不同微觀結構WC-20CrC-7Ni噴涂粉末及涂層性能的研究

顏 維,周伍喜,雷 勇,李玉璽,王 楊

(1.自貢長城硬面材料有限公司,四川自貢643000; 2.中南大學材料科學與工程學院,湖南長沙410083; 3.自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢64300)

不同微觀結構WC-20CrC-7Ni噴涂粉末及涂層性能的研究

顏 維1,周伍喜2,3,雷 勇1,李玉璽1,王 楊3

(1.自貢長城硬面材料有限公司,四川自貢643000; 2.中南大學材料科學與工程學院,湖南長沙410083; 3.自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢64300)

采用團聚燒結生產過程中不同微觀結構、粒度-45μm～+11μm的WC20CrC7Ni球形噴涂粉末為原料,并采用超音速火焰噴涂在同一噴涂參數下制備各WC20CrC7Ni涂層,應用金相顯微鏡、X-射線衍射儀、顯微硬度計、摩擦磨損設備等表征粉末和涂層的結構和性能。結果表明:三種微觀結構的WC20CrC7Ni噴涂粉末松裝密度接近(4.3g/cm3～4.5g/cm3),各粉末物相一致;微觀結構致密的WC20CrC7Ni噴涂粉末形貌、流動性較微觀結構疏松的粉末差,制備的涂層的沉積效率較低為40%;WC20CrC7Ni各涂層的孔隙率、物相均一致,微觀結構疏松的粉末制備的涂層顯微硬度高(1 360±57)、沉積效率高(49.5%)、耐摩擦磨損性好;WC20CrC7Ni各涂層的摩擦因數接近(0.65～0.69),磨損體積僅為316不銹鋼的1/46～1/10。

熱噴涂;硬質合金;碳化鎢;磨損;粉末性能

1 引言

熱噴涂制備的硬質合金涂層在各工業領域有著廣泛的應用,能顯著提高各零部件在惡劣工況(腐蝕、磨損、沖刷、高溫等)下的使用壽命[1-3]。該型涂層一般由高硬度的硬質相(WC、Cr3C2、WC+Cr3C2等)和粘結相(Co、Ni、CoCr、NiCr等)構成。超音速火焰(HVOF)噴涂技術制備的涂層結合強度高、孔隙率低、氧含量低,已成為制備WC基、Cr3C2基硬質涂層的首選方法[4-5]。目前市場需求和應用研究較多的碳化鎢基涂層體系為WC-Co、WC-Ni、WC-CoCr,為了提高單一粘結相或硬質相涂層的耐腐蝕性和抗高溫性能,常采用復合粘結相或復合硬質相體系。WC20CrC7Ni具有優異的耐腐蝕和耐磨損綜合性能,相對于單一WC硬質相體系更利于高溫(＜750℃)腐蝕沖刷的環境如煤化工領域的球閥等。盡管WC20CrC7Ni粉末早已商業化生產銷售,但研究者對其涂層性能的研究遠不及對WC10Co4Cr和Cr3C2-NiCr涂層體系的關注。Bolelli等研究了WC20CrC7Ni涂層在室溫25℃和高溫750℃下的耐磨性能,研究結果表明WC20CrC7Ni涂層在750℃具有較好的耐磨性,而WC10Co4Cr涂層發生了劇烈的氧化反應[6]。Ishikawa等研究了不同噴涂參數制備WC20CrC7Ni涂層的性能[7]。Fang等研究對比了WC20CrC7Ni涂層、電鍍硬鉻層、718合金在25℃和450℃的摩擦磨損性能,研究結果表明在兩種溫度下WC20CrC7Ni涂層都具有最高的耐磨性能[8]。同一HVOF噴涂系統、噴槍和噴涂參數變化不大的條件下,碳化鎢基涂層性能在很大程度上取決于其粉末性能如化學成分、物理性能、微觀結構等[9-12]。真空燒結是WC20CrC7Ni粉末工業化生產中的關鍵工藝,但由于粉末在爐中受熱程度的不同,易造成WC20CrC7Ni粉末微觀結構上的差異如致密結構或疏松結構。不同微觀結構WC20CrC7Ni噴涂粉末及涂層性能研究還未見研究報道,因此本實驗將研究相同粒度范圍內不同微觀結構WC20CrC7Ni粉末及制備的WC20CrC7Ni涂層性能,本研究將對WC20CrC7Ni噴涂粉末產業化的質量控制和WC20CrC7Ni涂層的工業化應用提供實驗依據。

2 實驗

2.1 粉末和涂層制備

采用WC、Cr3C2、Ni等為原料,按WC20CrC7Ni化學計量比配置原料,各原料經攪拌球磨、噴霧造粒和真空燒結制得各粉末塊體,取真空燒結爐中三個不同位置的粉末塊體經破碎篩分、分級和合批控制各噴涂粉末粒度為-45μm～+11μm。以三種WC20CrC7Ni粉末(不同微觀結構記為P1、P2、P3)為原料在相同噴涂參數下制備各涂層。涂層試樣基體材料為45#鋼,尺寸為55mm×51mm×5 mm。噴涂前基體表面經50～70目(300～212μm)白剛玉噴砂處理,然后用壓縮空氣吹掃樣品表面。采用機械手固定的Praxair JP8000噴槍6in.槍管制備各碳化鎢基涂層,噴涂過程中采用冷干的壓縮空氣冷卻,具體噴涂參數如表1所列。

表1 WC20CrC7Ni粉末HVOF噴涂參數

2.2 性能表征

根據ASTM B213-03和ASTM B212 -99標準采用霍爾流速計測定各噴涂粉末的松裝密度和霍爾流速;采用OLYMPUS B ×41M-LED金相顯微鏡觀察粉末和涂層微觀結構,各試樣用(取各樣塊中心位置) Struers鑲樣機和Struers磨拋機制備,然后經金剛石磨盤和金剛石拋光液磨拋粉末和涂層試樣;通過金相系統圖片處理軟件(OLYMPUS Stream)計算各涂層孔隙率(5個不同視場),并取其平均值;采用Future-tech Corp FM-700顯微硬度計測定涂層硬度,加載載荷為300g,保壓10s,測量10個值取其平均值;采用日本理學D/MAX2550型X線衍射儀(XRD)分析粉末和涂層的物相;采用瑞士CSM公司生產摩擦磨損設備測定各涂層和316不銹鋼的耐磨性和摩擦系數,摩擦副為直徑6mm的Al2O3小球,實驗載荷為10N,行程450m,速度0.25m/s,摩擦半徑5mm,頻率6.5 Hz,采用JF2004電子天平(精度為0.1mg)記錄各涂層和不銹鋼的質量變化,根據質量損失換算體積損失來評價各涂層的耐磨性能,各涂層和不銹鋼磨損實驗前經平面磨床精磨處理,表面粗糙度0.18μm～0.2μm。

3 結果與討論

3.1 WC-20CrC-7Ni噴涂粉末性能

WC20CrC7Ni噴涂粉末金相照片和物理性能分別如圖1和表2所示。由表2可知各粉末的粒度、松裝密度、流動性接近一致,控制各粉末物理性能一致,有利于保證噴涂粉末和涂層質量的穩定性。由圖1可知WC20CrC7Ni粉末P1、P2微觀結構致密,粉末P3微觀結構呈疏松結構。造成各粉末微觀結構不同的原因是大批量生產粉末時,各舟皿粉末受熱狀態差異大或者爐子各區間溫度不均勻。粉末單顆粒微觀結構太致密如P1和P2所示,采用焰流溫度相對較低的液體燃料HVOF噴涂時,粉末顆粒熔融程度低,顆粒高速沖擊基體時易發生反彈,從而降低粉末的沉積效率(見表3),加大生產成本;粉末單顆粒致密表明粉末塊體強度高,難于破碎且不易保持球形結構,這也是粉末P1流動性差和形貌不好的原因。粉末單顆粒呈疏松結構如圖1-c所示,表明粉末塊體受熱均勻、強度適中易于破碎,粉末形貌好,該特征有利于超音速火焰(HVOF)噴涂時粉末的輸送,有利于改善粉末的沉積效率(見表3)。WC20CrC7Ni粉末的XRD圖譜如圖2所示,由圖2可知各WC20CrC7Ni噴涂粉末均為WC、Cr3C2、Ni相,與Y.Ishikawa等的研究結果相似;但G.Bolelli等發現WC20CrC7Ni噴涂粉末中還存在微弱的(W,Cr)2C衍射峰,本實驗的WC20CrC7Ni粉末未發現該衍射峰可能是粉末狀態和檢測方法的差異等原因造成[6-7]。

3.2 WC-20CrC-7Ni涂層的物理性能和微觀結構

WC20CrC7Ni涂層的物理性能和微觀結構分別如表3和圖3所示。由表3可知三種不同結構的粉末采用JP8000噴槍在同一噴涂參數下制備的三種涂層孔隙均較低(＜1.0%),涂層顯微硬度高(1 200HV～1 360HV),但三種不同結構的粉末制備涂層的沉積率有明顯差異。粉末微觀結構較疏松、形貌較規則的粉末P3制備涂層的沉積效率最高達49.3%,其他兩種粉末微觀結構較致密的粉末P1、P2制備的涂層的沉積率均較低(～40%)。Huang等以-45μm+15μm WC20CrC7Ni為原料采用HVOF制備涂層的沉積為40%～50%[13]。粉末P1、P2制備的涂層厚度有差異,沉積效率差別不大主要是因送粉率的波動造成。P3粉末微觀結構疏松,噴涂過程中粉末易變形疊加,從而制備的涂層孔隙率最低(0.5%)、顯微硬度和沉積率最高,因此對于液體燃料的HVOF噴涂應盡量降低致密顆粒粉末的含量和改善粉末的形貌。WC20CrC7Ni涂層的XRD譜線如4所示。由圖4顯示各涂層物相一致,主要由WC相組成,還含有少量的Cr3C2、Cr7C3、Ni。各涂層中未發現W2C相,但存在Cr7C3衍射峰,表面噴涂過程中Cr3C2發生了氧化反應生成了Cr7C3相。

表2 WC20CrC7Ni噴涂粉末物理性能

圖1 WC-20CrC-7Ni噴涂粉末金相圖

圖2 WC-20CrC-7Ni粉末的XRD圖譜

表3 WC-20CrC-7Ni涂層性能

圖3 Wc-20CrC-70Ni的涂層組織結構

3.3 WC-20CrC-7Ni涂層耐磨性能

WC20CrC7Ni涂層和316不銹鋼的抗滑動磨損性能和摩擦系數如表4和圖5所示。碳化鎢基涂層的耐磨性與涂層中硬質相含量、WC晶粒大小及分布、磨料粒度、噴涂工藝等有關[14-16]。本文所評價的各涂層摩擦磨損性能的實驗條件均相同。由表4可知采用P3粉末制備的涂層耐磨性最高,粉末P1和P2制備涂層的耐磨性接近,WC20CrC7Ni涂層耐磨性為316不銹鋼的10～46倍。WC20CrC7Ni涂層的耐磨性能明顯高于316不銹鋼,主要是因為該涂層硬度高的原因。粉末P1和P2制備涂層的顯微硬度和孔隙率接近,所以兩涂層磨損的體積接近。由圖5可知不銹鋼的摩擦系數幾乎摩擦一開始就迅速在0.65左右上下波動,而各涂層都是在一定的時間后(60s～300s)摩擦系數才穩定在0.67 左右。磨損發生的初期由于摩擦副氧化鋁小球與粘結相的相互作用,粘結相受擠壓或發生變形導致粘結相或金屬首先被磨削,從而摩擦因數短時間內增大如不銹鋼的摩擦系數變化曲線;隨著摩擦副作用時間的延長,摩擦副開始與硬質相、粘結相同時發生相互作用,粘結相的磨削使得硬質相被摩擦副擠出,然后摩擦副又再與粘結發生相互作用,從而使得摩擦系數在一定的范圍內上下波動。各涂層摩擦系數的波動較規則,無較大的波動這表明各涂層的微觀結構較均勻。各粉末對制備涂層的摩擦系數影響較小,主要體現在各涂層的耐磨性,粉末結構疏松,在同一參數噴涂過程中易變形堆積從而使涂層更致密、涂層硬度高從而獲得較高的耐磨性。對于不同結構的粉末如在此同一參數下制備涂層,就有可能造成涂層性能出現較大的差異,不利于噴涂產品質量的穩定性;對于微觀結構致密的粉末,增加火焰溫度或改變其他噴涂工藝,則有可能改善粉末的沉積效率和提高涂層的耐磨性能,這是我們下一步需要繼續研究論證的。

圖4 WC-20CrC-7Ni涂層的XRD圖譜

表4 WC-20CrC-7Ni涂層耐磨性能

圖5 摩擦系數隨時間的變化曲線

4 結論

(1)WC20CrC7Ni團聚燒結噴涂粉末工業化生產中會因粉末受熱狀態不一致,從而造成粉末微觀結構的差異如致密結構或疏松結構,但各粉末物相一致(WC、Cr3C2、Ni);當粉末粒度控制在-45μm+11μm時,各粉末松裝密度接近(4.3g/cm3～4.5g/cm3);微觀結構致密的粉末形貌較差,制備涂層的沉積效率低(40%)。

(2)不同結構粉末制備的WC20CrC7Ni各涂層的孔隙率低(＜1.0%)、物相(WC、Cr3C2、Cr7C3、Ni)一致;微觀結構疏松的粉末制備的涂層顯微硬度高(1 360±57 HV0.3)、沉積效率高(49.5%)、耐摩擦磨損性高; WC20CrC7Ni各涂層的摩擦因數接近(0.65～0.69),涂層磨損體積僅為316不銹鋼的1/46～1/10。

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Microstructure and Properties of HVOF-sprayed WC-20Cr C-7Ni Coating Withvarious Powder Microstructure

YAN Wei1,ZHOU Wu-xi2,3,LEI Yong1,LI Yu-xi1,WANG Yang3
(1.Zigong Tungsten Carbide Co,.Ltd,Zigong 643000,Sichuan,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China; 3.Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.Zigong 643000,Sichuan,China)

WC20CrC7Ni coatings were prepared by with the same sprayed parameters using agglomerated and sintered WC20CrC7Ni powders with various microstructure and same particle size range of-45～+11μm.The powders and coatings properties were characterized by means of optical microscopy,X-ray diffraction(XRD)analysis,micro-hardness and so on.The results indicate that all WC20Cr C7Ni powder exhibit the same phase and apparent density(4.3～4.5g/cm3), but the flowability,and deposition efficiency of the powder with too much dense structure are much lower compared with less dense structure powder.All the coatings have the same phase andporosity,but the hardness and deposition efficiency and wear resistance of the coating prepared with less dense structure powder are much higher than the coating prepared with much dense structure powder.All the coating almost have the same friction coefficient and the volume loss of sliding wear are 1/46-1/10 of that of 316L.

thermal spray;cemented carbide;WC;sliding wear;powder property

TG174

:A

1001-5108(2015)04-0041-07

顏維,工程師,主要從事硬面材料的研究開發。