D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2010.06.014 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vol 32 No 6 2010年6月 Journal of Un iversity of Science and Techno logy Beijing Jun 2010 等离子熔覆FeN基合金导辊组织结构及失效分析 张丽民)刘均波2)孙冬柏)王书明) 1)北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心，北京1000882)潍坊学院机电工程学院，潍坊261061 3)北京科技大学腐蚀与防护中心，北京100083 摘要采用等离子熔覆技术将FeV基高温耐磨合金粉末熔覆到45圆钢上，制备了FeN基合金导辊.采用扫描电子显 微镜、能谱仪、X射线衍射仪研究了Fe-N基合金涂层的组织结构和FeN基合金导辊的表面失效情况.结果表明：FeN基 高温耐磨涂层组织形态良好，由涂层与基体的结合界面处到涂层的上部其组织由平面晶向树枝晶转变：Y~(F。N)的含量在 涂层中按底部一中部一上部的方向依次降低，而(CrFε)，Ca的分布正好相反；FeN基合金导辊的失效机制为热疲劳开裂和 磨粒磨损 关键词FeN基合金：导辊；等离子熔覆；组织结构；失效 分类号TG174.442 M icrostructure and failure analysis of FeNi based alloy rollers produced by plas a cladding ZHANG Lim in),LIU Juno,SUN Donga,WANG Shum ing) 1)National Center of Analysis and Testing for Non-fermus Metals Electronic Materials General Research Institute for Nonferrous Metals Beijing 100088 China 2)College of Mechanical and Ekctrical Weifang University Weifing 261061.China 3)Cormsion and Protection Center University of Science and Technolgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT FeNi based high tempemture wearresistant powder was cladded on 45"round steel to obtain an FeNibased alloy moller by plasa cladding Scanning electric m icroscope energy spectrmeter and X-ray diffractmeterwere adopted to study the m icrostmuc- ture of the FeNi based alloy coating and the failure surface of the FeNi based alloy roller It is shown that the morpholgy of the Fe- Ni based high-temperature wearresistant coating is well and the mophology is planar crystal at the coating"substrate bonding while the morphology becomes dendrite at the m iddle and the top of the coating The y(Fe Ni)content reduces follow ing the bottan m idle-top oner in the coatng but the(Cr Fe)7Cs is just the opposite The failure mechanism of the FeNi based alloy moller is themal fatigue cracking and grain wear KEY W ORDS FeNi based alloy:rolleg plasma cladding m icmostructures failure 导卫装置是线材轧机的重要组成部分，众多的 大大制约了线材的生产效率，并且价格较高. 产品质量问题和设备、人身事故都与导卫装置有密 等离子熔覆技术是近几年发展起来的表面厚涂 切的联系，导辊是导卫装置的关键部件，也是消耗 层技术，所获得的涂层可与基体材料达到冶金结 大、更换频繁的部件，热轧中发生在导辊周围的传 合B).目前，等离子熔覆技术已经成功地应用到矿 热过程是一个非常复杂的过程，包括轧件与导辊之 山机械上，但在钢铁行业上的应用鲜有报道，本文 间的接触传热、热辐射和冷却水的对流散热1-).目 采用等离子熔覆技术制备了等离子熔覆合金导辊， 前，常用的导辊为高铬铸钢导辊，其使用寿命为8h 并进行了工况现场试验，对等离子熔覆Fe-N基涂 收稿日期：2009-09-21 作者简介：张丽民(1979)女，工程师，博士，Email hanglin inzh@163cm
第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．6 Ｊｕｎ．2010 等离子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊组织结构及失效分析 张丽民 1） 刘均波 2） 孙冬柏 3） 王书明 1） 1） 北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心北京 100088 2） 潍坊学院机电工程学院潍坊 261061 3） 北京科技大学腐蚀与防护中心北京 100083 摘 要 采用等离子熔覆技术将 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨合金粉末熔覆到 45 ＃圆钢上制备了 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊．采用扫描电子显 微镜、能谱仪、Ｘ射线衍射仪研究了 Ｆｅ--Ｎｉ基合金涂层的组织结构和 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊的表面失效情况．结果表明：Ｆｅ--Ｎｉ基 高温耐磨涂层组织形态良好由涂层与基体的结合界面处到涂层的上部其组织由平面晶向树枝晶转变；γ--（ＦｅＮｉ）的含量在 涂层中按底部—中部—上部的方向依次降低而 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3的分布正好相反；Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊的失效机制为热疲劳开裂和 磨粒磨损． 关键词 Ｆｅ--Ｎｉ基合金；导辊；等离子熔覆；组织结构；失效 分类号 ＴＧ174．442 ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｒｏｌｌｅｒｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙ ｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ ＺＨＡＮＧＬｉ-ｍｉｎ 1）ＬＩＵＪｕｎ-ｂｏ 2）ＳＵＮＤｏｎｇ-ｂａｉ 3）ＷＡＮＧＳｈｕ-ｍｉｎｇ 1） 1） ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｏｆＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｅｓｔｉｎｇｆｏｒＮｏｎ-ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ＆ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＢｅｉｊｉｎｇ 100088Ｃｈｉｎａ 2） ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＷｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＷｅｉｆａｎｇ261061Ｃｈｉｎａ 3） ＣｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｆｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｏｗｄｅｒｗａｓｃｌａｄｄｅｄｏｎ45 ＃ｒｏｕｎｄｓｔｅｅｌｔｏｏｂｔａｉｎａｎＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｒｏｌｌｅｒ ｂｙｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ．ＳｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｎｄＸ-ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ- ｔｕｒｅｏｆｔｈｅＦｅ-ＮｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｒｏｌｌｅｒ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＦｅ- Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔｃｏａｔｉｎｇｉｓｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｓｐｌａｎａｒｃｒｙｓｔａｌａｔｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ-ｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｏｎｄｉｎｇｗｈｉｌｅｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｂｅｃｏｍｅｓｄｅｎｄｒｉｔｅａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅγ-（ＦｅＮｉ） ｃｏｎｔｅｎｔｒｅｄｕｃｅｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｂｏｔｔｏｍ-ｍｉｄｄｌｅ-ｔｏｐ ｏｒｄｅｒｉｎｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｂｕｔｔｈｅ（ＣｒＦｅ）7Ｃ3ｉｓｊｕｓｔｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅ．ＴｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄｇｒａｉｎｗｅａｒ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ Ｆｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙ；ｒｏｌｌｅｒ；ｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆａｉｌｕｒｅ 收稿日期：2009--09--21 作者简介：张丽民 （1979— ）女工程师博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｉｍｉｎｚｌｍ＠163．ｃｏｍ 导卫装置是线材轧机的重要组成部分众多的 产品质量问题和设备、人身事故都与导卫装置有密 切的联系．导辊是导卫装置的关键部件也是消耗 大、更换频繁的部件．热轧中发生在导辊周围的传 热过程是一个非常复杂的过程包括轧件与导辊之 间的接触传热、热辐射和冷却水的对流散热 ［1--2］．目 前常用的导辊为高铬铸钢导辊其使用寿命为 8ｈ 大大制约了线材的生产效率并且价格较高． 等离子熔覆技术是近几年发展起来的表面厚涂 层技术所获得的涂层可与基体材料达到冶金结 合 ［3--5］．目前等离子熔覆技术已经成功地应用到矿 山机械上但在钢铁行业上的应用鲜有报道．本文 采用等离子熔覆技术制备了等离子熔覆合金导辊 并进行了工况现场试验对等离子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基涂 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．06．014
,778 北京科技大学学报 第32卷 层的组织结构和等离子合金导辊的失效情况进行了 化，对涂层进行能谱分析，发现从涂层的上部到涂 分析研究 层与基体的结合区，Fe元素含量逐渐升高，Cr元素 含量逐渐降低，这是因为在涂层的制备过程中，基体 1实验方法 材料对涂层存在稀释作用，高温下熔池中的对流、扩 1.1实验材料 散等因素使基体材料中的Fe元素到达涂层中，导致 高铬铸钢焊接性能差、价格较高；而调质45钢 涂层底部的F元素含量增加，同时涂层中的合金元 具有高的屈服强度和疲劳强度，良好的冲击韧性和 素，如C也会被稀释而减少，这些元素的互扩散作 塑性·因此采用调质45钢作为导辊心部材料，一方 用对涂层与基体达到冶金结合起到了一定的促进作 面能够满足导辊在服役条件下的力学性能要求，另 用.从以上分析可知，Y-(F。N)在涂层中按底 一方面可以降低成本.涂层材料采用FeN基高温 部一中部一上部的方向依次降低，而(CrFe),Cg的 耐磨合金粉末，其化学成分见表1 分布正好相反，因此，从物相分布上来看，由基体与 表1FeN基高温耐磨涂层合金粉末成分（质量分数） 涂层的结合区到涂层上部，物相含量的分布是一个 Table 1 Chemn ical composition of FeNi based high-tempemture wear 渐变的过程.C元素在其中起了重要的作用，基体 resistant alloy powder % 材料中C的质量分数为0.45%，涂层合金中C的质 Cr Ni Mo B Si C W Nb Fe 量分数为%.熔覆后，冶金熔池凝固的过程中，在 2830 323261余量 涂层与基体的结合界面处，涂层中的C被稀释，而 越往涂层上部，C含量越高，从而使碳化物越容易形 1.2实验工艺和方法 成，因而涂层中就形成(CrFe)zC的含量由涂层底 在调质45钢表面等离子熔覆高温耐磨涂层， 部到涂层上部呈增多的趋势，Y一(F。N)则在涂层 工艺流程为45钢圆钢毛坯→导辊毛坯→等离子熔 底部较多，在涂层中、上部较少 覆→导辊表面打磨处理→等离子合金导辊，等离子 16000 ◆-FeNi) 熔覆过程中的热输入量由工作电流和扫描速率确 (Cr.Fe).C. 定，其工作电流为300A,扫描速率为400mm· 12000 ·Mo,Nia mm;熔覆过程的送粉速率由送粉气流量确定，送 上部 粉气流量为0.6m3.h1A另外，等离子气流量0.6 8000P 中部 m3.hAr保护气流量1.6m3.hAr等离子熔覆 为单层熔覆，制备的涂层的厚度为2mm【s-7). 4000 在剑桥$-360型扫描电子显微镜上观察等离 下部 子熔覆涂层的显微组织和磨损实验后试样表面的磨 OF 20 40 60 80 100 损形貌.采用日本理学Dmax-RB旋转阳极X射线 20) 衍射(XRD)仪，并结合TN550型Tracor Northem能 图1FeN基高温耐磨涂层的XRD图谱 谱仪对高温耐磨涂层组织进行物相和结构分析. Fig 1 XRD pattems of the FeNi based high lmperature wearre- sistant coating 2FeN基高温耐磨涂层的组织结构 图2所示为Fe~N基高温耐磨涂层由底部到 等离子熔覆涂层的组织结构呈梯度分布，因此 中、上部的显微形貌，涂层底部组织呈现为平面晶 采用线切割的方式将涂层沿层深方向进行切割，分 形态，如图2(a)所示，熔池底部平面晶晶粒依附于 别在涂层中间（由涂层上部开始1mm处）、涂层与 母材半熔化区，晶粒外延长大，表现出联生结晶的特 基体的结合区切割分离，对涂层的表层、中间层以 点，涂层中、上部呈现为枝晶状组织，如图2(b)所 及涂层与基体的结合区进行物相分析.图1为等离 示，枝晶表现出择优生长的特点，在等离子束流和治 子熔覆FεN基高温耐磨涂层横截面沿层深方向的 金熔池的对流作用下，细小的枝晶被打乱，表现为块 物相分布，FeN基高温耐磨涂层中的主要物相为 状和细小的碎片状，微区能谱分析发现，图2(b)中 Y-(FoNi)、(CrFe)zC3和少量的Mo.24Ni.6·沿 P1为富C区，P2为FeN的富集区，白亮点P3为 涂层层深方向的物相种类相同，但含量不同，Y一 MoNb元素的聚集区，在Pl和P2处都可检测到W (FoNi)和(CrFe)zC3的含量都发生了明显的变 元素的存在，可知W以合金元素的形式固溶在Y-
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 层的组织结构和等离子合金导辊的失效情况进行了 分析研究． 1 实验方法 1∙1 实验材料 高铬铸钢焊接性能差、价格较高；而调质 45 ＃钢 具有高的屈服强度和疲劳强度良好的冲击韧性和 塑性．因此采用调质 45 ＃钢作为导辊心部材料一方 面能够满足导辊在服役条件下的力学性能要求另 一方面可以降低成本．涂层材料采用 Ｆｅ--Ｎｉ基高温 耐磨合金粉末其化学成分见表 1． 表 1 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层合金粉末成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ- ｒｅｓｉｓｔａｎｔａｌｌｏｙｐｏｗｄｅｒ ％ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｂ Ｓｉ Ｃ Ｗ Ｎｂ Ｆｅ 28 30 3 2 3 2 6 1 余量 1∙2 实验工艺和方法 在调质 45 ＃钢表面等离子熔覆高温耐磨涂层 工艺流程为 45 ＃钢圆钢毛坯→导辊毛坯→等离子熔 覆→导辊表面打磨处理→等离子合金导辊．等离子 熔覆过程中的热输入量由工作电流和扫描速率确 定其工作电流为 300Ａ扫描速率为 400ｍｍ· ｍｉｎ —1；熔覆过程的送粉速率由送粉气流量确定送 粉气流量为 0∙6ｍ 3·ｈ —1Ａｒ；另外等离子气流量 0∙6 ｍ 3·ｈ —1Ａｒ保护气流量 1∙6ｍ 3·ｈ —1 Ａｒ等离子熔覆 为单层熔覆制备的涂层的厚度为 2ｍｍ ［6--7］． 在剑桥 Ｓ--360型扫描电子显微镜上观察等离 子熔覆涂层的显微组织和磨损实验后试样表面的磨 损形貌．采用日本理学 Ｄｍａｘ--ＲＢ旋转阳极 Ｘ射线 衍射 （ＸＲＤ）仪并结合 ＴＮ550型 ＴｒａｃｏｒＮｏｒｔｈｅｒｎ能 谱仪对高温耐磨涂层组织进行物相和结构分析． 2 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层的组织结构 等离子熔覆涂层的组织结构呈梯度分布因此 采用线切割的方式将涂层沿层深方向进行切割分 别在涂层中间 （由涂层上部开始 1ｍｍ处 ）、涂层与 基体的结合区切割分离．对涂层的表层、中间层以 及涂层与基体的结合区进行物相分析．图 1为等离 子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层横截面沿层深方向的 物相分布．Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层中的主要物相为 γ--（ＦｅＮｉ）、（ＣｒＦｅ）7Ｃ3 和少量的 Ｍｏ1∙24Ｎｉ0∙76．沿 涂层层深方向的物相种类相同但含量不同γ-- （ＦｅＮｉ）和 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3 的含量都发生了明显的变 化．对涂层进行能谱分析发现从涂层的上部到涂 层与基体的结合区Ｆｅ元素含量逐渐升高Ｃｒ元素 含量逐渐降低这是因为在涂层的制备过程中基体 材料对涂层存在稀释作用高温下熔池中的对流、扩 散等因素使基体材料中的 Ｆｅ元素到达涂层中导致 涂层底部的 Ｆｅ元素含量增加同时涂层中的合金元 素如 Ｃｒ也会被稀释而减少．这些元素的互扩散作 用对涂层与基体达到冶金结合起到了一定的促进作 用．从以上分析可知γ--（ＦｅＮｉ）在涂层中按底 部—中部—上部的方向依次降低而 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3 的 分布正好相反．因此从物相分布上来看由基体与 涂层的结合区到涂层上部物相含量的分布是一个 渐变的过程．Ｃ元素在其中起了重要的作用基体 材料中 Ｃ的质量分数为 0∙45％涂层合金中 Ｃ的质 量分数为 2％．熔覆后冶金熔池凝固的过程中在 涂层与基体的结合界面处涂层中的 Ｃ被稀释而 越往涂层上部Ｃ含量越高从而使碳化物越容易形 成因而涂层中就形成 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3的含量由涂层底 部到涂层上部呈增多的趋势γ--（ＦｅＮｉ）则在涂层 底部较多在涂层中、上部较少． 图 1 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层的 ＸＲＤ图谱 Ｆｉｇ．1 ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ-ｒｅ- ｓｉｓｔａｎｔｃｏａｔｉｎｇ 图 2所示为 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层由底部到 中、上部的显微形貌．涂层底部组织呈现为平面晶 形态如图 2（ａ）所示熔池底部平面晶晶粒依附于 母材半熔化区晶粒外延长大表现出联生结晶的特 点．涂层中、上部呈现为枝晶状组织如图 2（ｂ）所 示枝晶表现出择优生长的特点在等离子束流和冶 金熔池的对流作用下细小的枝晶被打乱表现为块 状和细小的碎片状．微区能谱分析发现图 2（ｂ）中 Ｐ1为富 Ｃｒ区Ｐ2为 Ｆｅ、Ｎｉ的富集区白亮点 Ｐ3为 Ｍｏ、Ｎｂ元素的聚集区在 Ｐ1和 Ｐ2处都可检测到 Ｗ 元素的存在可知 Ｗ 以合金元素的形式固溶在 γ-- ·778·
第6期 张丽民等：等离子熔覆FeN基合金导辊组织结构及失效分析 ,779. (FeNi)奥氏体和(CrFe),C中，结合XRD分析 Ni)奥氏体相，P3为Mo.24Ni.6化合物，这些化合物 结果可知，P1为碳化物(CrFe),Cg,P2为Y-(Fo 的良好匹配使涂层具有优异的耐磨性能， (a) 图2FeN基高温耐磨涂层显微形貌·(a)涂层与基体结合区：(b)涂层中、上部 Fig 2 M icrostnuctres of the FeNi based high temperatue wear resistant coatng (a)coating matrix bonding (b)m iddle and upper zones in the coating 导辊的性能，本文对其失效情况进行了分析研究， 3等离子合金导辊失效分析 3.1宏观失效分析 将制备好的FeV基合金导辊投入某线材轧钢 图3为FeN基合金导辊失效后的实物照片， 厂进行工况现场试验，发现导辊服役88h后失效， 图3(a)为FeN基合金导辊在使用88h失效后的 对其进行修复后，又使用72h后失效报废，与服役 宏观形貌，图3(b)为FeN基合金导辊进行修复后 寿命为8h的高铬铸钢导辊相比，等离子熔覆的Fe- 使用72山再次失效后的宏观形貌.通过对导辊的 N基合金导辊的性能有显著的提高，该种导辊在线 表面进行失效分析，认为该种导辊主要的失效方式 材轧钢厂具有广阔的竞争空间，为进一步提高该种 如下， ( 图3FeN基合金导辊失效后的照片·(a)新导棍使用88h后；(b)修复导辊使用72h后 Fig 3 Photos of the FeNibased alloy roller after failm (a)new moller after88 h application:(b)renovation mller after72 h application 3.1.1高温磨损 应力作用，极易导致热疲劳破坏.如图3所示，在犁沟 从导辊表面形貌照片中可以看到明显的因磨损 的边沿部位布满了裂纹和由裂纹扩展导致的剥落坑 而造成的犁沟，并且在犁沟的表面布满了氧化腐蚀 3.2微观失效分析 产物，高温轧件与导辊直接接触并高速运动构成摩 对FeN基合金导辊修复后使用72h后的导 擦副，在轧制过程中，轧件表面形成的氧化皮脱落对 辊（图3(b)进行微观失效分析，认为主要的失效 导辊构成磨粒磨损，导辊自身因受热氧化形成的氧 机制如下， 化皮也会成为磨粒，从而进一步加剧导辊的磨损， 3.2.1热疲劳和热疲劳裂纹失效 因此，可以认为FeN基合金导辊在高温下的磨损 导辊在服役工程中，承受着塑性压应变与弹性 为磨粒磨损十氧化脱落. 拉应变的循环作用，即热疲劳过程，在热应力作用 3.1.2热疲劳与热疲劳裂纹失效 下热疲劳裂纹产生、扩展并衍生，从而构成了典型的 导辊在工作过程中承受反复激冷激热的交变热 热疲劳裂纹形貌，即网络状裂纹[⑧).图4为Fe-Ni
第 6期 张丽民等： 等离子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊组织结构及失效分析 （ＦｅＮｉ） 奥氏体和 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3 中．结合 ＸＲＤ分析 结果可知Ｐ1为碳化物 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3Ｐ2为 γ--（Ｆｅ Ｎｉ）奥氏体相Ｐ3为 Ｍｏ1∙24Ｎｉ0∙76化合物这些化合物 的良好匹配使涂层具有优异的耐磨性能． 图 2 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层显微形貌 ∙（ａ） 涂层与基体结合区；（ｂ） 涂层中、上部 Ｆｉｇ．2 ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔｃｏａｔｉｎｇ：（ａ） ｃｏａｔｉｎｇ-ｍａｔｒｉｘｂｏｎｄｉｎｇ；（ｂ） ｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒｚｏｎｅｓｉｎｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ 3 等离子合金导辊失效分析 将制备好的 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊投入某线材轧钢 厂进行工况现场试验发现导辊服役 88ｈ后失效 对其进行修复后又使用 72ｈ后失效报废与服役 寿命为 8ｈ的高铬铸钢导辊相比等离子熔覆的 Ｆｅ-- Ｎｉ基合金导辊的性能有显著的提高该种导辊在线 材轧钢厂具有广阔的竞争空间．为进一步提高该种 导辊的性能本文对其失效情况进行了分析研究． 3∙1 宏观失效分析 图 3为 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊失效后的实物照片 图 3（ａ）为 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊在使用 88ｈ失效后的 宏观形貌图 3（ｂ）为 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊进行修复后 使用 72ｈ再次失效后的宏观形貌．通过对导辊的 表面进行失效分析认为该种导辊主要的失效方式 如下． 图 3 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊失效后的照片 ∙（ａ） 新导辊使用 88ｈ后；（ｂ） 修复导辊使用 72ｈ后 Ｆｉｇ．3 ＰｈｏｔｏｓｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｒｏｌｌｅｒａｆｔｅｒｆａｉｌｕｒｅ：（ａ） ｎｅｗｒｏｌｌｅｒａｆｔｅｒ88ｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；（ｂ） ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎｒｏｌｌｅｒａｆｔｅｒ72ｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 3∙1∙1 高温磨损 从导辊表面形貌照片中可以看到明显的因磨损 而造成的犁沟并且在犁沟的表面布满了氧化腐蚀 产物高温轧件与导辊直接接触并高速运动构成摩 擦副在轧制过程中轧件表面形成的氧化皮脱落对 导辊构成磨粒磨损导辊自身因受热氧化形成的氧 化皮也会成为磨粒从而进一步加剧导辊的磨损． 因此可以认为 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊在高温下的磨损 为磨粒磨损 ＋氧化脱落． 3∙1∙2 热疲劳与热疲劳裂纹失效 导辊在工作过程中承受反复激冷激热的交变热 应力作用极易导致热疲劳破坏．如图 3所示在犁沟 的边沿部位布满了裂纹和由裂纹扩展导致的剥落坑． 3∙2 微观失效分析 对 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊修复后使用 72ｈ后的导 辊 （图 3（ｂ））进行微观失效分析认为主要的失效 机制如下． 3∙2∙1 热疲劳和热疲劳裂纹失效 导辊在服役工程中承受着塑性压应变与弹性 拉应变的循环作用即热疲劳过程．在热应力作用 下热疲劳裂纹产生、扩展并衍生从而构成了典型的 热疲劳裂纹形貌即网络状裂纹 ［8--9］．图 4为 Ｆｅ--Ｎｉ ·779·
,780 北京科技大学学报 第32卷 基合金导辊表面的热疲劳裂纹，图4(a)为热疲劳 下，环形裂纹失稳，导致涂层块状脱落，如图4(c)所 引起的十字形热疲劳裂纹；十字形热疲劳裂纹扩展 示.热疲劳裂纹的扩展和涂层中大面积块状脱落最 形成如图4(b)所示的环形裂纹；在轧件的冲击作用 终导致导辊的失效 3 um 10m 200m 图4热疲劳裂纹失效导辊表面形貌·(a)十字形裂纹：()环形裂纹；(c)剥落坑 Fig 4 Surface pattems of the failume moller with themal fatigue cmacks (a)cmoss cracks (b)cyclic cracks (c)fakng pits 3.2.2磨粒磨损 的磨损机制为磨粒磨损.涂层在轧件作用下，表 图5(a)为FeN基高温耐磨合金导辊磨损的 面材料被挤压推移到轧件运动路径的两侧，中间形 形貌，从图中可以看出，涂层的磨损面上出现了犁 成犁沟”，两侧堆积隆起，同时，轧件对涂层起到显 沟状磨痕、突起和少量的剥落坑，可以认为合金导辊 微切削作用，导致涂层形成一些“浮雕”，工作过程 (b) 10m d 20m 3 um 图5导辊磨粒磨损失效表面形貌.(a)磨粒磨损形成的犁沟：(b)热疲劳裂纹中的球形磨粒；()剥落坑中的球形磨粒；(d)磨损面上的 球形磨粒 Fig 5 Surface pattems of the failure moller w ith grain abmsion (a)furmow caused by grain abrasion (b)spherical abmasive gmans in the themal a tigue crack (c)spherical abrasive grans in the abscission pits (d)spherical abrasive grain on the wear surface
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 基合金导辊表面的热疲劳裂纹．图 4（ａ）为热疲劳 引起的十字形热疲劳裂纹；十字形热疲劳裂纹扩展 形成如图 4（ｂ）所示的环形裂纹；在轧件的冲击作用 下环形裂纹失稳导致涂层块状脱落如图 4（ｃ）所 示．热疲劳裂纹的扩展和涂层中大面积块状脱落最 终导致导辊的失效． 图 4 热疲劳裂纹失效导辊表面形貌 ∙（ａ） 十字形裂纹；（ｂ） 环形裂纹；（ｃ） 剥落坑 Ｆｉｇ．4 Ｓｕｒｆａｃｅｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓ：（ａ） ｃｒｏｓｓｃｒａｃｋｓ；（ｂ） ｃｙｃｌｉｃｃｒａｃｋｓ；（ｃ） ｆｌａｋｉｎｇｐｉｔｓ 图 5 导辊磨粒磨损失效表面形貌．（ａ） 磨粒磨损形成的犁沟；（ｂ） 热疲劳裂纹中的球形磨粒；（ｃ） 剥落坑中的球形磨粒；（ｄ） 磨损面上的 球形磨粒 Ｆｉｇ．5 Ｓｕｒｆａｃｅｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｇｒａｉｎａｂｒａｓｉｏｎ：（ａ） ｆｕｒｒｏｗｃａｕｓｅｄｂｙｇｒａｉｎａｂｒａｓｉｏｎ；（ｂ） ｓｐｈｅｒｉｃａｌａｂｒａｓｉｖｅｇｒａｉｎｓｉｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆａ- ｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ；（ｃ） ｓｐｈｅｒｉｃａｌａｂｒａｓｉｖｅｇｒａｉｎｓｉｎｔｈｅａｂｓｃｉｓｓｉｏｎｐｉｔｓ；（ｄ） ｓｐｈｅｒｉｃａｌａｂｒａｓｉｖｅｇｒａｉｎｏｎｔｈｅｗｅａｒｓｕｒｆａｃｅ 3∙2∙2 磨粒磨损 图 5（ａ）为 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨合金导辊磨损的 形貌．从图中可以看出涂层的磨损面上出现了犁 沟状磨痕、突起和少量的剥落坑可以认为合金导辊 的磨损机制为磨粒磨损 ［10］．涂层在轧件作用下表 面材料被挤压推移到轧件运动路径的两侧中间形 成 “犁沟 ”两侧堆积隆起．同时轧件对涂层起到显 微切削作用导致涂层形成一些 “浮雕 ”．工作过程 ·780·
第6期 张丽民等：等离子熔覆FN基合金导辊组织结构及失效分析 ,781. 中，导辊表面在高温磨损作用下，涂层中的块状碳化 参考文献 物和金属间化合物耐磨骨架受到轧件的冲击作用， [1]Tang Y H.Chen A H.He B Analysis of failre of guidling equip- 可能会断裂或从涂层表面剥落，从而在导辊表面形 ment for fnish ing molling m ill Mech Res Appl 2006.19(3):60 成剥落坑，这些剥落的碳化物和金属间化合物则成 (唐永辉，陈艾华，何彬.精轧机导卫装置的失效分析及改善 措施.机械研究与应用，200619(3)：60) 为轧件和导辊之间的磨粒，与导辊、轧件构成了三体 [2]Xing ZQ.Pan H T.Analysis on fracture of prejudiced gude roller 磨粒磨损的摩擦副，图5(b)、(c)为残存于裂纹和 (35C Mo)in coiling fiumace Phys Exam Test 2009 27(2):58 剥落坑中的球状磨粒；对这些球状磨粒进行能谱分 (杏仲全，潘红涛.35CMo钢卷取炉偏导辊断裂分析.物理测 析，结果如图6所示，从图中可知，这种球形磨粒的 试，2009.27(2)：58) 化学组成为Fe-Cr-C-Si可以认为，球形磨粒主要 [3]Zhang L M.Sun D B.LiH Q etal Research progress in surface 由碳化物组成，在轧件的磨损作用下，导辊涂层中的 metallurgy by DC plasa jet Heat TratMet 2006 31(2):12 张丽民，孙冬柏，李惠琪，等.等离子束表面治金技术研究 碳化物脱落，在磨损过程中成为球形磨粒，因此，在 及其进展.金属热处理，200631(2)：12) 磨粒磨损过程中，材料去除机制是塑性变形显微 [4]Zhang L M.Sun D B Yu H Y,etal Characteristics of Febased 切削和断裂剥落的共同作用 alloy coating produced by plama cladding pmcess Mater Sci Eng A2007.457(12):319 [5 Zhang L M.Sun D B Yu H Y.Effect of niobim on the m icmo- structure and wear resistance of iron based alby coating produced by plasa cladding Mater Sci Eng A 2008 490.57 [6]Zhang L M.Sun D B Yu H Y.Chamcteristics ofplasna cladding Febased alby coating with rare earth metal elements Mater Sci 6 8101214161820 能量keV EngA2007,452A53(15):619 [7]Zhang L M.Li B W.Yu H Y.Rapidly solid ified non-equilibri 图6球形磨粒的能谱分析 m icrostmuchure and phase transomation of plasma cladding Fe Fig 6 EDS spectnm of spherical abmsive gmains based alloy coating Surf CoatTechnol 2007.201(12):5931 [8]Li B W.Zhang L M.LiH Q.et al Shidy on cmacking behavior 4结论 of Fe-based coating by plasna cladding Mater SciTechnol 2007. 15(4):545 (1)利用等离子熔覆技术，在45圆钢表面熔 (刘邦武，张丽民，李惠琪，等.等离子熔覆铁基涂层开裂行 覆FeV基高温耐磨涂层，制备了等离子合金导辊 为研究.材料科学与工艺，2007,15(4)：545) [9]LiM.Mechan ical fiindanent of themal fatigue cracks on hot work 工况现场试验表明，其使用寿命比高铬铸钢导辊有 die steel MaterMech Eng 1993.17(6):29 显著的提高.FeN基涂层与基体45钢呈冶金结 (李明。热作模具钢热疲劳裂纹的力学基础。机械工程材料， 合状态，碳化物(CrFe),C、奥氏体Y-(FeNi)和 199317(6):29) M0.24Ni.76化合物的良好匹配使涂层具有优异的耐 [10]Fu B Y.He D Y.Zhao L D.Abrasive resistance of are sprayed 磨性能. coatings containing Febased amophous phase Tribobgy 2008 28(5):428 (2)等离子熔覆FeN基合金导辊的失效机制 (傅斌友，贺定勇，赵力东，涂铁基非晶涂层的磨粒磨损性 主要为热疲劳开裂和磨粒磨损， 能研究.摩擦学学报，200828(5)：428)
第 6期 张丽民等： 等离子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊组织结构及失效分析 中导辊表面在高温磨损作用下涂层中的块状碳化 物和金属间化合物耐磨骨架受到轧件的冲击作用 可能会断裂或从涂层表面剥落从而在导辊表面形 成剥落坑这些剥落的碳化物和金属间化合物则成 为轧件和导辊之间的磨粒与导辊、轧件构成了三体 磨粒磨损的摩擦副．图 5（ｂ）、（ｃ）为残存于裂纹和 剥落坑中的球状磨粒；对这些球状磨粒进行能谱分 析结果如图 6所示．从图中可知这种球形磨粒的 化学组成为 Ｆｅ--Ｃｒ--Ｃ--Ｓｉ．可以认为球形磨粒主要 由碳化物组成在轧件的磨损作用下导辊涂层中的 碳化物脱落在磨损过程中成为球形磨粒．因此在 磨粒磨损过程中材料去除机制是塑性变形--显微 切削和断裂--剥落的共同作用． 图 6 球形磨粒的能谱分析 Ｆｉｇ．6 ＥＤＳｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓｐｈｅｒｉｃａｌａｂｒａｓｉｖｅｇｒａｉｎｓ 4 结论 （1） 利用等离子熔覆技术在 45 ＃圆钢表面熔 覆 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层制备了等离子合金导辊． 工况现场试验表明其使用寿命比高铬铸钢导辊有 显著的提高．Ｆｅ--Ｎｉ基涂层与基体 45 ＃钢呈冶金结 合状态碳化物 （ＣｒＦｅ）7Ｃ3、奥氏体 γ--（ＦｅＮｉ）和 Ｍｏ1∙24Ｎｉ0∙76化合物的良好匹配使涂层具有优异的耐 磨性能． （2）等离子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基合金导辊的失效机制 主要为热疲劳开裂和磨粒磨损． 参 考 文 献 ［1］ ＴａｎｇＹＨＣｈｅｎＡＨＨｅＢ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｏｆｇｕｉｄｉｎｇｅｑｕｉｐ- ｍｅｎｔｆｏｒｆｉｎｉｓｈｉｎｇｒｏｌｌｉｎｇｍｉｌｌ．ＭｅｃｈＲｅｓＡｐｐｌ200619（3）：60 （唐永辉陈艾华何彬．精轧机导卫装置的失效分析及改善 措施．机械研究与应用200619（3）：60） ［2］ ＸｉｎｇＺＱＰａｎＨＴ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｐｒｅｊｕｄｉｃｅｄｇｕｉｄｅｒｏｌｌｅｒ （35ＣｒＭｏ） ｉｎｃｏｉｌｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ．ＰｈｙｓＥｘａｍＴｅｓｔ200927（2）：58 （杏仲全潘红涛．35ＣｒＭｏ钢卷取炉偏导辊断裂分析．物理测 试200927（2）：58） ［3］ ＺｈａｎｇＬＭＳｕｎＤＢＬｉＨＱｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｂｙＤＣｐｌａｓｍａｊｅｔ．ＨｅａｔＴｒｅａｔＭｅｔ200631（2）：12 （张丽民孙冬柏李惠琪等．等离子束表面冶金技术研究 及其进展．金属热处理200631（2）：12） ［4］ ＺｈａｎｇＬＭＳｕｎＤＢＹｕＨＹｅｔａｌ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｅ-ｂａｓｅｄ ａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇ Ａ2007457（1／2）：319 ［5］ ＺｈａｎｇＬＭＳｕｎＤＢＹｕＨＹ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｎｉｏｂｉｕｍｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏ- ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｉｒｏｎ-ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇＡ2008490：57 ［6］ ＺｈａｎｇＬＭＳｕｎＤＢＹｕＨＹ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ Ｆｅ-ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｗｉｔｈｒａｒｅｅａｒｔｈｍｅｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ．ＭａｔｅｒＳｃｉ ＥｎｇＡ2007452／453（15）：619 ［7］ ＺｈａｎｇＬＭＬｉｕＢＷＹｕＨＹ．Ｒａｐｉｄｌｙｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｎｏｎ-ｅｑｕｉｌｉｂｒｉ- ｕｍｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇＦｅ- ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇ．ＳｕｒｆＣｏａｔＴｅｃｈｎｏｌ2007201（12）：5931 ［8］ ＬｉｕＢＷＺｈａｎｇＬＭＬｉＨＱｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｃｒａｃｋｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆＦｅ-ｂａｓｅｄｃｏａｔｉｎｇｂｙｐｌａｓｍａｃｌａｄｄｉｎｇ．ＭａｔｅｒＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ2007 15（4）：545 （刘邦武张丽民李惠琪等．等离子熔覆铁基涂层开裂行 为研究．材料科学与工艺200715（4）：545） ［9］ ＬｉＭ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｕｎｄａｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｏｎｈｏｔｗｏｒｋ ｄｉｅｓｔｅｅｌ．ＭａｔｅｒＭｅｃｈＥｎｇ199317（6）：29 （李明．热作模具钢热疲劳裂纹的力学基础．机械工程材料 199317（6）：29） ［10］ ＦｕＢＹＨｅＤＹＺｈａｏＬＤ．Ａｂｒａｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｒｃｓｐｒａｙｅｄ ｃｏａｔｉｎｇｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＦｅ-ｂａｓｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｐｈａｓｅ．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ2008 28（5）：428 （傅斌友贺定勇赵力东．涂铁基非晶涂层的磨粒磨损性 能研究．摩擦学学报200828（5）：428） ·781·