PDF《新型高温磨粒磨损测试装置及方法》

收稿日期 : 2007-06-07 基金项目 : 北京市教委科技发展基金资助项目( KM200610005026) 新型高温磨粒磨损测试装置及方法 魏琪, 周新建 , 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: 为研究涂层等表面工程零件的磨损性能, 介绍了一种新型的高温磨粒磨损测 试装置和方法 , 可以模拟研究高温氧化腐蚀和磨粒磨损交互作用, 并研究了测试温度、 测试载荷、测试时间和三种磨料对涂层磨粒磨损测试结果的影响.

结果表明, 这种高温 磨粒磨损测试方法可以评价不同温度和载荷条件下涂层的耐磨粒磨损性能;

高温磨粒 磨损测试装置结构简单, 运行稳定, 所测试的数据准确、重现性好;

当温度和载荷变化 时, 涂层的耐磨粒磨损性能也会变化. 关键词: 高温磨粒磨损;

热喷涂涂层;

磨损测试方法 中图分类号: TH871.

6 文献标识码: A 文章编号:

0253 -360X ( 2008) 04-0065-04 魏琪0序言材料的磨蚀与防护始终是人们重点研究的领 域.在磨损机制中磨粒磨损是最重要的一种磨损形 式,约占整个磨损百分比的

50 % [ 1,2] , 其中高温磨粒 磨损对材料和装备造成的破坏就更为严重 .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.例如: 锅炉管壁 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[ 3] , 特别是循环流化床锅炉水冷 壁管等受热面的高温磨蚀问题更为严重, 磨损减薄 量可达

5 ~

6 mm/年[ 4,

5 ] .因此, 提高材料的耐磨蚀 性能就成为人们极为关注和急需要解决的问题. 提高材料耐磨蚀的方法很多, 其中采用热喷涂 技术在零件或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 涂层耐高温磨蚀性能的优劣, 直接影响到零件或工 件的使用寿命.而高温耐磨蚀性能涂层的研发 , 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磨粒磨损测试 方法也有多种[ 6,7] .但是对于热喷涂涂层的高温磨 蚀性能的测试而言, 都还有一定的局限性.例如, 有 的设备复杂、 操作繁琐,有的对试样的制备精度要求 过高 ,有的测试精度较差 .由于没有合适的方法, 在 国内很多人只能通过测试涂层的硬度或涂层的常温 磨粒磨损性能 ,间接判断涂层的高温磨粒磨损的性 能 ,这种方法既不准确也不科学 .另外,采用高温冲 蚀试验方法直接测试涂层的抗高温冲蚀的性能, 也 是使用比较多的一种方法.但这种方法测试时间太 短 ,磨砂的流量是手动控制的,另外六面体试样也给 测试带来一定的负面影响 ,因此在测试结果的稳定 性和精确程度方面也还值得商榷 .所以 , 研究和开 发更适合热喷涂涂层实际应用工况的 ,能更准确 、 更 科学测量和评价涂层性能的新型高温磨粒磨损测试 装置和方法是很有必要的.

1 高温磨粒磨损测试装置 根据高温磨蚀的实际工矿, 所设计的新型高温 磨粒磨损测试装置的测试温度为室温至

1 100 ℃, 试样设计成表面覆有涂层的球形试样, 试样与磨料 的作用应力和时间可以调整 ,单次测试时间尽可能 延长,设备结构要简单, 操作要方便, 并且要经济实 用 ,测量数据要稳定可靠. 根据上述设计原则 ,新型高温磨粒磨损测试装 置采用电阻炉进行加热, 采用可控硅 、 延时继电器、 过热保护装置对加热电源进行控制, 采用电机、减速 器、旋转拨叉作为旋转传动装置 ,带动球形试样在高 温氧化气氛和压应力的条件下对磨料进行碾压, 利 用硬质磨料颗粒对试件表面的切削、撞击和摩擦作 用 ,使表面材料造成磨耗,然后通过计算试件单位面 积的失重量来评价涂层的耐磨蚀性能 .该方法的装 第29 卷第4期2008年4月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol .

29 No .

4 April

2 0

0 8 置结构示意图如图

1 所示. 1. 电阻炉 ;

2. 研磨罐 ;

3. 球形试样;

4. 载荷块 ;

5. 滑动套 6. 升降柱 ;

7. 联轴器 ;

8. 横梁 ;

9. 丝杠 ;

10. 升降摇柄 11. 电机和减速器 ;

12. 旋转搅拌拨叉 ;

13. 升降平台 ;

14. 保温盖 15. 势电偶 ;

16. 磨粒 ;

17. 控制器 图1高温磨粒磨损测试装置示意图 Fig.

1 High temperature abrasive wear tester

2 测试方法 2.

1 试样的制备 试样基体为 GCr15 轴承钢球, 喷涂前对轴承钢 球进行退火处理 ,在钢球上钻一个 M4 的工艺孔, 对 试样进行喷砂处理 , 然后利用喷涂辅助装置( 图2) 对钢球表面进行喷涂 ,喷涂后封堵试样上 M4 的工 艺孔 , 对封孔处进行涂层补喷, 涂层厚度为

0 .

5 ~

0 .

8 mm . 1. 电机和减速器 ;

2. 夹具 ;

3. 长杆螺钉 ;

4. 球形试样 ;

5. 喷涂枪 图2喷涂辅助装置 Fig .

2 Assistant device of spring for sample 2.

2 磨料的选择和确定 在磨粒磨损试验中, 磨料的种类、 硬度、 粒度、耐 高温性能和易破碎程度对被测涂层的磨损量有重要 影响.从尽快获得被测涂层耐磨性能的角度出发 , 希望磨料的硬度和不易破碎度越高越好.在研究中 选取了棕刚玉 、白刚玉和黑碳化硅三种磨料 .它们 都有很高的硬度和良好的耐高温的性能 , 形状都为 具有尖锐外角的多面体 ,颗粒尺寸均大于

20 目 .在

650 ℃,载荷为30 N ,磨损时间为

2 h 的条件下, 对三 种磨料的破损程度进行了对比试验.磨损试验后小 于20 目的颗粒的质量与试验磨料总质量之比称为 破碎率 ,其测试结果如表

1 所示. 表1磨料的破碎率( 质量分数, % ) Table

1 Different abrasive '

s fragmentation ration 磨料 棕刚玉 白刚玉 黑碳化硅 破碎率 51.

6 89.

59 30.

35 由表1 可知,白刚玉的破碎率最高 ,而且远远高 于棕刚玉和黑碳化硅, 其次是棕刚玉 ,黑碳化硅最不 易破碎.这说明磨料的磨削能力黑碳化硅最高, 其 次是棕刚玉 ,白刚玉最低.所以 ,棕刚玉或黑碳化硅 都可以作为该高温磨粒磨损测试方法的磨料 ,但若 考虑成本问题选择棕刚玉更为经济. 2.

3 磨损测试时间的确定 磨损试验的时间可分为单次测试时间和连续测 试时间 .单次测试时间与磨料的破碎程度有关 .在 磨损试验开始时, 磨料的颗粒较大,随测试时间的延 长 ,磨料逐渐由大颗粒破碎为小颗粒或者粉末状. 表2是在

650 ℃温度下磨料的破碎情况 .由表

2 可见,磨料的破碎率随磨损测试时间的延长 ,破碎率增 加 .磨料的破碎率增加 ,意味磨损效率降低.因此, 每次测试时间受到磨粒破碎率的限制 .单次测试时 间是指磨损测试过程中 , 磨料从原始较粗大的颗粒 到被破碎成相对较细小的颗粒, 使磨损效率降低而 不宜再使用的时间 .根据表

2 的试验结果 , 单次磨 损时间在

1 ~

5 h 内为宜 .连续测试时间是多个单 次测试时间的累加, 这个时间可以根据被测涂层的 情况任意确定. 表2磨损时间对磨料破碎率( 质量分数, %) 的影响 Table

2 Effects of abrasive wear time on abrasive'

s frag- mentation ration 磨损时间 t/ h 0.

5 1

2 3

4 白刚玉 89.

59 棕刚玉 28.

7 36.

9 51.

6 65.

2 72.

34 黑碳化硅 17.

97 26.

03 30.

35 34.

4 54.

42 2.

4 测试载荷对磨损的影响 该测试方法可以通过改变施加载荷的大小改变

66 焊接学报第29 卷 试样与磨料相互作用的应力, 从而测量涂层在不同 载荷条件下的耐磨损性能.图3是在测试温度为

650 ℃和连续测试时间为

10 h 条件下 , 载荷对高温 磨粒磨损的影响 .其中A1 ,A2 和A3 分别为三种不 同类型的粉芯喷涂线材制备的涂层 . 图3载荷对涂层单位面积的磨损量的影响 Fig.

3 Influences of applied load on coating'

s abrasive wear lost 由图

3 可知 ,随测试载荷的增加 ,涂层单位面积 的磨损量也随着增加 ;

但是 ,不同材质的涂层, 磨损 量的增加幅度是不同的 .从加快测试过程、减少测 试时间 ,或考核涂层耐高应力磨粒磨损性能角度出 发,测试载荷越大越好.但是测试载荷过大也不好 , 有可能会造成涂层的剥落 .因此 ,测试载荷应当适 中,或根据实际工况涂层所承受的应力来确定 . 2.

5 测试温度对磨损的影响 材料在不同温度下会有不同的耐磨性能 .普通 的常温磨粒磨损试验只能测试材料在常温的耐磨损 性能 .而该高温磨粒磨损方法可以测试材料在

1 100 ℃以下任一温度的耐磨蚀性能.图4给出了 在载荷为

30 N , 单次测试时间为1 h 条件下, 六种涂 层在不同温度下的耐磨蚀性能.六种涂层的类型如 表3所示 . 图4六种涂层在不同温度时的耐磨蚀性能 Fig .

4 Abrasive wear propertties of

6 coatings at different temperature 由图

4 可见 , 材料在不同的温度下有不同的耐 磨性能, 这种性能是材料耐磨损和抗腐蚀能力的综 合体现.在常温或较低温度下耐磨性能好的材料, 在高温下未必如此 ,反之也是这样.采用新的高温 磨粒磨损方法 ,可以深入研究不同温度下材料的耐 磨蚀性能.通过研究也可以使材料在某一温度区间 获得良好的耐磨蚀性能 , 也可以使材料在常温和高 温下都具有良好的耐磨蚀性能. 表3六种涂层的类型 Table

3 List of

6 tested coatings 涂层编号 A1 A2 B1 B2 B3 B4 涂层名称 碳化铬型 马氏体不锈钢 奥氏体不锈钢 铁铬铝 镍铬 轴承钢 涂层类型 12Gr26Ni6 7Cr13 1Gr18Ni9Ti 0Cr25Al5 CT45 GCr15 2.

6 涂层磨损量的计算和数据重现性 涂层的耐磨性能的评价采用涂层单位面积的磨 损失重量来表征.磨损试验前和试验后, 分别测量 球形试样的质量和表面积 .然后按下式计算涂层的 磨损量为 w = m1 -m2 S ( 1) 式中: w 为单位面积磨损量;

m1 为覆有涂层的球形 试样的原始质量 ;

m2 为覆有涂层的球形试样磨损试 验后的质量;

S 为覆有涂层的球形试样的表面积 . 为了确定该方法测试数据的可靠性 ,在保证所 有的条件不变的情况下 ,进行重复性试验 ,观察数据 的波动性,其数据的差异性定义为重现性 ,然后用方 差公式进行表达, 其相对误差 ω 的表达式[ 8] 为ω=σ*

100 % ( 2) 式中: σ= ∑ i =

1 ( -ω )

2 n -1 ( 3) = ∑ n i =1 ω i n ( 4) 式中 : σ

2 为试样失重的方差 ;

为试验平均失重 ;

n 第4期魏琪,等: 新型高温磨粒磨损测试装置及方法

67 为试验次数;

ω i 为各次试验失重 [

8 ] . 不同试样在各自相同的试验条件下做

5 次重现 性试验,结果见表

4 .磨损试验的相对误差均小于

10 %. 所产生的试验误差是磨损量测量误差、温度 表4重现性试验结果 Table

4 Reliability tests of the abrasive wear lost of selected coatings 材料 载荷 F/N 温度 T/ ℃ 单位面积失重 WA/( mg・cm -

2 )

1 2

3 4

5 平均失重 /g 失重方差根 σ / g 相对误差 ω /( % ) A2 涂层

30 常温

650 22.

4 19.

3 24.

6 20.

8 20.

8 22.

2 21.

7 21.

8 23.

4 19.

8 22.

6 20.

8 1.

5 1.

2 6.

6 5.

7 GCr15 轴承钢

30 常温

650 22.

2 44.

5 20.

2 44.

4 20.

4 39.

6 20.

0 50.

3 19.

2 42.

2 20.

4 44.

2 1.

1 3.

8 5.

4 8.

5 误差、载荷作用的均匀性误差及试样的组织均匀性 误差等引入磨损系统造成的.但是 ,通常磨损试验 数据的置信区间宽度小于

10 %即认为重现性良 好[

8 ,9 ] .因此 , 在该试验装置上的试验结果是可靠 的.

3 结论(1)所研究的高温磨粒磨损测试方法测试时可 以改变温度、 载荷和时间等测试参数,能够评价不同 温度 、 载荷和时间条件下涂层的耐磨粒磨损性能. ( 2)高温磨粒磨损试验装置结构简单 , 运行稳 定, 所测试的数据准确 、重现性好, 可以在常温至

1 100 ℃温度范围, 测量球形试样的耐磨粒磨损性 能,测试载荷在

15 ~

30 N , 单次测试时间为

1 ~

5 h 的条件下可以得到较好的测试结果 . ( 3)温度和应力对材料的磨粒磨损性能有重要 影响 .同一种材料, 随测试载荷的增加 ,涂层单位面 积的磨损量也随着增加;

不同材料 ,随测试载荷的增 加,磨损量的增加幅度不同.同一种材料,在不同的 温度下有不同的耐磨性能, 这种性能是材料耐磨损 和抗腐蚀能力的综合体现 . ( 4)试验表明, 棕刚玉或黑碳化硅都可以作为 该高温磨粒磨损测试方法的磨料 ,但若考虑成本问 题选择棕刚玉更为经济. 参考文献: [ 1] Jeanine T , DeMasi- Marcin, Gupta D K. Protective coatings in the gas turbine engine[ J] . Surface and Coatings Technology, 1994, 68-69: 1-9. [ 2] 高彩桥 . 摩擦金属学[ M] . 哈尔滨 :哈尔滨 工业大 学出版 社,1988. [ 3] 赵雁潮 , 魏琪,栗卓新 , 等.热喷涂技术 在锅炉管道防护 中 的应用进展[ J] . 材料保护 , 2006,

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40 余篇 . Email : weiqi @ bjut. edu. cn

68 焊接学报第29 卷r........