超音速火焰噴涂制備雙峰W C-12Co涂層組織性能研究*

王 群 ,伍細斌,譚興龍,楊貴彬,唐智華,王孝建

(1.湖南大學 材料科學與工程學院,湖南長沙 410082;2.贛州章源鎢業新材料有限公司,江西贛州 341300; 3.上海梅山鋼鐵股份有限公司技術中心,江蘇南京 210039)

超音速火焰噴涂制備雙峰W C-12Co涂層組織性能研究*

王 群1?,伍細斌1,譚興龍2,楊貴彬2,唐智華2,王孝建3

(1.湖南大學 材料科學與工程學院,湖南長沙 410082;2.贛州章源鎢業新材料有限公司,江西贛州 341300; 3.上海梅山鋼鐵股份有限公司技術中心,江蘇南京 210039)

采用JP-8000型超音速火焰(HVOF)噴涂設備,在低碳鋼基體上制備了雙峰WC-12Co涂層,測試了涂層的結合強度、顯微硬度、氣孔率以及抗磨粒磨損性能.并利用XRD對噴涂粉末及涂層進行了相結構分析,用掃描電子顯微鏡對噴涂粉末、磨粒磨損后的涂層表面形貌進行了觀察.結果表明:在噴涂過程中,僅有很少量的WC粒子發生氧化脫碳,涂層的結合強度和顯微硬度高,組織結構致密.相對于316L不銹鋼,雙峰WC-12Co涂層具有優異的抗磨粒磨損性能.

超音速火焰噴涂;涂層;WC-12Co;磨粒磨損

據統計,接近一半的能源消耗于磨損,80%的零件失效于磨損,其中磨料磨損造成的損失在磨損失效中占到50%[1].目前表面工程技術在提高零件表面性能方面發揮著越來越重要的作用.熱噴涂技術作為一種新的表面防護和強化工藝得到了迅速的發展.采用熱噴涂金屬基陶瓷涂層覆蓋磨蝕表面,不僅可以恢復失效零件尺寸,而且還可以提高零件的使用壽命.

熱噴涂WC/Co(Cr)涂層作為耐磨涂層具有高的硬度和良好的韌性,被廣泛地應用于能源、航空航天、冶金、機械等領域[2-3].與普通火焰噴涂比較,超音速火焰噴涂(HVOF)具有較低的溫度和極高的焰流速度兩個重要特征,從而用HVOF工藝制備的碳化物涂層具有氧化脫碳少、氣孔率低、結合強度高等優點[2-4],特別適合用來制備WC/Co涂層.文獻[5]采用以煤油為燃料的國產噴槍制備了WC-12Co涂層,并研究了其耐磨損性能,發現該涂層相對于316L不銹鋼,具有非常優異的抗磨損性能.文獻[6]采用以丙烷為燃料的國產超音速噴槍制備了含有一定比例納米WC的多峰WC-12Co涂層,發現該涂層相對于普通微米WC-12Co涂層具有更好的抗磨粒磨損性能.本文采用進口JP8000型HVOF工藝制備了一種含有一定比例超細WC粒子的雙峰WC/Co涂層,并對其組織性能進行了研究.因為超細WC粉末制備的成本相對納米WC要低,并且噴涂脫碳氧化程度相對較低,所以,探討用超細WC代替納米WC來制備雙峰WC/Co粉末具有較大的應用價值和經濟效益.

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

噴涂材料為贛州章源鎢業新材料有限公司生產的新型雙峰WC-12Co粉末,該粉末的宏觀和微觀形貌如圖1所示。該粉末中WC顆粒呈雙峰分布(由超細的WC粒子和微米級的WC按一定比例混合),粉末團聚燒結后進行分篩,粒度控制在15～45 μm.

圖1 不同放大倍數下WC-12Co粉末的形貌Fig.1 The SEM m icrographs of WC-12Co feedstock pow ders at differentmagnification

由圖1(a)可以看出,該噴涂粉末球形度好;由圖1(b)單個粉末放大后的微觀形貌來看,該球形顆粒又是由一定比例不同尺寸的WC粒子和一些黏結相構成。噴涂試樣的基體材料為低碳鋼,磨粒磨損對比試樣的材料是316L不銹鋼.

1.2 涂層制備

采用Praxair公司最新的JP8000型HVOF設備進行噴涂,使用航空煤油作為燃料,氧氣作為助燃氣,氮氣作為送粉載氣.結合文獻[7-8]和以往的噴涂經驗,優化后的噴涂工藝參數如表1所示.

表1 WC-12Co涂層制備的工藝參數Tab.1 Spray parameters of WC-12Co coating

噴涂前,對試樣進行除銹、除油,然后采用240 μm(60目)剛玉進行粗化處理,涂層設計厚度約為0.35 mm,將待噴涂的試樣在特制的夾具上一次裝夾 、噴涂 .

1.3 相結構測試

用線切割加工出長、寬尺寸為10 mm×10 mm的帶有涂層的試樣,在SIEMENSD 5000型X射線衍射儀上對涂層進行相結構測試,陽極靶為Cu靶,管壓35 kV,管流30 mA,積分時間0.2 s,采樣間隔0.02 s[5].

1.4 結合強度測試

拉伸試樣尺寸為φ25 mm×30mm,試樣結合面采用E-7膠黏接后,固定在特制的夾具上,并一起放入電熱干燥箱中,在100℃下保溫3 h.采用計算機控制的 WDW-E200萬能電子拉伸實驗機,按照GBT8642-1988標準進行涂層的結合強度實驗[5].

1.5 顯微硬度測試

用線切割加工出尺寸長、寬尺寸分別為10mm ×14 mm的帶有涂層的試樣,經過鑲嵌、初磨和拋光,然后用沃伯特401 MVA型顯微硬度計測試涂層截面上有代表性10個點的顯微硬度,實驗載荷為300 g,壓力保持時間為10 s[5].

1.6 磨粒磨損性能測試

磨粒磨損試樣長、寬尺寸分別為 56 mm×25 mm,采用濕砂橡膠輪M LS-225型磨粒磨損實驗機,磨料采用20～40目破碎篩分得到的石英砂1 500 g和1 000 g自來水混合而成,橡膠輪的轉速為 240 r/m in,載荷為100 N.用帶有涂層的試樣和不帶涂層316L分別作對比實驗.預磨500 r,正式磨3輪,每輪磨3 000 r,共計9 500 r.將每次磨損后試樣洗凈、烘干后用精度為0.1m g的FA 1004型電子分析天平稱質量,計算出磨損質量[5].

2 實驗結果及分析

2.1 物相分析

雙峰WC-12Co粉末及涂層的X射線衍射圖如圖2所示.

圖2 WC-12Co粉末和涂層XRD衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of WC-12Co pow der and coating

通過對比噴涂前后粉末和涂層相結構的變化可以發現:涂層中除了新增了衍射強度較弱的W2 C相外,其余的相與原始粉末的物相基本一致,比文獻[5]報道的WC分解更少,這說明采用JP8000型噴涂設備特別適合制備這種雙峰WC-12Co涂層,涂層中只有很少部分WC顆粒發生輕微的氧化脫碳的現象,原始粉末中的WC硬質相很好地沉積到涂層中.

2.2 涂層截面的形貌

圖3是涂層與基體的結合界面金相照片.

圖3 涂層截面金相照片Fig.3 SEM of cross-section of WC-12Co coating

由圖 3可以看出,使用 HVOF制備的 WC-12Co涂層孔隙率較低,結構致密,涂層無明顯層狀結構,采用對涂層的金相照片采用“灰度法”測量的涂層孔隙率平均值小于0.5%.另外,還可以看到,涂層與基體之間結合緊密,這是由于噴涂粒子在到達基體時具有很高的動能,對基體的撞擊作用強的緣故.

2.3 力學性能

2.3.1 結合強度

涂層拉斷時的抗拉強度最低為61.3 MPa,斷裂方式均是膠接面.實際涂層的結合強度要高于這個值,說明該涂層具有較高的結合強度.采用高強度膠黏接涂層,測試抗拉強度,最后實測的結果與很多因素有關,如涂層和對接試樣的表面粗糙度、黏接和固化的工藝以及拉伸條件等,若涂層與基體的結合強度較高,則采用這種方法很難準確地測出其實際結合強度.

2.3.2 涂層顯微硬度

雙峰WC-12Co涂層顯微硬度的均值 HV0.3= 1 314.1,當采用超音速噴涂時,雙峰粉末中大部分的WC粒子沉積到涂層中,高含量的WC比例保證了涂層具有高的硬度.

2.4 磨粒磨損實驗

分別對WC-12Co涂層和316L不銹鋼進行了磨粒磨損實驗,2種試樣磨損失重曲線如圖4所示.可以看出,2種材料的磨損失重都隨著磨程的增加而增加,相對于316L不銹鋼試樣,雙峰WC-12Co涂層具有優異的抗磨粒磨損性能.

圖4 WC-12Co涂層與316L不銹鋼的磨損失重Fig.4 Themass wear loss o f the WC-12Co coating in comparison with 316L stainless steel

經磨粒磨損9 500 r涂層表面的磨損形貌如圖5所示.

圖5 涂層磨損區域表面形貌Fig.5 Abrasion surfacemicrograph of the coating

由圖5(a)可知,涂層被磨損的涂層表面較平整,沒有明顯的犁溝和大的凹坑,這說明涂層在磨粒磨損過程中,未出現大塊脆性剝落現象,涂層主要以均勻磨耗磨損為主.

由圖5(b)可知,被磨損的WC粒子表面平整,部分WC粒子與周圍的黏結相開始發生剝離(如標記為A的WC粒子),有些WC粒子開始出現裂紋即將發生破裂(如標記為B的WC粒子),還有些WC粒子脫離黏結相(如標記為C的區域).通過這些典型的形貌并結合文獻[5,9-10],可以看出雙峰WC/Co涂層的微觀磨粒磨損基理與普通微米和亞微米WC/Co涂層存在相似的地方,即在磨損過程中,首先是涂層中的黏結相Co被切削和擠壓,隨著磨損過程的不斷進行,黏結相被切除掉,突出的WC粒子在磨粒的撞擊與滾壓的反復作用下發生疲勞破碎.隨著磨損的持續,WC粒子開始與黏結相發生剝離,最后脫離黏結相.但是,相對于文獻[6,9],雙峰涂層的磨損表面相對比較平整,與文獻[6]報道的含有納米WC的多峰涂層具有類似的磨損形貌,表現出明顯的均勻的磨耗磨損的形式,這是由于雙峰涂層特有的WC粒子的粒度分布決定的.在雙峰涂層中的粗、細搭配的WC粒子的緊湊排列,減小了涂層中Co黏結劑的名義自由路徑(使得黏結相分布更加均勻),有效地減輕了外界大顆粒磨粒(SiO2)對涂層中黏結相的切削作用,同時也使磨粒與WC在相互作用過程中也發生破碎和棱角變鈍現象(SiO2磨粒的硬度高于Co基體而低于WC粒子),進一步降低了磨粒對涂層的切削作用.這樣在磨粒磨損的過程中相對于其他微米WC/Co涂層,均勻的磨耗磨損的形式是雙峰WC/Co涂層的主要磨損形式. 316L不銹鋼基體是奧氏體,硬度較低,同時又因為基體中缺乏高硬度的硬質相,使得其抗磨粒磨損性能很差,其相應的磨損基理以切屑犁溝為主[5].WC-12Co涂層相對于316L不銹鋼表現出優異的抗磨粒磨損性能.

3 結 論

1)采用HVOF工藝制備了致密的新型雙峰WC-12Co涂層,在噴涂過程中僅少量的WC發生了氧化分解.

2)雙峰WC-12Co涂層力學性能優異,結合強度在61.3 MPa以上,平均值顯微硬度為1 314.1,氣孔率小于0.5%.

3)相對于316L不銹鋼,雙峰WC-12Co涂層具有十分優良的耐磨粒磨損性能,其主要的磨粒磨損形式為均勻的磨耗磨損.

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M icrostructure and Performance Study of M ultimodal WC-12Co Coatings Deposited by HVOF Spraying

WANG Qun1?,WU Xi-bing1,TAN Xing-long2,YANGGui-bin2,TANG Zhi-hua2,WANG Xiao-jian3

(1.College ofMaterials Science and Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China;
2.Ganzhou Zhangyuan Tungsten New Materials Co,Ltd,Ganzhou,Jiangxi 341300,China;
3.Technology Center,BaosteelMeishan Iron&SteelCo,Ltd,Nanjing,Jiangsu 210039,China)

M ultimodalWC-12Co coatingw as deposited on low carbon steel substrate by using JP-8000 HVOF spraying system.The properties of bond strength,m icrohardness,porosity and abrasive wear of the coating were investigated.Thephasesof the feedstock pow der and the coating were analyzed by XRD. The characterizations o f sp raying feedstock pow der,microstructure and surface micrograph wear surfaces were analyzed by SEM.The resultshave indicated that theWC doesnot decompose obviously during spraying and the coating exhibits high bond strength,m icrohardness and com pact structure.Com pared w ith the 316L stainless steel,multimodalWC-12Co coating exhibitsexcellent abrasivewear resistance.

high velocityoxy-fuel(HVOF);coatings;WC-12Co;abrasivewear

TG174.442

A

1674-2974(2011)01-0049-04 *

2010-04-20

贛州章源鎢業新材料有限公司資助項目(2010.2)

王 群(1972-),男,安徽郎溪人,湖南大學副教授

?通訊聯系人,E-mail:w angqun72@163.com