卓金管件有限公司电弧喷涂Fe-Cr-B涂层钨极氩弧重熔处理的学习体会
文献概况与工程背景
蹤雪梅等人在《中国表面工程》2016年第29卷第5期发表的这篇论文，研究了高速电弧喷涂制备的Fe-Cr-B涂层经钨极氩弧重熔处理后的组织演变与耐磨性能变化。该研究由徐工集团江苏徐州工程机械研究院和高端工程机械智能制造国家重点实验室联合完成，具有鲜明的工程机械行业应用背景。Fe-Cr-B系合金因其优异的耐磨性和耐蚀性，在工程机械的耐磨件（如挖掘斗齿、推土铲、耐磨衬板等）表面防护中具有重要应用价值。
涂层制备工艺与重熔处理
高速电弧喷涂工艺
高速电弧喷涂（High-Velocity Arc Spraying, HVAS）是一种先进的热喷涂技术，通过两根金属丝电极之间的电弧将金属丝熔化，熔化的金属液滴在高速气流（通常为压缩空气或惰性气体）的携带下高速撞击基体表面，形成致密的金属涂层。与传统电弧喷涂相比，高速电弧喷涂的颗粒飞行速度更高（可达600~800 m/s），颗粒温度更高，因此涂层与基体的结合强度更高，涂层的孔隙率更低，致密性更好。
钨极氩弧重熔处理
重熔处理（Remelting Treatment）是热喷涂技术中一种重要的后处理工艺，通过再次加热涂层表面使其熔化，然后重新凝固，从而实现以下目的：
- 将涂层与基体之间的机械结合转变为冶金结合，显著提高结合强度；
- 消除涂层中的孔隙和缺陷，提高涂层的致密性；
- 改变涂层的相组成和微观组织，优化涂层的综合性能；
- 改善涂层的表面质量，减少喷涂过程中的飞溅和氧化。
在本文的研究中，重熔处理采用GTAW方法，通过精确控制焊接参数（电流、电压、焊接速度、保护气体流量等）来实现涂层的均匀重熔。
组织演变与相结构分析
重熔前后的相结构对比
| 状态 | 相组成 | 结合方式 | 涂层硬度 |
|---|---|---|---|
| 喷涂层 | Fe基非晶 + 硼化物相 | 机械结合 | 689 HV0.1 |
| 重熔层 | Cr₂B + (Cr,Fe)₂B + α-Fe | 冶金结合 | 960 HV0.1 |
重熔处理后，涂层中的非晶相转变为晶态相，形成了以Cr₂B和(Cr,Fe)₂B为主的硬脆硼化物相和α-Fe基体相。这种相组成的变化是重熔过程中合金元素重新分配和相变的结果。
纵截面组织分布
重熔试样的纵截面显微组织从表层到基体依次呈现以下特征：
- 表层：初生硼化物以及共晶组织，硼化物含量较高，硬度最高。
- 次表层：共晶硼化物 + 马氏体 + 奥氏体，组织较为复杂，硬度较高。
- 过渡层：初生奥氏体以及共晶组织，向基体方向过渡。
- 热影响区：基体材料受热影响的区域，组织发生一定程度的变化。
这种分层组织特征表明，重熔过程中的温度梯度导致了从表层到基体的组织渐变，形成了有利于耐磨性能的组织梯度。
耐磨性能分析
磨损失重率对比
| 状态 | 磨损失重率 g/(cm²·min⁻¹) | 耐磨性能提升 |
|---|---|---|
| 喷涂层 | 0.088 | — |
| 重熔层 | 0.0046 | 约19.1倍 |
重熔处理后，涂层的磨损失重率降低了约95%，耐磨性能提升了近20倍。这一显著的改善归因于以下几个方面：
- 硬度提升：硬度从689 HV0.1提升至960 HV0.1，硬度提升约39%，直接增强了涂层抵抗磨料切削的能力。
- 结合强度改善：从机械结合转变为冶金结合，消除了涂层与基体之间的界面薄弱环节，避免了磨损过程中涂层剥落。
- 组织致密化：重熔消除了喷涂层中的孔隙，减少了磨粒侵入涂层的通道。
- 残余应力优化：重熔过程中残余应力的重新分布有利于提高涂层的整体稳定性。
磨损机制分析
| 状态 | 主要磨损机制 | 特征描述 |
|---|---|---|
| 喷涂层 | 微断裂 | 磨粒侵入孔隙和裂纹，导致局部脆性断裂和剥落 |
| 重熔层 | 变形磨损 + 微切削 | 磨料在涂层表面产生塑性变形和浅层切削，磨损量小 |
喷涂层由于存在孔隙和微裂纹，磨粒容易侵入这些缺陷并扩展，导致微断裂和剥落。重熔层由于组织致密、硬度高，磨粒只能在表面产生浅层的塑性变形和微切削，磨损量大幅降低。
工程应用价值与工艺优化思考
在工程机械耐磨件中的应用
Fe-Cr-B涂层广泛应用于工程机械的耐磨件表面防护，如：
- 挖掘斗齿：承受冲击和磨粒磨损，要求高硬度和高韧性；
- 推土铲：承受推土时的强烈磨粒磨损；
- 耐磨衬板：用于料斗、溜槽等设备的内壁防护；
- 液压缸筒：承受活塞往复运动的摩擦磨损。
重熔处理可以显著提高这些耐磨件的使用寿命，降低维修频率和停机时间，具有重要的经济效益。
工艺优化建议
在实际工程应用中，重熔处理工艺需要注意以下关键控制点：
- 重熔深度的控制：重熔深度应覆盖整个涂层厚度并适当延伸至基体，以保证冶金结合，但过深的重熔会过度影响基体组织。
- 焊接参数的选择：电流、电压、焊接速度的匹配需要优化，以保证均匀重熔而不产生烧穿或过热。
- 保护气体的选择与流量：氩气保护可以有效防止涂层表面氧化，但流量不足会导致保护不良，流量过大则可能引起气流扰动和飞溅。
- 预热与后热处理：适当的预热可以减少热应力，焊后热处理可以消除残余应力，防止涂层开裂。
- 多层重熔：对于较厚的涂层，可能需要多次重熔，每次重熔的深度和参数需要精心规划。
与钢管表面防护的关联
虽然本文的研究对象是工程机械耐磨件，但Fe-Cr-B涂层和重熔处理技术在钢管表面防护中同样具有应用潜力。在石油天然气行业的管线建设中，输送含固体颗粒的油气混合物（如含砂原油、含矿泥的天然气）的管道内壁需要耐磨防护。采用电弧喷涂+重熔处理的方法制备耐磨涂层，可以有效延长管道的使用寿命，减少清管频率和维修成本。
学习心得与总结
这篇文献让我深刻认识到，热喷涂技术的最终性能不仅取决于喷涂工艺本身，还取决于后处理工艺。重熔处理作为一种简单有效的后处理手段，可以将喷涂层的性能提升一个数量级，这对于工程应用具有重要的经济价值。在钢管和管件的表面防护领域，我们应该关注热喷涂技术的最新发展，特别是高速电弧喷涂与重熔处理的组合工艺，探索其在管道内壁耐磨防护、抗腐蚀防护等方面的应用可能性。同时，我们也应该认识到，任何表面处理技术都需要与具体的工况条件相匹配，不能简单地追求单一性能指标的优化，而应当综合考虑耐磨性、耐蚀性、结合强度、疲劳性能等多方面因素，实现涂层综合性能的最优化。