【摘 要】
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导热性能良好的紫铜贯流式水冷风口小套是炼铁高炉的重要部件,其作用是向高炉内吹送热风和喷煤。由于高温环境下前端高速回旋焦炭和内腔高速喷吹煤粉的磨损,紫铜风口小套易被磨坏漏水,服役寿命大大缩短。频繁地休风更换风口小套,给高炉稳产和高产带来了严重的不利影响。提高紫铜风口小套的耐磨性、延长其服役寿命是迫待解决的关键问题。熔覆防护层是提高铜表面耐磨性能的有效途径。本文提出在紫铜基体表面等离子熔覆WC增强Co
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会-中国宝武钢铁集团有限公司钢铁联合研究基金资助重点项目:高炉风口小套防护覆层的界面调控机制与服役强化实践（U1860203）；
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导热性能良好的紫铜贯流式水冷风口小套是炼铁高炉的重要部件,其作用是向高炉内吹送热风和喷煤。由于高温环境下前端高速回旋焦炭和内腔高速喷吹煤粉的磨损,紫铜风口小套易被磨坏漏水,服役寿命大大缩短。频繁地休风更换风口小套,给高炉稳产和高产带来了严重的不利影响。提高紫铜风口小套的耐磨性、延长其服役寿命是迫待解决的关键问题。熔覆防护层是提高铜表面耐磨性能的有效途径。本文提出在紫铜基体表面等离子熔覆WC增强Co基合金防护层,对等离子熔覆制备工艺进行了优化,系统研究了WC增强相对紫铜表面Co基合金（Stellite 6合金）覆层的宏观形貌、微观结构、物相组成、硬度、稳定性（抗高温氧化性）和耐磨性等的影响作用规律,并探究了热处理对等离子熔覆快速凝固形成的防护层的组织和性能影响,旨在为紫铜风口小套的表面强化提供理论和技术基础。得到的主要结论如下:（1）基于块状紫铜基体表面等离子熔覆钴基复合覆层实验,得出的参数优化结果如下:熔覆电流140A;焊枪移动速度180mm/min;紫铜基体预热温度800℃;送粉量30g/min;离子气、送粉气、保护气分别为3L/min、3L/min、12L/min。（2）以Stellite 6合金粉末作为熔覆粉末,WC球形颗粒作为增强相,在紫铜表面熔覆了不同WC含量的覆层。使用优化工艺参数得到的WC-Co基覆层宏观形貌良好。纯Stellite 6覆层由富Co枝晶和富Cr、Co的枝晶间共晶构成,当WC含量为10%时,枝晶间共晶中M3W3C、M6W6C等碳化物相增加,枝晶的晶粒尺寸变小。WC含量由20%增大到40%时,碳化物相的尺寸增大。（3）随着WC质量分数由0%增加到40%,覆层的平均硬度由553.43HV0.1提高至954.64HV0.1。WC-Co基覆层氧化增重量大于纯Stellite 6覆层,含10%WC的覆层氧化增重最大,为纯Stellite 6覆层的2倍。WC-Co基覆层700℃的氧化生成物主要为Co WO4。（4）熔覆过程中Cu元素由熔池进入覆层,主要存在于富Co枝晶中,以固溶体的形式存在。当Cu含量超过5 at.%时发生偏析,在熔覆层内形成单质铜。WC含量越高,覆层内Cu的平均溶解度越低,越容易形成单质铜。由于铜基体高导热的特性,覆层初始凝固速率过大,导致覆层底部发生枝晶偏析,物相分布不均匀。热处理后,随着固态相变的进行,覆层物相由非平衡态变为平衡态,枝晶偏析被消除,出现了Co4W2C等新的碳化物相,覆层微观组织均匀化,碳化物相含量提高,覆层的硬度和耐磨性增加。（5）通过分析实验现象,总结出WC强化Co基合金层的作用机理如下:由于与Co基合金良好的润湿性,WC的添加对覆层的宏观形貌影响较小;WC与Co基合金生成了以M3W3C和M6W6C为主的高硬度中间产物,且WC含量越高,这些中间产物在覆层中的占比越大,并通过细晶强化、弥散强化等机制和中间产物的高硬度提高覆层的平均硬度;随着WC含量增加,高硬度中间产物使覆层室温下的磨损机制由粘着磨损转变磨粒磨损,从而提高了室温耐磨性;高温下WC-Co基覆层生成Co WO4氧化层,且WC含量越高,Co WO4生成量越低,氧化层致密程度越低,在高温磨损环境下越容易脱落;致密的Co WO4氧化层和氧化层剥落后裸露的WC颗粒具有一定的保护作用,提高了覆层的高温耐磨性。在600℃或更高温度下,含10%WC的覆层氧化程度最高,因此防护效果最好,600℃时耐磨性为纯Stellite 6覆层的1.4倍;在500℃或更低温度下,WC含量越高,高硬度中间产物含量越高,耐磨性越好。含40%WC的覆层防护效果最好,在常温、400℃和500℃的温度下耐磨性分别为纯Stellite 6覆层的3.7倍、4.4倍和2倍。等离子熔覆后紫铜基体高导热率引起的覆层枝晶偏析可以通过热处理消除,进一步提高性能。
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