超音速火焰噴涂碳化鎢–鈷鉻涂層替代電鍍硬鉻的研究

宋進兵，劉敏，鄧春明

（廣東省工業技術研究院，廣東 廣州 510650）

超音速火焰噴涂碳化鎢–鈷鉻涂層替代電鍍硬鉻的研究

宋進兵*，劉敏，鄧春明

（廣東省工業技術研究院，廣東 廣州 510650）

采用超音速火焰噴涂(HVOF)工藝在300M鋼基體上制備了 WC–CoCr涂層，研究了其顯微結構、顯微硬度、相組成、耐磨性和耐蝕性，并與300M鋼電鍍硬鉻試樣進行了性能對比。研究結果表明，HVOF工藝制備的WC–CoCr涂層性能優良，耐磨性和耐蝕性優于電鍍硬鉻鍍層，可以替代電鍍硬鉻作為耐磨涂層使用。

碳化鎢–鈷鉻涂層；超音速火焰噴涂；電鍍硬鉻；耐磨性；耐蝕性

1 前言

電鍍硬鉻作為一種傳統的表面電鍍技術，應用歷史已超過60 a。電鍍硬鉻層硬度較高，有一定的耐磨性和耐蝕性，工藝比較簡單，成本較低。因此，電鍍硬鉻作為耐磨耐蝕鍍層的應用非常廣泛。但是，電鍍硬鉻過程對環境有嚴重污染，國家對電鍍硬鉻的排放標準越來越嚴格[1]，處理電鍍硬鉻的三廢排放成本也越來越高。此外，電鍍硬鉻本身還存在其他一些缺點，如耐磨性和耐蝕性無法滿足越來越高的使用要求、存在氫脆問題等，其應用受到很大的限制。研究工作者一直努力尋找能替代電鍍硬鉻的涂層工藝，包括物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)、激光涂層技術和熱噴涂技術等。這些技術中，超音速火焰噴涂(即High Velocity Oxy-Fuel Spraying，簡稱HVOF)工藝已被證明為替代電鍍硬鉻的優選工藝之一，在航空、機械等許多領域得到了成功的應用[2-3]。

本文研究了HVOF工藝制備的WC–CoCr涂層的性能，并與電鍍硬鉻進行了性能對比。

2 實驗

2. 1 試樣處理

所有試樣均為 300M超高強度鋼，熱處理后的強度≥1 860 MPa。試樣表面經丙酮除油后，再用54#白剛玉砂以約0.45 MPa壓力進行噴砂處理，噴砂角度為90°，處理后試樣表面粗糙度Ra= 3.0 ～ 3.8 μm。

2. 2 噴涂WC–CoCr涂層

碳化鎢涂層的制備采用Sulzer Metco公司的團聚/燒結WC–CoCr粉末，粒度為5 ～ 30 μm，牌號為5847。涂層制備采用 Sulzer Metco公司的 WokaStar 600型HVOF噴涂系統，噴涂參數如下：航空煤油18 L/h，氧氣720 L/min，氮氣9 L/min，送粉量72 g/min，噴槍移動速率1 000 mm/s，噴距380 mm。涂層噴涂后用金剛石砂輪磨削到75 μm左右，再拋光到表面粗糙度Ra＜ 0.4 μm。

2. 3 電鍍硬鉻

電鍍硬鉻試樣的基體材料也是 300M鋼，由中航飛機起落架有限責任公司進行電鍍硬鉻處理，鍍層厚度60 ～ 80 μm。電鍍后，鍍層拋光到粗糙度Ra＜0.4 μm。

2. 4 性能表征

采用日本電子的JSM 5910型掃描電鏡觀察涂層和鍍層的微觀形貌與基體的界面狀況以及缺陷。通過徠卡 Q550 MW型圖像分析軟件測定涂層和鍍層的孔隙率。用上海恒一 MH-5型顯微硬度計測定涂層和鍍層的顯微硬度，所用載荷為300 g，載荷保持時間為15 s。采用日本理學D/max-IIIA型X射線衍射儀分析涂層的相結構。根據GB/T 12967.2–2008《鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測方法 第2部分：用輪式磨損試驗儀測定陽極氧化膜的耐磨性和耐磨系數》，用 SUGA公司的NUS-ISO3型磨耗實驗機測試涂層的耐磨性，對磨材料為180# SiC金相砂紙，磨耗試驗次數為2 000個來回，使用Sartorius公司的BS 224S型電子天平測定磨損試驗前后樣品的質量。在東莞明馳MC-952C型中性鹽霧試驗機中測試涂層的耐蝕性。

3 結果與討論

3. 1 涂層微觀形貌

制備的WC–CoCr涂層的微觀形貌如圖1所示。可見，WC–CoCr涂層非常致密。用圖像分析軟件測得的孔隙率為0.5%。界面很干凈，基本上看不到有噴砂前處理工藝產生的砂粒殘留。通過掃描電鏡觀察并結合能譜分析結果，涂層中存在4種顯微結構：(1)棱角分明的WC顆粒，說明超音速火焰噴涂工藝參數合適，使得粉末中的大部分WC顆粒能夠保持原有形狀；(2)環繞WC顆粒周圍的灰色相含鈷量顯著高于其他相，應是粘結相與WC發生反應生成；(3)顏色較深的深灰色相，含鉻量顯著高于其他相，表明涂層中鉻的分布不均勻；(4)黑色的孔洞，都是尺寸較小的微孔。

圖1 不同放大倍數的WC–CoCr涂層的SEM照片Figure 1 SEM images of WC–CoCr coating with different magnifications

電鍍硬鉻的橫截面微觀形貌與其他研究者的研究結果一致[2-3]，可以觀察到大量的微裂紋。電鍍過程中鍍層內部產生的殘余應力導致了微裂紋的產生[3-4]。

3. 2 涂層顯微硬度

噴涂WC–CoCr涂層的顯微硬度約為1 136 HV，而電鍍硬鉻的顯微硬度約為990 HV。電鍍硬鉻的高硬度與鍍層中存在的殘余應力密切相關。而 WC–CoCr涂層的高硬度來自高硬度的WC顆粒，與殘余應力關系不大，因而使用溫度對其硬度值影響不大。

3. 3 涂層相分析

WC–CoCr涂層的X射線衍射分析結果如圖2所示。可見，涂層發生了一定程度的脫碳，形成了少量的W2C相和η相。這是由于HVOF工藝制備涂層過程中，WC–CoCr粉末在約3 000 °C的火焰中受熱和加速時，都會產生一定程度的脫碳現象，生成W2C或其他脆性相[5]。

圖2 WC–CoCr粉末及其HVOF涂層的X射線衍射譜圖Figure 2 XRD spectra of WC–CoCr powder and the HVOF coating obtained therewith

3. 4 涂層耐磨性

圖3為WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻鍍層的SUGA磨耗試驗結果。從圖 3可以看出，兩者的磨損量均隨往復次數的增多而基本呈線性增加，電鍍硬鉻鍍層磨損失重為WC–CoCr涂層磨損失重的4倍以上。

圖3 WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻層的磨損失重對比Figure 3 Comparison between wear loss of HVOF-deposited WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating

圖4a、4b分別為WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻鍍層磨耗試驗后的表面形貌。

圖4 WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻鍍層經過磨損試驗后的微觀形貌Figure 4 Microscopic morphologies of WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating after abrasion test

由圖4可見，WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻鍍層均有典型的犁溝狀磨痕，但WC–CoCr涂層的磨痕明顯少于電鍍硬鉻層，而且磨痕較淺。這與磨損失重的結果相一致。

3. 5 涂層耐蝕性

涂層耐中性鹽霧腐蝕測試結果見圖5。電鍍硬鉻鍍層和WC–CoCr涂層對300M鋼基體的防護性能存在很大差異。24 h鹽霧腐蝕后，電鍍硬鉻試樣表面即出現大片的腐蝕，表明鍍層已失去了對基體的防護能力；而WC–CoCr涂層在504 h后，表面基本上看不到紅銹，只存在變色情況。可見，WC–CoCr涂層的抗中性鹽霧腐蝕能力明顯優于電鍍硬鉻鍍層。

圖5 WC–CoCr涂層與電鍍硬鉻鍍層經過不同時間中性鹽霧試驗后的照片Figure 5 Photos of WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating after neutral salt spray test for different time

4 結論

(1) 在 300M 鋼基體上采用 HVOF工藝制備了WC–CoCr涂層。該涂層致密，孔隙率為0.5%，顯微硬度為1 136 HV，高于電鍍硬鉻鍍層的顯微硬度(990 HV)。XRD分析結果表明，WC–CoCr涂層中只有少量的W2C相和η相。

(2) SUGA磨耗試驗結果表明，WC–CoCr涂層的耐磨性顯著優于電鍍硬鉻層，其磨損量不到電鍍硬鉻鍍層磨損量的1/4。

(3) 中性鹽霧腐蝕試驗結果表明，504 h后WC–CoCr試樣表面基本上無紅銹，而電鍍硬鉻鍍層試樣表面在24 h后即出現大量紅銹。

(4) WC–CoCr涂層的耐磨性和耐蝕性都顯著優于電鍍硬鉻，因而完全可以替代電鍍硬鉻作為耐磨涂層使用。

[1] 奚兵. 低污染的鍍硬鉻工藝及清洗方法[J]. 電鍍與精飾, 2009, 31 (6): 23-24.

[2] 周克崧. 熱噴涂技術替代電鍍硬鉻的研究進展[J]. 中國有色金屬學報, 2005, 14 (增刊): 182-191.

[3] AQüERO A, CAMóN F, GARCíA DE BLAS J, et al. HVOF-deposited WCCoCr as replacement for hard Cr in landing gear actuators [J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2011, 20 (6): 1292-1309.

[4] IRONS G, KRATOCHVIL W, SCHROEDER M, et al. Thermal spray alternatives for electroplated chromium [J]. Journal of Thermal Spray Technology, 1996, 5 (1): 39-47.

[5] CASTELETTI L C, ARNONI, E A B, FERNANDES F A P, et al. Effect of the HVOF deposition process in the chemical composition of tungsten carbide layers with cobalt or nickel binders [J]. Journal of ASTM International, 2010, 7 (3): 1-10.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Study on HVOF-deposited WC–CoCr coating as alternative for hard chromium plating //

SONG Jin-bing*, LIU Min, DENG Chun-ming

A WC–CoCr coating was deposited on 300M steel substrate by high velocity oxy-fuel (HVOF) spraying process. The microstructure, microhardness, phase composition, wear resistance, and corrosion resistance of the coating were studied, and the properties of the coating were compared with a electroplated hard chromium coating. The results indicated that the WC–CoCr coating prepared by HVOF has superior wear and corrosion resistance to the hard chromium coating, and can be an alternative to hard chromium coating for anti-wear application.

tungsten carbide–cobalt–chromium coating; high velocity oxy-fuel spraying; hard chrome plating; wear resistance; corrosion resistance

Guangdong Research Institute of Industrial Technology, Guangzhou 510650, China

TG174.4

A

1004 – 227X (2012) 06 – 0066 – 03

2012–01–05

2012–02–22

宋進兵（1972–），男，湖北仙桃人，高級工程師，主要從事熱噴涂應用研究。

作者聯系方式：(E-mail) jbsong@gmail.com。