馬 越

（中國石化勝利油田分公司 海洋采油廠 山東東營 257237）

離心式渣漿泵廣泛用于采礦、水泥、陶瓷、發(fā)電、化學(xué)加工行業(yè)中的固體運(yùn)輸，在石油化工和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。大量的研究致力于提高泵在各種運(yùn)行條件下的性能，例如，泵的最佳設(shè)計[1-2]在研究中使用數(shù)值和實驗方法研究了不同工況下泵的水力性能，探討了泵在啟動或關(guān)閉期間的瞬態(tài)性能[3]。一些研究討論了轉(zhuǎn)速對泵性能的影響，例如，文獻(xiàn)[4]研究了轉(zhuǎn)速對泵性能的影響。文中提出，轉(zhuǎn)速是設(shè)計和使用全金屬螺桿泵的主要參數(shù)。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了外部特性實驗，并對葉輪開著的離心泵在啟動過程中的內(nèi)部流量進(jìn)行了數(shù)值計算。

在過去的幾十年中，應(yīng)用硬質(zhì)表面涂層來提高泵內(nèi)部構(gòu)件的耐粘著性和磨蝕性的能力得到了重大的發(fā)展。泵工業(yè)中使用的表面硬化處理通常分為兩類，擴(kuò)散涂層和覆蓋涂層[6-7]。由于相對低的厚度和微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，第一類在泵行業(yè)中并未得到廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)散涂層通常使用間隙元素（例如碳，氮和硼）在高溫下的特殊氣氛中與賤金屬相互作用而施加。由于它們侵入母體金屬晶格，對母材的附著力強(qiáng)得多。它們的高異質(zhì)性，擴(kuò)散涂覆工藝之后的任何機(jī)加工操作都可能導(dǎo)致完全或部分去除最硬的外層。人們也普遍認(rèn)為，不應(yīng)該在不銹鋼零件上使用擴(kuò)散涂層。普通碳素鋼和低合金鋼是擴(kuò)散涂層應(yīng)用的最佳選擇。不銹鋼涂層可能會由于碳化鉻的沉淀而導(dǎo)致從固溶體中除去鉻，從而導(dǎo)致基材的耐腐蝕性下降。擴(kuò)散涂層的應(yīng)用需要充分了解基礎(chǔ)金屬與涂層之間的相互作用，因為涂層間隙原子的高熱遷移率會顯著降低基礎(chǔ)合金的表面機(jī)械性能。與擴(kuò)散涂層不同，覆蓋涂層的應(yīng)用需要外部熱源和粉末，主要工藝是氣相沉積、等離子和熱火焰噴涂、熔覆和電鍍。與擴(kuò)散涂層相比，這些技術(shù)的主要優(yōu)勢在于不會出現(xiàn)基材材料變形和相變的現(xiàn)象。通常，這些涂層的厚度可達(dá)到1.0 mm。但是，大多數(shù)熱噴涂技術(shù)都是針對可見區(qū)域，不適用于難以進(jìn)入的區(qū)域，例如葉輪或擴(kuò)散器通道[7-9]?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）和熔覆可以克服此限制。有報道稱化學(xué)氣相沉積（CVD）硼化已經(jīng)成功應(yīng)用于葉輪通道。在過去的幾十年中[9-11]，熱噴涂層作為提高泵的內(nèi)部耐磨性的一種手段經(jīng)歷了幾個發(fā)展過程。這些涂層在其發(fā)展的早期階段廣泛應(yīng)用的限制因素之一是涂層與賤金屬之間的粘結(jié)不足。早期涂層的密度不足，結(jié)合不牢，常常會由于物理脫離、分層或破裂而導(dǎo)致過早失效。離心式渣漿泵的磨損原因也是眾多科研工作者研究的重點，以減少對設(shè)備造成的危害[12-14]。

在這項研究中，針對圖1所示離心泵殼體在使用過程中出現(xiàn)的磨損情況，對HT200、硬質(zhì)合金和CVD涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了全面研究。測試了三種類型的試樣的宏觀和微觀硬度。然后，在室溫和熱擠壓溫度下都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的銷盤摩擦試驗。非接觸式表面輪廓儀用于檢查磨痕的橫截面輪廓和磨損率。最后，對材料的磨損軌跡進(jìn)行了 SEM 觀察，并提出了材料的磨損機(jī)理。

圖1 離心泵殼體表面磨損圖

1 實驗步驟

1.1 材料和試樣

摩擦和磨損實驗使用了三種不同的材料，即HT200、硬質(zhì)合金YG8和CVD涂層。試樣被制成直徑為Φ30 mm、厚度為5 mm的平盤。對摩摩擦試樣是由高鉻鑄鐵（葉輪材料）制成的平頭圓柱銷（Φ 5 mm，長16 mm）。

帶有涂層的 HT200的樣品通過化學(xué)氣相沉積工藝制備。在沉積之前，通過用等離子電壓控制的能量為1200～2000 eV的Ar離子束進(jìn)行濺射，將HT200圓盤和濺射靶進(jìn)一步清洗20min，沉積壓力為0.9Pa。涂層的主要成分是TiN。

為了比較樣品的基本硬度，進(jìn)行了宏觀和微觀硬度測試。用金屬洛氏硬度計HR-150DT測試宏觀硬度。表1給出了試樣的宏觀硬度值。能夠顯示涂層硬度分布的顯微硬度測試是通過納米壓痕法，使用由納米機(jī)械測試儀器 Hysitron Ti 950 TriboIndenter（美國生產(chǎn)）進(jìn)行。納米壓痕硬度的測量結(jié)果示于表1。

表1 硬度測試結(jié)果

如表1所示，多層涂層的顯微硬度從外到內(nèi)逐漸減小，并且與硬質(zhì)合金YG8和HT200相比，多層涂層的最外層顯微硬度非常高，這表明 CVD涂層的耐磨性優(yōu)于HT200模具和硬質(zhì)合金。

1.2 測試設(shè)備

本研究中使用的設(shè)備是銷盤式摩擦磨損測試儀。該摩擦磨損測試儀配有電磁驅(qū)動器，可以使下部試樣在正常載荷下旋轉(zhuǎn)靠在固定的上部測試樣品上。選定的法向載荷按標(biāo)準(zhǔn)重量施加。內(nèi)壁裝有加熱器，該加熱器能夠在選定的溫度下調(diào)節(jié)測試盤。摩擦磨損摩擦計配有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，可以控制和監(jiān)視所施加的負(fù)載、溫度、摩擦半徑和電動機(jī)速度。

1.3 測試過程

基于離心泵工業(yè)應(yīng)用中典型的測試參數(shù)為：負(fù)載為30N，摩擦半徑為Φ5 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速為380 r /min（相應(yīng)的滑動速度為31.7 mm / s，其接近葉片速度）。所有樣本的測試持續(xù)時間為1800 s，對應(yīng)于358m的滑動距離。測試分別在室溫和200℃下進(jìn)行。在測試之前，所有的圓盤和銷釘都在乙醇中超聲清洗300s。測試從內(nèi)壁加熱到所需溫度開始。在加熱過程中，下部試樣（圓盤）以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并且打開摩擦磨損測試儀的冷卻水系統(tǒng)，以防止機(jī)器過熱。此外，在加熱過程中，上部銷釘試樣與圓盤保持分離。在圓盤達(dá)到測試溫度之后，使銷釘與圓盤接觸，然后施加載荷，并進(jìn)行測試。

測試后，將每個樣品在乙醇中超聲清洗300 s。然后，分別使用由美國Zygo生產(chǎn)的Zegage光學(xué)表面輪廓儀測量盤的磨損量和掃描電子顯微鏡觀察其表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖2顯示了在兩個不同溫度下對三個不同樣品進(jìn)行銷-盤摩擦試驗的結(jié)果。所有三個樣品在短暫的磨合階段后進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。200℃時曲線的變化幅度大于室溫時的變化幅度，表明高溫下摩擦副的接觸條件變差。摩擦因數(shù)的平均值在表2中列出。如表2所示，在室溫和200℃下，最小摩擦因數(shù)分別為硬質(zhì)合金YG8和HT200的。隨著溫度的升高，硬質(zhì)合金YG8的摩擦因數(shù)增加，而HT200的摩擦因數(shù)則隨著溫度的升高而降低。從高溫下的樣品的SEM照片可以看出，氧化膜附著在HT200的表面，而硬質(zhì)合金YG8的表面沒有（圖7(a)和7(b)）。摩擦氧化現(xiàn)象在較高的溫度下出現(xiàn)，其影響程度隨測試溫度的升高而增加。摩擦氧化膜能夠分離接觸表面，減小接觸的實際面積并充當(dāng)潤滑劑。盡管高溫下在 CVD涂層的表面上沒有形成氧化膜，但是在涂層的表面上存在少量的氧化物顆粒。由于氧化物顆粒的存在和 CVD涂層的高表面硬度，摩擦銷釘與涂層表面之間的摩擦類型在氧化物顆粒的作用下從滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。因此，高溫下的CVD涂層的摩擦因數(shù)低于室溫下的摩擦因數(shù)。盡管HT200在200℃時的摩擦因數(shù)小于CVD涂層的摩擦因數(shù)，但HT200的磨損率過高。

圖2 摩擦因數(shù)隨時間變化

表2 摩擦因數(shù)值

2.2 磨損率

采用非接觸式表面輪廓儀（Zegage光學(xué)表面輪廓儀，美國）來生成高分辨率圖像和磨損痕跡的橫截面輪廓。圖3和圖4分別顯示了在室溫和200℃進(jìn)行銷盤試驗后，盤表面的磨損軌跡輪廓。體積損失可以根據(jù)橫截面輪廓和摩擦半徑來獲得。即可以通過等式（1）計算樣品的磨損率：

圖3 室溫摩擦測試后圓盤表面的磨損軌跡曲線

圖4 圓盤表面摩擦測試在200℃下的磨損軌跡曲線

其中V（mm3）是體積磨損量，F(xiàn)是施加的法向載荷，而s是滑動距離。

這三個樣品的磨損率值如圖5所示?？梢郧宄赜^察到，室溫和 200℃時耐磨性的最佳材料分別是硬質(zhì)合金YG8和CVD涂層。這三個樣品在200℃下的磨損率高于在室溫下的磨損率。高溫下摩擦副的表面接觸狀態(tài)變差可能是造成這種現(xiàn)象的原因。

圖5 圓盤在室溫和200℃下的磨損率

HT200在200℃時的耐磨性較差。這可能是因為HT200的耐磨性與其抗斷裂性有關(guān)，并且在滑動過程中裂紋很容易沿碳化物顆粒萌生并擴(kuò)展，從而加速了斷裂并導(dǎo)致更高的磨損率。此外，在高溫下，摩擦熱導(dǎo)致磨損表面上的溫度急劇升高，從而軟化了氧化層下方的HT200。因此，下層的HT200無法支撐氧化層，并導(dǎo)致氧化層的分層加速，從而導(dǎo)致HT200的磨損率更高。相反，多層CVD涂層在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性，并且在高溫和室溫之間表現(xiàn)出較小的耐磨性差異。造成這種現(xiàn)象的主要原因是多層 CVD涂層結(jié)合了不同的涂層系統(tǒng)，從而在磨損率、粘結(jié)性、硬度和熱穩(wěn)定性方面獲得了最佳效果。

2.3 磨損機(jī)理

為進(jìn)一步了解HT200、硬質(zhì)合金YG8和CVD涂層在各種測試條件下的磨損機(jī)理，進(jìn)行了一系列SEM觀察。觀察到由于摩擦引起的表面破壞的程度隨位置而變化。這可能是由于硬度的變化，使試樣在表面?zhèn)鬟f的動能發(fā)生了變化。材料損失較少會出現(xiàn)樣品的SEM圖像上的犁痕和劃痕。圖6(a)顯示了在室溫和在 30N載荷下 HT200的磨損表面的SEM圖像。在鑄造狀態(tài)下，材料的去除主要是通過淺耕和隨后的微裂縫，盡管其具有類似的硬度和較高的基體顯微硬度，在磨損表面上發(fā)現(xiàn)了大量不同尺寸的顆粒，并且HT200的磨損表面還具有小剝落坑和微細(xì)溝槽的特征。隨著金屬從樣品表面脫離，它被迅速氧化形成硬質(zhì)氧化物顆粒。由于氧化物顆粒的硬度遠(yuǎn)高于樣品表面的硬度，因此在壓力下氧化物顆粒會穿透樣品的表面并產(chǎn)生塑性變形，從而在銷釘和圓盤滑動時形成凹槽和凹坑。相對而言，這與磨料磨損的特性是一致的。因此，HT200在室溫下的磨損機(jī)理主要是磨料磨損。硬質(zhì)合金 YG8的磨損表面（圖6(b)）還顯示出一些具有不同尺寸凹坑和細(xì)小凹槽的顆粒。因此，硬質(zhì)合金YG8的磨損機(jī)理也受室溫下的磨料磨損主導(dǎo)。

從圖6(c)中，可以觀察到CVD涂層的磨損表面形態(tài)呈現(xiàn)出輕微的分層和少量的磨損碎屑。此外，磨損痕跡還具有輕微的凹槽和剝落坑。由于 CVD涂層的高硬度，因此在測試過程中 CVD涂層脫落的可能性較小。而且，由于 CVD涂層的硬度高于剝落的氧化物的硬度，因此氧化物顆粒不能穿透涂層而產(chǎn)生塑性變形。下落的氧化物顆粒與銷釘和樣品表面之間存在滑動摩擦。這些現(xiàn)象與疲勞磨損的特征非常吻合，疲勞磨損是在一定次數(shù)的循環(huán)后，去除接觸表面上的點蝕、淺或深剝離等材料的過程。因此，對于室溫下的 CVD涂層，磨損機(jī)理是疲勞磨損。

圖6 室溫下摩擦測試后圓盤表面磨損軌跡的SEM顯微照片

HT200在200℃下滑動后的磨損表面的SEM圖像如圖7(a)所示。從圖7(a)可以明顯看出，不連續(xù)的氧化膜粘附在樣品表面，在磨損的表面上也發(fā)現(xiàn)了細(xì)微的凹槽，這表明在磨損過程中存在撕裂和分離。與室溫相比，由于溫度升高，HT200樣品的表面變軟，硬度降低。因此，在相同壓力下，將比在室溫下更深地壓入HT200樣品中。在負(fù)載和電機(jī)驅(qū)動的共同作用下，摩擦銷釘更易于去除HT200樣品表面的物質(zhì)。這種現(xiàn)象可以通過高溫下HT200樣品的高磨損率來解釋（圖5）。在高溫氣氛下，分離的材料容易在樣品表面上形成氧化膜和氧化物顆粒。吸附在樣品表面上形成的氧化膜起潤滑作用，這可以從室溫和高溫下的平均摩擦因數(shù)來說明，而高溫下的摩擦因數(shù)則較低（表2）。在摩擦銷釘壓力和電機(jī)驅(qū)動力的共同作用下，氧化物顆粒在樣品表面形成凹槽。在加載壓力下，氧化物顆粒在試樣的軟化表面上引起塑性變形。此外，在電動機(jī)的驅(qū)動下，氧化物顆粒相對于樣品表面滑動。因此，在樣品表面上形成許多凹槽。綜合以上分析，HT200在200℃的磨損機(jī)理為粘著磨損。

圖7(b)清楚地表明，在硬質(zhì)合金YG8的磨損表面上出現(xiàn)了花紋形狀，并且發(fā)現(xiàn)樹枝狀裂紋，這意味著在高溫下摩擦副的接觸條件會變差，并且由圖6也證明，硬質(zhì)合金YG8在高溫下的摩擦因數(shù)最大。磨損的表面上還會出現(xiàn)輕微的凹槽和少量碎屑。盡管硬質(zhì)合金YG8具有高硬度和良好的耐磨性，但是韌性差，并且當(dāng)其在高溫下承受沖擊載荷時，硬質(zhì)合金YG8易于脆性斷裂，這是由于摩擦磨損測試是摩擦銷釘和試樣之間的高速相對滑動，因此在測試過程中不可避免地要避免輕微的振動。這種現(xiàn)象是合理的，因為在實際的工作過程中還存在輕微的振動。在輕微振動的作用下，摩擦銷釘將在樣品表面產(chǎn)生輕微的沖擊載荷，從而導(dǎo)致硬質(zhì)合金 YG8表面發(fā)生脆性斷裂，并產(chǎn)生花紋形狀。在負(fù)載和電動機(jī)驅(qū)動的共同作用下，由樣品的脆性斷裂產(chǎn)生的碎屑在樣品表面上形成凹槽。因此，基于以上分析，試樣表面的形狀與磨損機(jī)理無關(guān)，而硬質(zhì)合金YG8在200℃的磨損過程受磨粒磨損機(jī)理控制。

圖7(c)顯示了在200℃摩擦測試后CVD涂層的磨損表面顯微照片。CVD涂層樣品的表面幾乎沒有磨損，并且比HT200和硬質(zhì)合金YG8的磨損表面光滑得多。它遭受的磨損要小得多，只有少量碎屑和凹坑隨機(jī)散布在表面上。在涂層結(jié)構(gòu)中，最硬的涂層是最外層，多層涂層的顯微硬度從外到內(nèi)逐漸減小。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于最硬的最外層涂層為樣品提供了出色的耐磨性。CVD涂層的磨損表面顯微照片顯示出很小的磨損損傷，表明當(dāng) CVD涂層的硬度與磨料顆粒相當(dāng)或相對更高，CVD涂層的硬度是耐磨性的關(guān)鍵因素。涂層結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，在最外層涂層和基體之間存在硬度過渡，這增強(qiáng)了涂層和基體之間的粘合性。涂層樣品的掃描電子顯微照片顯示涂層沒有從基材上掉下來，表明涂層和基材之間具有良好的粘合性。由于涂層樣品的高硬度和良好的附著力，發(fā)生磨料磨損和粘合劑磨損的可能性非常低。涂層表面的點蝕可能是由于疲勞磨損引起的。因此，CVD涂層在200℃的磨損機(jī)理為疲勞磨損。

圖7 在200℃摩擦測試后，圓盤表面磨損軌跡的SEM顯微照片

4 結(jié)語

本文研究了HT200、硬質(zhì)合金YG8和CVD涂層在不同測試溫度下在高鉻鑄鐵上滑動的摩擦學(xué)性能，測試條件與離心泵工作條件接近，得出以下結(jié)論：

（1）HT200的硬度最低，并且由于熱軟化而進(jìn)一步被削弱。它遭受最嚴(yán)重的磨損破壞，這表明傳統(tǒng)的泵體材料需要改進(jìn)。

（2）室溫下CVD涂層和HT200試樣的摩擦因數(shù)小，而硬質(zhì)合金YG8則與這種趨勢相反，硬質(zhì)合金YG8的耐磨性較高。

（3）硬質(zhì)合金YG8在室溫下具有最佳的耐磨性和減摩性能，而 CVD涂層樣品在高溫下具有最佳的耐磨性。

（4）HT200、硬質(zhì)合金 YG8和 CVD涂層在200℃下的磨損機(jī)理分別為粘附磨損，磨料磨損和疲勞磨損。

（5）考慮到泵體使用壽命對應(yīng)于最小的摩擦因數(shù)和磨損率的值，CVD涂層更適合于泵體材料。這歸因于 CVD涂層具有硬度、附著力、耐化學(xué)性和熱穩(wěn)定性的最佳組合。