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一种新型马氏体不锈钢耐磨涂层性能研究

文档作者：邓宇余圣甫邱宏斌行舒乐蔡业彬文档来源： 1．华中科技大学材料科学与工程学院 2．广东石油化工学院机电工程学院 3．中国石化茂名分公司		点击数：	更新时间： 2025年10月20日
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第41卷第4期
2012年7月
石油化工设备
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
VoI．41 NO．4
July 2012
文章编号：1000—7466(2012)04—0006—04
一种新型马氏体不锈钢耐磨涂层性能研究
邓 宇 ，余圣甫 ，邱宏斌。，行舒乐 ，蔡业彬：
(1．华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430074；
2．广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名 525000；
3．中国石化茂名分公司，广东茂名525000)
摘要：研制了一种提高零件表面耐磨性能的新型马氏体不锈钢电弧喷涂丝材，并通过高速电弧喷
涂设备在Q235低碳钢板表面制备耐磨涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪和磨损试
验机等设备研究了涂层的组织结构、结合强度、硬度及耐磨损性能，并分析其耐磨机理。研究结果
表明，添加适量的V、Nb和稀土元素，可以促进碳化物硬质相颗粒的形成，有效地改善马氏体不锈
钢涂层性能。试验所制备的涂层成形良好，组织均匀且结构致密，涂层结合强度达34．61 MPa，涂
层显微硬度值达538HV (高于4Cr13涂层)，耐磨性约为4Crl3涂层的1．70倍。
关键词：马氏体不锈钢；合金化涂层；高速电弧喷涂；耐磨性能；结合强度
中图分类号：TQ 050．4；TG 174．442 文献标志码：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
基金项目：广东省科技计划项Et(NO．2008B080702003)
作者简介：邓宇(1969)，男，广东梅州人，副教授，博士，主要从事焊接工艺及表面技术的研究工作。
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第4期 邓宇，等：一种新型马氏体不锈钢耐磨涂层性能研究
由于磨损而引起零部件早期失效与报废，造成
了能源和材料的极大浪费。因此，进行零部件表面
耐磨涂层研究十分必要_1]。基于热喷涂技术的纳
米、陶瓷、金属陶瓷、铁基非晶等涂层材料研究已有
报道，但成本过高等原因限制了这些涂层的广泛应
用E 。与其它热喷涂方法相比，电弧喷涂具有设
备简单、操作方便、效率较高、成本较低的特点而在
制备耐磨涂层中得到应用。目前，采用电弧喷涂合
金化方法制备耐磨涂层主要使用碳强化合金丝材，
不过此类涂层存在碳化物容易长大、脱落而致使结
合强度和耐磨性不高的问题。
在涂层基体中生成硬质相是提高涂层耐磨性的
有效途径，本研究通过在4Cr13马氏体不锈钢丝材
中添加适量的V、Nb和稀土元素，以研究其对碳化
合物硬质相颗粒形成及涂层性能的影响，为涂层材
料的深入研究打下一定的基础。
I 试验简介
1．1 试验方法
利用高速电弧喷涂设备在Q235低碳钢板表面
制备了耐磨涂层，对其组织和性能进行了检测和分
析，以研究涂层的耐磨损机理。
1．2 试验用材
选用直径为3．0 mm 的两种喷涂丝材进行试
验。第一种喷涂丝材为添加V、Nb及少量稀土元
素的新型用4Cr13马氏体不锈钢丝材，主要成分见
表i。第二种喷涂丝材为没有添加上述元素的
4Cr13马氏体不锈钢丝材_】 。
喷涂试件材料为Q235低碳钢，规格(长×宽
×厚度)200 mm×100 mm×5 mm。用新型4Cri3
马氏体不锈钢丝材制备的涂层记作A ，用4Crl3
丝材制备的涂层记作A ，涂层的设计厚度均为
0．7 mm 。
表1 电弧喷涂丝材的主要成分(质量分数)
元素 C Si Mn Ni Cr V
重量坌塑 ： ： ：!! ： ： ：
质量分数 O．28 ≤O．025≤O．028 余量 少量
喷涂前清除试件油污、铁锈，用金刚砂对试件表
面进行喷砂粗化处理。高速电弧喷涂设备采用
ZPG一400B型电弧喷涂机(配QDIll一250型高速电弧
喷涂枪)。
喷涂操作采用经过优化的喷涂工艺参数：喷涂
电流180 A，喷涂电压38 V，空气压力为0．6 MPa，
喷涂距离2i0 mm。
1．3 试样制备
(1)表面观察和截面观察试样 在制备的A
涂层上用线切割垂直于涂层表面分别截取10 mm×
10 mm 的2个试样，分别用于表面观察和截面观察
(记作AH和A )，再经镶嵌、研磨、抛光后用4 硝
酸酒精溶液腐蚀。
(2)涂层截取强度试验试样 在A 和A 涂层
上各截取3个试样以用做结合强度测试，分别记作
Al 3、Al 4、Al 5和A2 3、A2 4和『A2 5。
(3)硬度及磨损试验试样 在A 和A 涂层上
各截取2个试样进行，分别记作A 、A 和A：
A2 7。
I．4 试样测试
采用Quanta 200型环境扫描电镜观察A¨和
A 试样的形貌、显微组织，并用EDS能谱仪分析
A 试样的化学成分u 。
采用HV—1000显微硬度计测试涂层的显微硬
度(测试部位为涂层截面)。沿涂层方向上取10个
点测量显微硬度，所加载荷为100 g，载荷保持时间
为10 S。
耐磨试验在橡胶轮磨粒磨损机上进行。橡胶轮
沿硬度HA60，磨粒磨料为石英砂(尺寸为230～
415 btm，硬度900～l 0OOHV)，试验载荷为80 N，
转速为120 r／min(线速度140 m／rain)，试件磨损时
间为1O min。耐磨性用涂层磨损量来计算，采用
JY602型电子天平称测。
依据GB／T 8642—2O0 2《热喷涂抗拉结合强度
的测定》来测定涂层结合强度口 。试验设备为
WDW3200微控电子万能试验机。拉伸时，加载速
率为0．3 mm／min，初始载荷为1O N。
显微硬度、磨损量及结合强度的对比试样为没
有添加V、Nb及少量稀土：元素的4Crl3马氏体不
锈钢涂层。
2 试验结果与讨论
2．1 涂层组织结构及形貌
A 试样的表面形貌见图I。从图I中可以看
到，高速喷射到试样的表面：之后，多数金属粒子发生
了明显的变形，成为形状各异的金属基体。这些金
属基体相互连接，表面成形良好，涂层的氧化物含量
较少。
A 试样的截面形貌见图2。从图中可以看到，
涂层扁平状的不规则的金属基体和氧化物相互搭
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石油化工设备 2012年第41卷
接、堆叠，层状结构成形良好。经分析软件检测后可
确定涂层的孔隙率为4．54 。
图1 A 试样涂层表面显微组织
图2 A 试样涂层截面显微组织
A 试样涂层金属基体的能谱分析见图3。从
图中可知，基体金属中含有少量的V 和Nb。由于
冷却速度太快，马氏体转变不完全，还存在少量残余
奥氏体 。药芯丝材中的V、Nb为强碳化物形成
元素，促进了碳化物硬质相的形成。
7．1
5．7
4．3
2．9
1．4
能最／key
图3 A 试样涂层金属基体的能谱分析
A 试样涂层金属基体的x射线衍射仪(XRD)
分析结果见图4。从图中可以看出，涂层中存在
CrC、VC和NbC等硬质相，这些碳化合物为细小硬
质相颗粒，均匀分布于基体金属上面和晶界处，对基
体起到很好的强化作用。
角度(2一’Fhela)／(。)
图4 A 试样涂层金属基体的XRD分析
2．2 涂层结合强度
结合强度是衡量涂层质量的重要指标之一，若
结合强度不足则会造成涂层局部起皮、剥落而无法
使用。
AH、AH、A 和A A A。 测得涂层的结
合强度数值见表2。
表2 两种涂层各3个试样结合强度测试结果
M Pa
试样 结合强度 试样 结合强度
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
从表中可以看出，添加V、Nb及少量稀土元素
的新型4Cr13马氏体不锈钢涂层的结合强度平均值
达到34．61 MPa，高于4Cr13涂层的平均值
(29．53 MPa)。
涂层的结合强度可分为涂层内部结合强度和涂
层与板材结合强度。在进行结合强度试验测试中，
断裂均发生在涂层和Q235钢板结合面，说明涂层
内部结合强度远大于涂层和钢板的结合强度。
2．3 涂层显微硬度及耐磨性
在两种涂层试样的截面上取10个点进行显微
硬度测试，试验结果见表3。
表3 两种涂层各2个试样的硬度测定值HV
序号 试样A1 6 试样Al一7 试样Az一6 试样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 邓 宇，等：一种新型马氏体不锈钢耐磨涂层性能研究
从表3中可以看出，A 涂层试样的显微硬度平
均值达到538HV ，高于A：涂层试样的平均值
451 HVo 1。
两种涂层各2个试样的磨损试验测定值结果见
表4。从中可以看出，A 涂层的平均磨损失重约为
A 涂层的1．70倍，说明添加V、Nb及少量稀土元
素的4Cr13马氏体不锈钢涂层的显微硬度值和耐磨
损性能均有较大提高。
表4 两种涂层各2个试样的磨损试验测定值 g
试样 磨损量 试样 磨损量
Al_6 0．228 A2 6 0．385
A1 7 0．215 A2 7 0．369
平均磨损量0．221 平均磨损量0．377
相对磨损量 1．7O 相对磨损量 1．00
如前所述，V、Nb为强碳化物形成元素．能促进
碳化物硬质相的形成。当在喷涂丝材中添加V、Nb
后，它们与C形成了高硬度、高熔点的碳化物硬质
相，弥散分布在马氏体基体中，从而提高了涂层的显
微硬度。
涂层耐磨性与涂层的显微硬度和硬质相的大
小、分布有关。一方面马氏体基体本身具有较高的
硬度和较好的韧性。另一方面，均布在马氏体基体
中的碳化物硬质相颗粒能够钉轧位错，细化晶粒，强
化基体，在磨损过程中起到耐磨骨架的作用。马氏
体基体的支撑作用与硬质相粒子的抗磨作用相结
合，使涂层具有较好的耐磨性能。
3 生产应用
为检验耐磨涂层的实际应用效果，将本涂层试
验结果应用到某石化装置泵轴的修复。该泵长时间
处于高负荷运转状态，泵轴发生了严重的磨损，导致
设备无法正常运行，泵轴材料3Crl3。
修复前，对泵轴进行了表面油污清洗，再用金刚
砂对修复部位进行了表面喷砂粗化的预处理过程。
为保证涂层具有较高的结合强度，打底层采用了喷
涂Ni95A15，工作层采用新型马氏体不锈钢丝材喷
涂，喷涂完毕后用机加工方法将泵轴加工到设计
尺寸。
日前对运行了一年半的修复泵轴进行检测，泵
轴基本无磨损，说明了此新型马氏体不锈钢涂层具
有较高的耐磨性能，应用前景良好。
4 结语
(1)添加适量的V、Nb和稀土元素可促进碳化
物硬质相颗粒的形成，能有效地改善马氏体不锈钢
涂层性能。
(2)文中所制备的涂层成形良好、组织均匀且
结构致密，涂层结合强度达到34．61 MPa，涂层显微
硬度值高于4Crl3涂层，达538HV ，涂层耐磨损
性能为4Cr13涂层的1．70倍。
(3)生产应用试验表明，新型4Crl3马氏体不
锈钢涂层具有良好的推广应用前景。
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(许编)

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