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        1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼硼砂鹽浴滲鉻性能研究

        2018-11-02 06:07:08郭潔唐公民
        東方汽輪機(jī) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:白亮滲層摩擦系數(shù)

        郭潔,唐公民

        (哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱,150046)

        1 前言

        超臨界和超超臨界汽輪機(jī)緊固件多選用改良型的12%鉻不銹鋼甚至是高溫合金。由于同種鋼具有親和力,特別是不銹鋼材料,雖耐蝕性較好,但硬度相對(duì)較低,受力后螺紋易塑性變形[1],再者高溫條件下產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物和濕熱條件下產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物也容易導(dǎo)致螺栓粘結(jié)咬死[2]。為了提高高溫螺栓的抗咬死性能,要求螺栓材料表面具有較好的耐磨、抗氧化和耐腐蝕性能[3-4]。三菱公司采用螺母滲鉻處理改善耐磨和耐腐蝕性能,達(dá)到避免螺栓咬死的目的。為此開展了超臨界和超超臨界汽輪機(jī)緊固件材料1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼的滲鉻研究。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 滲鉻方法的選擇

        鹽浴滲鉻對(duì)比氣體滲鉻和固體粉末滲鉻具有較低的工藝成本,設(shè)備簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)易,對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),近年來被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。本文采用硼砂熔鹽對(duì)1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼材料進(jìn)行鹽浴滲鉻,硼砂熔鹽配方主要由硼砂、NaCl、 Cr2O3、 Al粉和 NaF 組成。

        2.2 試驗(yàn)材料和方法

        試驗(yàn)用1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼為超臨界汽輪機(jī)組的高溫緊固件材料,其化學(xué)成分如表1所示。滲鉻試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×35 mm。試樣經(jīng)過表面打磨 (1000#),超聲波清洗后進(jìn)行滲鉻,滲鉻溫度選擇1 035℃,保溫3 h后空冷,滲鉻后650℃真空回火3 h處理。

        表1 試驗(yàn)用1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼化學(xué)成分單位:wt%

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 滲層組織分析

        試樣滲鉻后表面呈銀灰色,經(jīng)XRD物相分析(見圖1)可知,Cr23C6的峰位匹配很好,三強(qiáng)峰尖銳,說明最外層白亮層主要由Cr23C6組成,且結(jié)晶度好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有較弱的Cr2O3衍射峰,產(chǎn)生少量Cr2O3的原因是由于試樣表面的熔鹽在冷卻過程中發(fā)生自剝,高溫試樣的表面暴露在空氣中發(fā)生了輕微氧化[5]。圖2為滲鉻和熱處理后的滲層顯微組織照片,除了白亮層外發(fā)現(xiàn)次外層少量Fe-Cr固溶體組成,白亮層連續(xù)均勻無缺陷,由于基體中碳含量為0.11%~0.17%,碳含量相對(duì)較低,所以形成白亮層的厚度是有限的,白亮層厚度約為3 μm,隨著Cr原子繼續(xù)滲入,次外層的鉻含量超過了鉻在奧氏體中最大溶解度,形成Fe-Cr固溶體,F(xiàn)e-Cr固溶體在隨后的冷卻過程中被保留下來[6],局部滲層總厚度達(dá)10 μm。

        圖1 滲鉻試樣X射線衍射圖

        3.2 滲層能譜分析

        對(duì)滲鉻試樣截面進(jìn)行了線掃能譜分析,其分析結(jié)果如圖3所示,從圖中明顯看出Cr原子、Fe原子和C原子的濃度在白亮層和基體的交界處有突變,可清晰地顯示白亮層深度,其層深與金相結(jié)果一致。Cr的滲入會(huì)引起C的上坡擴(kuò)散,C的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于Cr,所以在滲層與基體的交界處沒有貧碳[7]。由于Cr原子是垂直擴(kuò)散滲入,而C原子是反向擴(kuò)散,因此過了白亮層存在一個(gè)成分過渡區(qū),過渡區(qū)的Fe濃度略低于基體中Fe濃度,而Cr和C濃度略高于基體的,但過渡區(qū)的組織與基體相同,沒有明顯界限。初期,基體和滲層與摩擦副對(duì)磨都存在一個(gè)跑合期,跑合期后基體和滲層試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化不大,利用數(shù)學(xué)擬合方法處理得到穩(wěn)定時(shí)期摩擦系數(shù)的平均值,基體在經(jīng)過約250 s的跑合之后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.71左右,而滲層在經(jīng)過約150 s的磨合期后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.11左右,穩(wěn)定期滲層的摩擦系數(shù)明顯低于基體。

        圖3 滲鉻試樣橫截面線掃能譜

        圖5 5 N載荷下基體和滲鉻試樣摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

        3.3 滲層硬度分析

        滲層顯微硬度值隨表面深度的硬度梯度如圖4所示,載荷10 g,保壓15 s,由于白亮層主要為碳鉻化合物,所以表面滲層的硬度很高,高達(dá)1 690 HV。滲層只有3 μm左右,所以梯度很陡,基體的硬度為400 HV左右。

        圖4 滲鉻試樣橫截面硬度分布

        3.4 摩擦磨損性能

        采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀對(duì)比了基體和滲鉻試樣在相同磨損條件下的摩擦磨損性能。磨損條件為:磨損半徑5 mm,載荷5 N,轉(zhuǎn)速300 r/min,磨損時(shí)間600 s,摩擦副為Ф5 mm的GCr15鋼球,硬度HRC58-HRC60。

        圖5是相同磨損條件下,基體和滲鉻試樣摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖。從圖中可以看出,摩擦

        圖6 相同條件下基體和滲鉻試樣磨損形貌

        圖6是相同磨損條件下,滲層和基體試樣磨損后的磨損形貌圖。從圖中可知,相同磨損條件下滲層和基體的磨損形貌存在較大差異,基體磨損嚴(yán)重,呈現(xiàn)明顯粘著磨損形貌,出現(xiàn)撕裂痕跡和磨屑被碾平形貌。而滲層表面的白亮層硬度高達(dá)1 690 HV,滲層有效地承擔(dān)了載荷,在該磨損條件下幾乎無磨屑產(chǎn)生,沒有產(chǎn)生磨損,只是沿著摩擦方向有擠壓痕跡,同時(shí)滲鉻層表面鉻含量較高,而鉻是容易氧化的元素,在磨損過程中試樣表面可形成致密的Cr2O3薄膜[7],起到了自潤(rùn)滑作用,從而降低了摩擦系數(shù),降低了磨損率。

        3.5 高溫抗氧化性能

        高溫抗氧化試驗(yàn)方法按HB5258-2000[8]執(zhí)行,選擇長(zhǎng)50 mm、寬15 mm、厚度2.5 mm的板狀試樣,氧化溫度在620℃高溫氧化100 h。

        圖7是620℃條件下基體試樣和滲鉻試樣100 h內(nèi)氧化增重曲線。在高溫氧化試驗(yàn)初期,基體和滲層試樣氧化速率均高于試驗(yàn)后期的氧化速率,說明基體和滲層試樣在氧化過程中能夠形成具有保護(hù)性的氧化物薄膜,這種薄膜可以抑制氧化從而降低氧化速度。但是通過圖7明顯看出620℃條件下,滲層試樣氧化增重明顯小于基體試樣,根據(jù)HB5258-2000中鋼和合金抗氧化性級(jí)別評(píng)定方法,620℃溫度下,基體和滲層試樣的抗氧化速率分別是 0.014 6 g/(m2·h) 和 0.003 1 g/(m2·h), 都屬于完全抗氧化級(jí)別,但基體氧化速率是滲層的4倍左右。

        圖7 620℃條件下基體試樣和滲鉻試樣100 h內(nèi)氧化增重曲線

        3.6 電化學(xué)腐蝕

        利用CHI-660C電化學(xué)工作站對(duì)基體和滲層進(jìn)行Tafel曲線測(cè)試和陽(yáng)極極化曲線測(cè)試。測(cè)試條件:電解液為3.5%NaCl溶液,工作電極為基體表面和滲層表面,測(cè)試面積為0.502 cm2,輔助電極為Pt電極,參比電極為飽和甘汞電極,極化電位由負(fù)向向正向移動(dòng)。

        上述條件下,基體和滲層室溫下的Tafel測(cè)試結(jié)果如圖8所示。根據(jù)軟件自帶功能對(duì)曲線擬合得出,基體和滲層在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電流分別為1.758×10-5A和2.119×10-6A,基體自腐蝕電流高出滲層自腐蝕電流一個(gè)數(shù)量級(jí),說明滲層耐蝕性明顯高于基體。

        圖8 基體和滲層試樣在3.5%NaCl溶液中Tafel曲線

        相同實(shí)驗(yàn)條件下,基體和滲層室溫下的陽(yáng)極極化曲線如圖9所示,一般取1 mA電流對(duì)應(yīng)的電位為金屬的溶解電位,從圖9中得出,基體和滲層在3.5%NaCl溶液中的溶解電位分別是0.074 V和0.575 V,滲層溶解電位比基體高0.501 V,說明滲鉻后滲層耐蝕性明顯提高。

        圖9 基體和滲層試樣在3.5%NaCl溶液中陽(yáng)極極化曲線

        陽(yáng)極極化試驗(yàn)后,清理掉表面腐蝕產(chǎn)物,基體和滲層試樣表面腐蝕形貌如圖10所示。在相同電位范圍內(nèi),基體工作面積的腐蝕嚴(yán)重,超過90%的工作面積都被腐蝕且腐蝕深度較深,而滲層試樣工作面積內(nèi)只有若干腐蝕點(diǎn)坑出現(xiàn),且腐蝕深度較淺,通過腐蝕形貌對(duì)比,滲層耐蝕性優(yōu)于基體。

        圖10 基體和滲層試樣在3.5%NaCl溶液中陽(yáng)極極化曲線

        4 生產(chǎn)應(yīng)用

        該滲鉻技術(shù)已成功用于汽輪機(jī)平衡環(huán)罩螺母滲鉻的生產(chǎn),圖11是內(nèi)六角罩螺母滲鉻后的實(shí)物圖,滲鉻后的螺母外表面呈銀灰色,顏色均勻,無剝落、裂紋等缺陷。

        圖11 內(nèi)六角罩螺母滲鉻實(shí)物圖

        5 結(jié)論

        (1)1Cr11MoNiW1VNbN不銹鋼經(jīng)過硼砂鹽浴滲鉻處理后,滲層組織主要由白亮化合物層Cr23C6組成,滲層厚度約3 μm,局部次外層區(qū)域有少量Fe-Cr固溶體,滲層總厚度可達(dá)10 μm。

        (2)滲鉻及熱處理后1Cr11MoNiW1VNbN材料表面硬度由400 HV左右提高到1 690 HV左右,同時(shí)摩擦磨損試驗(yàn)表明,滲層相對(duì)基體摩擦系數(shù)降低,耐磨性明顯提高。

        (3)滲鉻及熱處理后1Cr11MoNiW1VNbN材料的高溫抗氧化性能提高,同時(shí)電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明,滲層具有比基體更低的自腐蝕電流和更高的溶解電位,其耐腐蝕性明顯提高。

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