線材，通過
JZY一250型電弧噴涂設備和高速噴槍制備。電
弧噴涂工藝參數為：電壓32 V，電流150~200 A，
壓縮空氣壓力0．5 MPa，噴涂距離150 mm。試
樣分為3類：一是在經噴砂處理的Q235低碳鋼
基體上噴涂制備涂層，涂層厚度均為300 m 左
右，試樣用于涂層的相結構分析、顯微結構分析
和截面硬度測定。二是在不經噴砂處理的Q235
基體上噴涂并將涂層剝落，試樣用于涂層的熱穩
定性測試。三是在經700℃ 退火和表面噴砂處
理的、直徑為25 mm 的GCrl5軸承鋼球表面噴
涂制備涂層，涂層厚度約300／Lm，試樣用于涂層
的高溫磨粒磨損的測試。
1．3 試驗方法
利用SHIMADzu xRD一7000X型X射線
衍射儀對涂層進行物相分析，衍射條件為Cu靶，
40 kV 和30 mA；利用Pseudo-Voigt函數擬合
法 對XRD 圖譜進行擬合，并對擬合曲線進行
積分，計算涂層的非晶含量相對值。采用HITA—
CHIS一3400型掃描電子顯微鏡觀察涂層的截面
微觀形貌。利用差示掃描量熱儀(DSC，
NETZSCH STA 449 C)測試涂層的熱穩定性能，
升溫速率為20 K／min。采用HXD一1000顯微
硬度儀測量涂層顯微硬度，試樣為經打磨、拋光
的金相試樣，載荷100 g，加載15 S，測試10點取
平均值。
高溫磨粒磨損實驗在實驗室自制的
HAWM一1型高溫磨粒磨損試驗裝置上進行。試
樣采用覆蓋有涂層的球形試樣，試樣上方施加載
荷，利用球形試樣滾動時對磨粒碾壓產生的碰
撞、摩擦、擠壓和鑿削作用來測試涂層的耐高溫
磨粒磨損性能。選擇從市場上購買的GCr15軸
承鋼球作為對比試樣，磨損實驗之前，除清洗稱
重外不做任何處理直接使用。實驗參數如下：轉
速為75 r／min；載荷為30 N；磨粒為16目的棕剛
玉，每次用量為300 g；測試溫度為500℃ ；每次
測試2 h并更換新磨粒，共測10 h。試樣用精度
為0．000 1 g的AL204型電子天平稱量，材料的
耐磨性能用單位面積磨損量衡量。
2 試驗結果與分析
2．1涂層的相結構
圖1是制備的涂層的XRD 圖譜，可看出，5
種涂層的XRD圖譜中均出現了表征非晶相的漫
散射包，但是隨著涂層中硅含量的增加，其XRD
圖譜中的漫散射包上的晶峰先減弱后增強。
圖1 5種FeCrMoCBSi系非晶涂層的XRD圖譜
實驗對5種涂層的XRD衍射圖進行Pseu—
do—Voigt函數擬合，并對擬合曲線進行積分，計
算涂層的非晶含量相對值，其中，S3涂層的衍射
擬合圖見圖2。5種涂層的非晶含量相對值如表
2，結合表1數據可知，隨著設計配方中硅含量的
增加，涂層中非晶相含量先增加后減少，其中，
6 原子分數硅元素和12 原子分數硼元素添
加的S3涂層的非晶相含量最高，達到65．1 。
同時，系列涂層的XRD 圖譜中均有少量晶化
Fe-Cr相。分析認為，配方中適量的硅硼含量降低
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54 鍋 爐 技術 第43卷
2．4涂層截面顯微硬度
表3列出了5種不同硅硼含量的FeCrMo
系非晶涂層的截面顯微硬度。對照表2數據可
知，涂層中非晶相含量越高，其截面平均顯微硬
度值也越高，系列涂層中s3涂層截面的顯微硬
度平均值達到了1302．1HV ，這可能是由于涂
層中非晶相增加而導致的。
表3 5種涂層截面顯微硬度
配方序號 S1 s2 S3 S4 S5
顯微硬度HV。l 1 204．1 1 251．4 1 302．1 1 165．3 1 148．5
2．5涂層的500℃ 高溫磨粒磨損性能
圖5是5種不同硅硼含量的FeCrMoCBSi
系非晶涂層在500℃ 高溫下的耐磨粒磨損測試
曲線。從實驗曲線可以看出，5種涂層在開始
4 h的磨粒磨損測試曲線基本重合。此后，隨著
磨損時間的增加，5種涂層單位面積磨損量的差
距有逐漸增大的趨勢，其中s3涂層表現出最好
的相對耐磨性。分析原因認為，500℃(773 K)
在非晶相穩定存在的溫度范圍內，系列非晶合
金涂層中的S3涂層中有相對較多的非晶相存
在，涂層整體硬度較高，從而表現出相對較好的
耐磨粒磨損性能。
宣
P
旦
輜
暄
圖5 5種FeCrMoCBSi系合金涂層
在500℃ 高溫下的耐磨粒磨損測試曲線
根據磨粒磨損測試方法的要求，實驗選用直
徑為25 mm 的GCrl5軸承鋼球作為耐磨粒磨損
性能的對比試樣，為方便對比其相對硬度及耐磨
性，實驗同時測試了GCrl5的表面顯微硬度，共
測1O點，其平均值為810．26 HV。． 。圖6是
GCrl5軸承鋼球與S3涂層在500℃時的磨粒磨
損測試曲線，從試驗曲線可以看出，與GCrl5軸
承鋼球相比，s3涂層有更好的耐磨粒磨損性能。
計算得知，磨損測試10 h，s3涂層的相對耐磨性
是GCrl5軸承鋼球的5．2倍。同時，從試驗曲線
可知，隨著磨損測試時間的增加，GCrl5軸承鋼
球在單位時間內的單位面積磨損量有明顯增加
的趨勢，而S3涂層在單位時間內的單位面積失
重量比較穩定。這說明，在500℃ 時的磨粒磨損
條件下，GCrl5軸承鋼球的耐磨損性能較差而且
有逐漸降低的趨勢，而S3涂層有較好且穩定的
耐磨損性能。試驗中觀察到，由于GCrl5軸承鋼
球合金元素含量低，抗氧化能力差，在500℃ 高
溫下表面形成氧化膜，在磨損過程中氧化膜極易
被磨損脫落，出現氧化膜不斷形成并不斷被磨損
脫落的循環過程。與之相比，S3涂層合金元素含
量高，500℃又在非晶相穩定存在的溫度范圍內，
非晶相的大量存在使得涂層具有較高的硬度，表
現出較好的耐磨粒磨損性能。
P
冀
塞
恒
磨損時間，Il
圖6 GCrl5軸承鋼球與
s3涂層耐500℃ 高溫磨粒磨損測試曲線
3 結 語
(1)設計并制備了5種不同硅硼含量的
FeCrMoCBSi系非晶涂層，試驗結果表明，涂層
均由非晶相和部分晶化相組成，其中晶化相主要
是Fe—Cr基體相，但是隨著配方中硅含量的增
加，涂層中的非晶相先增加后減少，5種涂層的非
晶相含量在47 到65．1 之間變動，其中S3涂
層中的非晶相含量最高，為65．1 ；隨著涂層中
非晶相含量的增加，涂層的致密性變好，顯微硬
度隨之提高。
(2)硅硼含量的變化對FeCrMoCBSi系非晶
涂層的晶化溫度沒有影響，所制備的5種涂層的起
始晶化溫度TK均為853 K，有較好的熱穩定性。
(3)涂層在500℃時的耐磨粒磨損性能隨涂
層中非晶相含量的增加而增強，其中非晶相含量
最高的S3涂層耐磨性最好，測試10 h的相對耐
磨性是GCrl5軸承鋼球的5．2倍。
舳∞ ∞ 加∞ ∞ ∞ ∞ O
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第2期 盧蘭志，等：耐磨損防護用FeCrMoCBSi系非晶涂層的性能研究 55
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Properties of FeCrMoCBSi W ear-resistant Protective Coatings
LU Lan-zhi ， WEI Qi ， LI Hui
(1．Beijing Jinwei Welding Material Limited Company，BeiJing 102206，China；
2．College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abst raet：Five FeCrMoCBSi cored wires which have different Si and B content were de—
signed．Coatings were prepared by arc spraying technology．The phase composition，amor—
phous phase content，thermal stabilities，microstructure and hardness of the coating were an—
alyzed．The abrasive wear—resistant properties at temperature of 500 ℃ of the coatings were
also studied．The results showed that amorphous phase content in the coatings varied from
47 to 65．1 with different addition of Si and B element in the coatings，but they have the
same Tk(853 K)．W ith the increase of amorphous phase content in the coating，the HV hard—
ness and abrasive wear—resistant property of the coating increased．The coating which has 6
atoms content of Si and 1 2 atoms content of B has the highest amorphous phase content of
65．1 ，the average hardness of the coating is 1 302．1 HV0‘1，the relative wear—resistant
property of the coating is 5．2 times by the GCrl 5 bearing ball after 1 0 hours test．
Key words：arc spraying； cored wire； amorphous coating； amorphous phase cotent
(上接第2O頁)
relationship between the thermal parameters，the dynamic model of thermal system of rehea—
ter is constructed，and with a 600 M W power plant boiler unit as an example，the results cal—
culated by the model and the plant historian data are by a comparative analysis，the accuracy
and rationality of the dynamic mode1 are verified as which can reflect the dynamic characteris—
tics of the unit．The results will lay a good foundation for the quantitative analysis and simu—
tation of the dynamic process of the unit．
Key words：coal—fired power generating unit； reheater； dynamic model； historian data

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