超音速电弧喷涂CS—T5涂层在柱塞修复中的应用

超音速电弧喷涂CS—T5涂层在柱塞修复中的应用 超音速电弧喷涂CS—T5涂层在柱塞修复中 的应用 一 72一 石油机械 CHINAPETROLEUMMACHINERY2005年第33卷第11期 ?应用技术 超音速电弧喷涂CS—T5涂层在柱塞修复中的应用 汪刘应王汉功华绍春吴旭峰 (1.第二炮兵工程学院2.中石化长岭炼化公司) 摘要通过金相观察,显微硬度测试,涂层结合强度和耐磨性试验与测定,x射线衍射 (XRD)与扫描电镜(SEM)分析,研究了超音速电弧喷涂CS一1'5涂层显微组织和力学性能,探 讨了喷涂电压对涂层显微组织和显微硬度的影响.结果表明:超音速电弧喷涂CS—T5涂层呈现典 型的层状结构,随着喷涂电压的增加涂层组织结构致密性增强,在一定喷涂电压条件下涂层具有 较高硬度和结合强度,较好的耐磨性.实际应用表明,采用超音速电弧喷涂CS—T5涂层对失效的 柱塞进行修复,修复后的柱塞不仅恢复了原来设备功能,而且延长使用寿命1倍以上. 关键词超音速电弧喷涂CS—T5涂层柱塞修复应用 引言 往复泵是石油化工行业生产催化剂输送胶体介 质的主要设备,由于其输送的胶体介质含有较多颗 粒和大量的氯离子,作为往复泵主要零部件的柱 塞,在运行一段时间后,其表面就会出现大面积的 "漏斗状"点蚀坑,直线"沟槽"等.针对柱塞工 作环境复杂,失效形式多样(如磨损失效,腐蚀 失效)等特点,用传统的电刷镀,堆焊等表面维 修技术很难解决柱塞运行过程中出现的多种失效. 管状丝材的成功研制与开发,为超音速电弧喷涂制 备不同功能涂层提供可能,也大大拓宽了电弧喷涂 涂层的成分和应用范围,改善了涂层质量…. 笔者采用超音速电弧喷涂CS一1.5管状丝材,制 备了不同工艺参数下cs一1'5涂层,随后检测分析其 组织结构和力学性能,并将其应用于往复泵柱塞的 修复. 实验方法 1.涂层材料 所用材料为直径2mIn的CS一1'5管状丝材,外 皮为不锈钢带,粉芯由Ni,cr,Si,Mn等多种元 素组成.cs.T5管状丝材的粉芯化学元素成分能谱 图像如图l所示,其粉芯化学元素质量分数如表l 所示. 图1粉芯化学元素成分能谱图 表1粉芯化学元素质量分数 元素OCrMnFeNiCuMo其它 群4.4151.525.60l0.87l1.897.794.473.46 2.喷涂试验 试样基材为45号中碳钢,采用超音速电弧喷 涂设备做喷涂试验,喷涂前试样先进行除油,除 锈,喷砂等预处理.喷涂空气压力为0.6MPa,喷 涂距离为150mIn,喷涂电流100A,喷涂电压分别 为24,26,3O,32,34V. 3.组织观察与力学性能测试 喷涂涂层试样的横断面被切割后,经镶嵌,研 磨后进行组织分析和显微硬度测试.其组织结构, 孔隙率,微区成分等通过GSM--6460型扫描电镜 及能谱分析仪观察分析.用PW1710型x射线衍射 仪对涂层进行物相分析,衍射条件为:电压40 kV,电流30mA,铜靶,发散狭缝DS=1.,接受 狭缝RS=0.2.,扫描角度20—8O.,扫描方式为步 进扫描,扫描速度为1s/步. 2005年第33卷第ll期汪刘应等:超音速电弧喷涂CS.1"5涂层在柱塞修复中的应 用一73一 利用MH—5型显微硬度计对涂层显微硬度进行 测量.加载载荷为50g,加载时间5s.涂层结合强 度的测试参照ASTMC663--69对偶拉伸试验法标准 进行,在Instron1195电子拉伸试验机上进行拉 伸,加载速度为1mm/min,涂层结合强度为 =F/S 式中拉伸断裂时的最大拉力; 试样的断裂面积. 试验前对偶试样也进行喷砂粗化预处理.拉伸 试验所采用的粘接胶为上海合成树脂研究所研制生 产的E-7胶. 结果与讨论 1.涂层显微组织与分析 图2为超音速电弧喷涂制备的CS.T5涂层显微 组织图片. 图2涂层的显微组织结构照片 从涂层的显微组织可以明显看到,涂层呈典型 的层状结构特征,与基体结合界面良好.涂层由浅 灰色颗粒,深灰色颗粒和镶嵌的球状颗粒组成.对 于涂层内单个变形颗粒而言,Ni,cr粉芯元素分 布相对均匀,但就整个涂层而言,Ni,Cr等粉芯呈 非均匀分布.这主要是因为喷涂过程中金属外皮和 粉芯熔化的非同时性,粉芯材料粒度的分散性和雾 化颗粒的粒度分散性而引起的. 通过x射线分析,涂层x射线分析主要物相 有:Fe,Fe0."Ni0.36,Cro.19Fe0.7Ni0.1l,Cr2Ni3B6, Nil占63.74%;Fe占 其中Fe0."N6和Cro.19Fe? 15.54%;CrNi3B6占7.3%.这是由于喷涂过程中 不锈钢与粉芯Ni,Cr等元素相互作用的结果,故 形成了Fe,Fe0.64Ni0.Cr0.19Fe0. 7Ni0_1l,Cr2Ni3B6 等相. 图3a,3b,3c,3d为电流100A,电压分别为 24,26,3O,32V条件下超音速电弧喷涂CS—T5 涂层显微组织图片. 从图3可以看出,随着喷涂电压的升高,涂层 粒子的扁平化程度得到进一步加强,涂层的致密性 得到明显改善,涂层中镶嵌的粉芯材料熔化更加充 分,涂层均匀性更好. 一一 一一图3不同喷涂电压条件下涂层的显微组织照片 2.涂层力学性能测试结果与分析 通过MH—5显微硬度计测定,不同喷涂电压 条件下涂层显微硬度如表2所示,其变化趋势如图 4所示. 电压/v 图4涂层显微硬度与喷涂电压的关系 表2涂层的显微硬度HV0.05 电压/ V 试样分组 —— 平均值 12345 24463.3l424.36430.743.z6435.78447.49 26436.98499.355o7.14575.65499.35503.69 30625.89539.77506.39595.18522.87558.02 32539.77594.71548.52615.73476.36574.69 34436.98469.93575.19475.33491.39489.76 根据测试结果,在其他参数(电流,喷涂距 离等)不变化的情况下,CS一涂层硬度与喷涂电 压之间存在一定的变化规律.当喷涂电压低于32 V时,随着喷涂电压的增大,涂层显微硬度逐渐增 加.这是由于随着电压的升高,电弧功率增大,熔 滴吸收的热量增加,粉芯熔化更加充分,不但有利 于外皮与粉芯形成金属问化合物,也有利于粉芯更 好地沉积到涂层中,从而导致涂层硬度提高.当电 压超过32V时,随着电压的不断增大,粉芯中硬 ?-—— 74.-——石油机械2005年第33卷第1I期 质相成分在高温下分解加剧,致使涂层硬度下降. 涂层结合强度的测试分Ni/A1粉末打底和不打 底2种情况,其测试结果如表3所示. 表3涂层的结合强度测试结果MPa 在拉伸试验过程中,涂层多数是从涂层内部断 裂,部分是从涂层与基体界面断裂.因此.根据判 定标准,CS—T5涂层与基体的结合强度应该大于或 等于所测得的结果.同时,根据测试结果:超音速 电弧喷涂CS一涂层的结合强度大于以Ni/A1打底 涂层的结合强度.这主要是由于超音速电弧喷涂 CS-1"5过程中,喷涂粒子速度高,氧化少,粒子撞 击基体表面的动能,动量大,从而使得涂层的结合 强度对过渡层依赖性较少,结合强度较高,这有利 于进一步拓宽其在工业领域中的应用. 3.涂层耐磨性试验与分析 根据ASTMG65--91标准,超音速电弧喷涂 CS-T5涂层耐磨性试验是在MM—2o0磨粒磨损试 验机上测试的.试验条件是:载荷l3N,橡胶轮 为氯丁橡胶轮,宽12rain,转速15r/min,橡胶轮 直径250ITlln,磨料为100目棕刚玉,流量为100 g/nan.磨损时间15min,以平均磨损失重作为评 定涂层耐磨性能标准.测试结果见表4. 表4磨损试验结果mg 注:Wo——试样磨损前质量;Wt——磨损后质量; 一 磨损值. 从测试结果可以看出,涂层的耐磨性能比45 号钢淬火后的耐磨性能要好.虽然超音速电弧喷涂 CS-1"5涂层所采用的粉芯丝材外皮同为不锈钢材 料,但在喷涂过程中由于电弧温度高,丝材外皮和 粉芯均被熔化成熔滴,并相互发生反应而形成了高 硬度耐磨性较好的硬质合金相,从而大大提高了涂 层的耐磨性能. 超音速电弧喷涂CS—T5涂层 在往复泵柱塞修复中的应用 1.往复泵柱塞工作条件及失效机理 生产催化剂的往复泵柱塞长期在压力为l0— 15MPa,温度为50?的恶劣条件下运行,而且由 于输送的胶体介质中含有较多颗粒,通常柱塞运行 l5—20d后就会发生失效. 观察柱塞失效的表面特征,"磨粒磨损"失效 和"粘着磨损"失效是其主要的失效形式.这主 要是由于输送的胶体介质中含有较多固体颗粒和柱 塞交替往复运行的特点所致.其主要表现形式为柱 塞表面被拉划出许多直线"沟槽"和粘结有部分 颗粒.此外,通过观察还发现,柱塞表面还存在部 分"漏斗状"点蚀坑.这是由于往复泵输送的胶 体介质中含有大量的氯离子,在温度低于100oC时 与柱塞之间发生析氢腐蚀的结果J. 2.往复泵柱塞的修复及效果检验 根据往复泵柱塞失效机理,要对柱塞进行修复 并提高其使用寿命,则修复后的柱塞不仅要有良好 的耐磨性,而且还应有较好的耐蚀性.由于CS-T5 是由Ni,Cr等多种元素组成的粉芯丝材,从而使 得cs—T5涂层具有较好的耐腐蚀性.同时,根据上 述涂层性能试验结果,CS.涂层拥有较高硬度和 较好的耐磨性能.因此,采用超音速电弧喷涂CS一 涂层对往复泵柱塞修复是一种切实可行的工艺 方法. 将修复好的柱塞投入实际生产,运行一段时间 后检查,柱塞表面无显着磨损和腐蚀.通过多次实 践检验和对比,未经喷涂处理的45号钢淬火新柱 塞使用寿命平均为l5—20d,经过喷涂处理修复的 柱塞平均使用寿命为45—50d.这表明修复后的柱 塞不仅还恢复了其功能,而且将其使用寿命提高了 l倍以上. 3.应用展望 目前,应用于柱塞修复的表面工程技术主要有 喷焊,镀硬铬等,但是这2种工艺对修复柱塞都存 在很多不足.利用喷焊进行柱塞修复,由于温度 高,对柱塞热影响大,柱塞在修复过程中容易产生 变形,工艺复杂,很难满足实际需要.镀硬铬工艺 由于其污染环境严重,不能制备较厚的镀层,镀层 结合强度低,使其应用受到很大的限制.超音速电 弧喷涂技术作为近年来开发的一种新型表面工程技 (下转第77页) 2005年第33卷第l1期张卫东等:潜油电缆的质量控制 效果对比 通过采取上述各种措施,实现了潜油电缆质量 的有效监控,这不仅提高了潜油电缆芯线的综合性 能及外观质量,而且电缆芯线的不合格率也有了大 幅度的降低.对2003年11月,2004年3月生产的 电缆使用情况同2004年5,lO月生产的潜油电缆 进行了对比,其结果见表1. 表1QYEN型潜油电缆使用对比统计 注:资料来源于出厂检验报告,顾客意见反馈统计表. 从表1可以看出,通过潜油电缆生产过程的质 量控制,产品质量有了显着提高,一次交试合格率 由85.3%提高到99.5%,芯线不合格率由10.82% 下降到2.38%,提高了潜油电缆的综合质量,从 而提高了生产效率和企业的经济效益,满足了国内 外用户的要求,在获得经济效益的同时,进一步提 ' 高了公司在国际上的知名度,为开拓国外市场奠定 了基础.' 参考文献 1张卫东,朱益飞.硅烷交联聚乙烯绝缘电缆工艺.电气 时代,2003,(5):78—79 2张卫东,朱益飞.电缆连续硫化生产线系统的改造.电 气时代,2004,(2):114—115 作者简介:张卫东,高级工程师,生于1968年,1991 年毕业于石油大学(华东)矿场机械专业,现从事生产, 经营管理及特种电缆的开发研究工作,任厂长.地址: (257079)山东省东营市.电话:(0546)8794587.E— mail:Wdzhang@slof.eom. 收稿日期:2005—0l一27 (本文编辑丁莉萍) (上接第74页) 术,由于其制备的涂层组织结构致密,孔隙率低, 涂层结合强度高,并能够满足零件表面多种性能的 需要,因此利用超音速电弧喷涂技术制备粉芯丝材 涂层修复柱塞是一种优选的修复技术.该技术随着 管状丝材的不断研制和开发,在石油化工行业将会 得到更加广泛的应用. 结论 (1)超音速电弧喷涂制备的CS—T5涂层呈现 典型的层状结构,涂层与基体的结合界面良好,涂 层组织结构致密,孔隙率较小. (2)涂层由浅灰色颗粒,深灰色颗粒和镶嵌 的球状颗粒组成,主要物相有Fe,Fe0."Ni0. Cr0.19Fen7Ni和Cr2Ni3B6等. (3)超音速电弧喷涂CS一,r5涂层具有较高的 显微硬度,较好的耐磨性能.通过试验发现,涂层 显微硬度与喷涂电压呈现随电压增加先增大后减小 的变化规律.涂层与基体的结合强度较高,平均达 到38.598MPa. (4)采用超音速电弧喷涂CS一,r5涂层对往复 泵柱塞修复,可使柱塞的使用寿命提高1倍以上. 参考文献 1汪刘应,王汉功.超音速电弧喷涂TiB/AhO3粉芯丝材 涂层组织结构和性能研究.第五届全国表面工程学术会 议,2004 2WangHangong,WangLiuyin~ResearchonMicrcstruetureand PropertiesofCoatingProducedbyHighVdoeityElectricWire AreSprayingofqaB2/A1203CoredWire,玎SJapan, 2O04 3WangHangong,WangLiuyin~TheApplicationofHighVe' locityElectricWireArcSprayinginEquipmentMainte- nance,EUROMAINTENANCE2004.Spain,2004 作者简介:汪刘应,副教授,博士研究生,生于1971 年.地址:(710025)陕西省西安市.电话:(029)83343901. E—mail:Wangliuying1971@163.com. 收稿日期:2005—07一l2 (本文编辑李学富)