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鎳鉻-碳化鉻復(fù)合粉及其在冶金中的應(yīng)用
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| 發(fā)布時間：
2008/4/15
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一、前言
在眾多的碳化物中。只有碳化鎢(WC)和碳化鉻(Cr3C2)作為熱噴涂材料在工業(yè)上得到實際應(yīng)用。前者通常用于工作溫度低于500度的耐磨涂層，而Cr3C2則用于高溫(直至900度)工作狀態(tài)。在熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，航空、發(fā)電及汽車制造是三大重要板塊，而Cr3C2涂層在發(fā)電、冶金和航空等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。NiCr-Cr3C2熱噴涂材料的研制開發(fā)，正是基于我國這些相關(guān)行業(yè)的急迫需要而實施的。
二、熱噴涂簡述
熱噴涂是一種表面強(qiáng)化技術(shù)。它采用電弧、等離子弧、燃?xì)庖谎鯕獾刃问降臒嵩�，將被噴涂的涂層材料熔化或半熔化，并在氣流的作用下使之霧化成微細(xì)熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經(jīng)過處理的基體表面，形成具有某種功能的涂層。依據(jù)所選材料及噴涂方法的差異，所得涂層具有耐磨損、抗氧化、電導(dǎo)與電阻、抗大氣和浸漬腐蝕、耐化學(xué)腐蝕、隔熱耐高溫、恢復(fù)尺寸、機(jī)件間隙控制等功能，近年來又?jǐn)U展到裝飾或生物工程等領(lǐng)域，從而熱噴涂在工程技術(shù)界得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)從最初的簡易維修擴(kuò)充到航天、航空、交通、鐵路、石化、采礦、冶金、電力、機(jī)械等各領(lǐng)域。國家科委和經(jīng)委已連續(xù)將此項技術(shù)列為“六五”、“七五”期間全國重點推廣的技術(shù)項目，并已取得上百億元的經(jīng)濟(jì)效益。依熱源形式的不同，熱噴涂可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂(亦稱高速氧-燃?xì)鈬娡�，即HVOF)。等離子噴涂的火焰溫度可達(dá)10000°C，幾乎可噴涂一切固態(tài)材料，在熱噴涂技術(shù)占有重要地位，并在航空發(fā)動機(jī)等高技術(shù)行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。其它幾種方法各有特點：火焰噴涂成本最低、適合噴涂一些金屬或合金等低熔點的材料；電弧噴涂的操作成本低，涂層質(zhì)量好于火焰噴涂，但只能噴涂一些能導(dǎo)電的材料，爆炸噴涂的粉末飛行速度很高，涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高，但靈活度較差，用途受到限制。自八十年代初，超音速火焰噴涂開始出現(xiàn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在熱噴涂技術(shù)中占有一席之地，它的最大特點是火焰焰流速度和粉末速度非常高，可達(dá)1000-2000米／秒，涂層質(zhì)量與爆炸噴涂相當(dāng)，持別適合噴涂在高溫中易氧化或脫碳的粉末材料，如WC或Cr3C2粉，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)90MPa以上。缺點是耗氣量大。熱噴涂技術(shù)的最大特點是沉積速度高，通常一個單元設(shè)備的噴涂速度為5-8公斤／時，最多可達(dá)15公斤／時;二是可選擇的噴涂材料廣泛，材料不同，涂層性能亦千差萬別，從而可提供性能各異的涂層表面，滿足各種不同的需求。在世界馳名的SULZER METCO公司，可生產(chǎn)350多種粉末材料和50多種線材。僅含Cr3C2的粉末就有10種之多。
三、主要性能及典型應(yīng)用
NiCr-Cr3C2粉由兩種不同性能的組份構(gòu)成。其中NiCr合金具有良好的耐熱耐蝕性，常用的成份是80％Ni-20％Cr。Cr-C系有Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6三種化合物，熔化溫度分別為1810°C，1726°C和1575°C。其中Cr3C2是最常見與最重要的一種。這些碳化鉻所具有的特點是，在金屬碳化物中抗氧化能力最強(qiáng)，在空氣中只有在1100-1400度才開始顯著氧化。在高溫條件下依然保持相當(dāng)高的硬度。Cr3C2還具有很強(qiáng)的耐蝕性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1Crl8Ni9Ti不銹鋼耐蝕性的30倍，而在蒸汽中則是Co-WC合金的50倍。用NiCr-Cr3C2噴涂電廠鍋爐爐管，管壁磨損量由1.5-2.0mm／年減少到0.03mm／年，使其工作壽命延長至七年以上。通常用NiCr作為耐熱合金粘結(jié)相與Cr3C2硬質(zhì)相近熱噴涂形成涂層，就構(gòu)成了優(yōu)良的抗高溫耐磨材料。采用HVOF或等離子噴涂工藝，使NiCr合金與Cr3C2陶瓷能有充分的條件形成均質(zhì)的金屬陶瓷涂層，這種涂層在高溫條件下具有耐磨損、耐沖蝕、氣蝕和微振等功能，同時也抗高溫氣體(即使是含S氣體)腐蝕及高溫氧化等特性。典型的應(yīng)用是：燃煤鍋爐爐管(電廠、造紙廠)、冶金退火爐輥、熱成型模、液壓機(jī)閥門、燃桿芯軸，透平機(jī)氣封環(huán)、風(fēng)檔、內(nèi)噴咀支撐，泵套、 熱碎輥、活塞導(dǎo)軌、撥叉、壓氣機(jī)氣密封、伸縮接頭、水輪機(jī)噴咀、假造工具、透平排氣支撐等。
四、結(jié)構(gòu)與組成
作為熱噴涂材料，NiCr-Cr3C2有不同的結(jié)構(gòu)與組成。在結(jié)構(gòu)上，分為混合型及包覆型，前者是NiCr與Cr3C2各作為一個組份按一定粒度及重量的要求混合而成。這種型式的NiCr-Cr3C2粉已應(yīng)用多年，至今仍占據(jù)重要地位。包覆粉出現(xiàn)于八十年代初，它是利用化學(xué)及冶金方法將NiCr和Cr3C2兩種組份包覆在一起，成為一種復(fù)合粉。這種粉末在噴涂時減少了失C的可能性，并使涂層均質(zhì)化程度高，質(zhì)地均勻。NiCr-Cr3C2粉的組成，主要是指兩組份之間的比例。NiCr合金本身，通常選用80Ni％20％Cr，而NiCr合金的含量，可由0增至50％，隨著NiCr的增高，涂層的韌性加大，但硬度降低，耐磨性交差，只有二者比例恰到好處，涂層的抗高溫性、耐磨性和耐蝕性才達(dá)到綜合最佳值，一般以NiCr占20-25％為宜。
五、國外發(fā)展?fàn)顩r
早在六十年代末，美國METCO公司就開發(fā)了NiCr-Cr3C2粉。這種粉末為混合型，NiCr含量有7％，15％，20％和25％等幾個級別，粒度范圍從140目到5μm，中間設(shè)立幾個區(qū)間。用等離子噴槍噴涂．主要用于航空發(fā)動機(jī)另件的強(qiáng)化。這種狀況一直保持到七十年代末。至八十年代初，國外開始研制包覆粉，主要采用高壓氫還原、熱擴(kuò)散、等離子霧化、團(tuán)聚和燒結(jié)破碎等方法。但直到九十年代初才有這種產(chǎn)品推向市場。在這些產(chǎn)品中，等離子噴涂仍以混合型粉為主，只有用超音速火焰噴涂，即粒度在-300目的粉末才采用包覆型粉。表1列出了世界著明的SULZER METCO公司生產(chǎn)的NiCr-Cr3C2粉系列。
SULZER METCO的NiCr-Cr3C2粉系列
1．NiCr與Cr3C2兩組粉的結(jié)合，通常是混合型或包覆型，但AMDRY5260較為特殊，它是另一種類型的包覆粉，即由團(tuán)聚法包覆后再燒結(jié)(或熱噴)致密化而成。
2．NiCr粉的成份為80％Ni20％Cr。
3．NiCr的含量由7％至50％。
4．粒度組成偏細(xì)，多數(shù)處于45μm以下。
六、與國外同類產(chǎn)品的比較
北京廊橋技貿(mào)有限責(zé)任公司優(yōu)級產(chǎn)品LF3007NiCr-Cr3C2復(fù)合粉，在制粉方法及粉末與涂層性能上，與國外SULZER METCO最新產(chǎn)品(九十年代中期推向市場)貝AMAL-LOY3007NiCr-Cr3C2復(fù)合粉屬同類，二者主要項目的比較列入表2。
七、在冶金工業(yè)中的應(yīng)用
近年來，熱噴涂技術(shù)在冶金工業(yè)領(lǐng)域獲得較大發(fā)展，尤其日本和德國這些國家，歷來重視在汽車、冶金和能源等民用支柱產(chǎn)業(yè)中開發(fā)與應(yīng)用這一技術(shù)。表3列入了日本鋼鐵公司名古屋工廠熱噴涂的應(yīng)用狀況。
日鐵名古屋工廠熱噴涂應(yīng)用狀況
噴涂方法：火焰噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂，高速氧一燃焰噴涂。
噴涂材料：新型陶瓷材料(ZrB2、CrB2、SiAlON)，特種復(fù)合料，金屬陶瓷材料，碳化物超合金。
應(yīng)用項目：連鑄模，導(dǎo)輥，風(fēng)機(jī)，爐底輥，軋輥，浸沒輥，溜槽。
效益：降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)量、減少維修、延長工作壽命。噴涂后的拉緊輥，自1989年起再沒修過，而原先只有2．5個月。噴涂后的爐底輥，有缺陷的鋼帶已被消除，停機(jī)時間由原先30分/月降低到0。在上述應(yīng)用中，NiCr-Cr3C2粉占有重要地位。在連續(xù)退火爐爐輥的強(qiáng)化保護(hù)、燃煤鍋爐爐管、假造工具等方面收到顯著效果。
1．連續(xù)退火爐爐輥的強(qiáng)化涂層
在冷軋鋼帶連續(xù)退火過程中，鋼帶表面的氧化膜或沉積的鐵屑被還原與活化，生成鐵、Fe3O4和FeO及其它化合物，經(jīng)擴(kuò)散后被粘附在爐輥表面，逐漸長大結(jié)瘤，致使鋼帶表面產(chǎn)生啄印，質(zhì)量惡化；而在不銹鋼帶連續(xù)退火作業(yè)中，則要經(jīng)受1200oC高溫的氧化氣氛，在爐輥表面形成的結(jié)瘤也會對不銹鋼帶產(chǎn)生類似的影響。通常，隨著爐底輥工作溫度的開高，結(jié)瘤和磨損也隨之加大，而爐輥與鋼帶之間的滑動也促進(jìn)結(jié)瘤的生成。為了消除這些影響鋼帶質(zhì)量的隱患．很多廠家采用了熱噴涂技術(shù)，對爐輥噴涂特殊材料，形成理想的具有一系列優(yōu)異性能的表 面。這些涂層應(yīng)具有下列特性：
1)抗高溫氧化：目p使在最高的工作溫度條件下也能較長時間工作。
2)抗熱震：能經(jīng)受常溫與高溫之間的周期性熱沖擊。
3)抗磨損：在工作環(huán)境中應(yīng)有良好的耐磨損性能。
針對這些要求，自七十年代末開始，國外研究人員和生產(chǎn)廠家做了大量工作，并取得一系列成果。大體上說，噴涂工藝由等離子噴涂進(jìn)展到HVOF，而噴涂材料則經(jīng)歷了一系列的演進(jìn)，以適應(yīng)不同的溫度與氣氛，如表4所示。
不同工作溫度條件下所推薦的噴涂材料
Co-WC所組成的涂層系統(tǒng)適用于600°C以下、超過此值，WC將會分解失碳；NiCr-Cr3C2則適用于950°C以下，再高的溫度，則需是氧化物與Co基合金所組成的金屬陶瓷系統(tǒng)。需要指出的是，盡管M(Ni或Cr)CrAtY一氧化物涂層能夠經(jīng)受1000°C以上的溫度，但在實在應(yīng)用中遇到一些問題。由于鋼帶中存在有Mn元素。導(dǎo)致爐輥涂層在使用數(shù)年后會生成脆性的MnAl2O4或Mn1.5Crl。5O4化合物，出現(xiàn)微觀裂紋而使涂層脫落失效。實踐證明，對于冷軋鋼帶連續(xù)退火爐輥而言，在低于900C的工作條件下，選用NiCr-Cr3C2涂層是最有效的，它對爐輥具有高粘結(jié)性，涂層本身耐磨性、抗高溫性及抗結(jié)瘤性都較理想。超過900oC的工作溫度，由于Co基合金具有較好的抗結(jié)瘤性而更被看好，但其耐磨性則不及Cr3C2-NiCr涂層。
2．電廠鍋爐管的保護(hù)涂層
在火電廠(它通常是大鋼廠的分廠或協(xié)作廠)的鍋爐內(nèi)設(shè)有水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤氣管(簡稱“四管”)，通過燃煤將熱量傳送給水變成過熱蒸氣發(fā)電。燃煤過程伴隨有硫化物等有害成份，對鍋爐管在高溫下造成嚴(yán)重腐蝕，加之煤灰的沖刷，使?fàn)t管管壁每年以1-1.5mm的速度耗損，并因此給電廠正常運行帶來嚴(yán)重危害。國外自八十年代就采用熱噴涂技術(shù)對鍋爐管進(jìn)行強(qiáng)化保護(hù)。至今，大體經(jīng)歷了以下幾個階段：
第一階段 第二階段 第三階段
火焰噴涂Ni基合金粉 電弧噴涂NiCr/Cr3C2線電弧噴涂NiCr、FeCr線 等離子噴涂NiCr-Cr3C2粉 HVOF噴NiCr-Cr3C2粉及特種粉盡管HVOF噴涂N5Cr-Cr3C2粉對保護(hù)鍋爐管非常有效(能使?fàn)t管年耗損量由1.5mm降到0.03mm)，但一般條件下難以實施。原因有二，一是噴涂速率太低(約5公斤／時)，二是HVOF在現(xiàn)場施工有不少困難。目前在日本、韓國等國較為普遍采用此法，而我國則偏重于電弧噴涂FeCrAl、NiCrFeAlMo-Cr3C2等線材。 |
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