顏 維,周伍喜,雷 勇,李玉璽,王 楊

(1.自貢長(zhǎng)城硬面材料有限公司,四川自貢643000; 2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083; 3.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢64300)

不同微觀結(jié)構(gòu)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(zhǎng)城硬面材料有限公司,四川自貢643000; 2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083; 3.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢64300)

采用團(tuán)聚燒結(jié)生產(chǎn)過程中不同微觀結(jié)構(gòu)、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(shù)下制備各WC20CrC7Ni涂層,應(yīng)用金相顯微鏡、X-射線衍射儀、顯微硬度計(jì)、摩擦磨損設(shè)備等表征粉末和涂層的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明:三種微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)致密的WC20CrC7Ni噴涂粉末形貌、流動(dòng)性較微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)合金;碳化鎢;磨損;粉末性能

1 引言

熱噴涂制備的硬質(zhì)合金涂層在各工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(zhì)相(WC、Cr3C2、WC+Cr3C2等)和粘結(jié)相(Co、Ni、CoCr、NiCr等)構(gòu)成。超音速火焰(HVOF)噴涂技術(shù)制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低、氧含量低,已成為制備WC基、Cr3C2基硬質(zhì)涂層的首選方法[4-5]。目前市場(chǎng)需求和應(yīng)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(jié)相或硬質(zhì)相涂層的耐腐蝕性和抗高溫性能,常采用復(fù)合粘結(jié)相或復(fù)合硬質(zhì)相體系。WC20CrC7Ni具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐磨損綜合性能,相對(duì)于單一WC硬質(zhì)相體系更利于高溫(＜750℃)腐蝕沖刷的環(huán)境如煤化工領(lǐng)域的球閥等。盡管WC20CrC7Ni粉末早已商業(yè)化生產(chǎn)銷售,但研究者對(duì)其涂層性能的研究遠(yuǎn)不及對(duì)WC10Co4Cr和Cr3C2-NiCr涂層體系的關(guān)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(jié)果表明WC20CrC7Ni涂層在750℃具有較好的耐磨性,而WC10Co4Cr涂層發(fā)生了劇烈的氧化反應(yīng)[6]。Ishikawa等研究了不同噴涂參數(shù)制備WC20CrC7Ni涂層的性能[7]。Fang等研究對(duì)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(jié)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(tǒng)、噴槍和噴涂參數(shù)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(xué)成分、物理性能、微觀結(jié)構(gòu)等[9-12]。真空燒結(jié)是WC20CrC7Ni粉末工業(yè)化生產(chǎn)中的關(guān)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(jié)構(gòu)上的差異如致密結(jié)構(gòu)或疏松結(jié)構(gòu)。不同微觀結(jié)構(gòu)WC20CrC7Ni噴涂粉末及涂層性能研究還未見研究報(bào)道,因此本實(shí)驗(yàn)將研究相同粒度范圍內(nèi)不同微觀結(jié)構(gòu)WC20CrC7Ni粉末及制備的WC20CrC7Ni涂層性能,本研究將對(duì)WC20CrC7Ni噴涂粉末產(chǎn)業(yè)化的質(zhì)量控制和WC20CrC7Ni涂層的工業(yè)化應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 粉末和涂層制備

采用WC、Cr3C2、Ni等為原料,按WC20CrC7Ni化學(xué)計(jì)量比配置原料,各原料經(jīng)攪拌球磨、噴霧造粒和真空燒結(jié)制得各粉末塊體,取真空燒結(jié)爐中三個(gè)不同位置的粉末塊體經(jīng)破碎篩分、分級(jí)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(jié)構(gòu)記為P1、P2、P3)為原料在相同噴涂參數(shù)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(jīng)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(jī)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(shù)如表1所列。

表1 WC20CrC7Ni粉末HVOF噴涂參數(shù)

2.2 性能表征

根據(jù)ASTM B213-03和ASTM B212 -99標(biāo)準(zhǔn)采用霍爾流速計(jì)測(cè)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(jié)構(gòu),各試樣用(取各樣塊中心位置) Struers鑲樣機(jī)和Struers磨拋機(jī)制備,然后經(jīng)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(tǒng)圖片處理軟件(OLYMPUS Stream)計(jì)算各涂層孔隙率(5個(gè)不同視場(chǎng)),并取其平均值;采用Future-tech Corp FM-700顯微硬度計(jì)測(cè)定涂層硬度,加載載荷為300g,保壓10s,測(cè)量10個(gè)值取其平均值;采用日本理學(xué)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(chǎn)摩擦磨損設(shè)備測(cè)定各涂層和316不銹鋼的耐磨性和摩擦系數(shù),摩擦副為直徑6mm的Al2O3小球,實(shí)驗(yàn)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(zhì)量變化,根據(jù)質(zhì)量損失換算體積損失來評(píng)價(jià)各涂層的耐磨性能,各涂層和不銹鋼磨損實(shí)驗(yàn)前經(jīng)平面磨床精磨處理,表面粗糙度0.18μm～0.2μm。

3 結(jié)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(dòng)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(zhì)量的穩(wěn)定性。由圖1可知WC20CrC7Ni粉末P1、P2微觀結(jié)構(gòu)致密,粉末P3微觀結(jié)構(gòu)呈疏松結(jié)構(gòu)。造成各粉末微觀結(jié)構(gòu)不同的原因是大批量生產(chǎn)粉末時(shí),各舟皿粉末受熱狀態(tài)差異大或者爐子各區(qū)間溫度不均勻。粉末單顆粒微觀結(jié)構(gòu)太致密如P1和P2所示,采用焰流溫度相對(duì)較低的液體燃料HVOF噴涂時(shí),粉末顆粒熔融程度低,顆粒高速?zèng)_擊基體時(shí)易發(fā)生反彈,從而降低粉末的沉積效率(見表3),加大生產(chǎn)成本;粉末單顆粒致密表明粉末塊體強(qiáng)度高,難于破碎且不易保持球形結(jié)構(gòu),這也是粉末P1流動(dòng)性差和形貌不好的原因。粉末單顆粒呈疏松結(jié)構(gòu)如圖1-c所示,表明粉末塊體受熱均勻、強(qiáng)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(shí)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(jié)果相似;但G.Bolelli等發(fā)現(xiàn)WC20CrC7Ni噴涂粉末中還存在微弱的(W,Cr)2C衍射峰,本實(shí)驗(yàn)的WC20CrC7Ni粉末未發(fā)現(xiàn)該衍射峰可能是粉末狀態(tài)和檢測(cè)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(jié)構(gòu)

WC20CrC7Ni涂層的物理性能和微觀結(jié)構(gòu)分別如表3和圖3所示。由表3可知三種不同結(jié)構(gòu)的粉末采用JP8000噴槍在同一噴涂參數(shù)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(jié)構(gòu)的粉末制備涂層的沉積率有明顯差異。粉末微觀結(jié)構(gòu)較疏松、形貌較規(guī)則的粉末P3制備涂層的沉積效率最高達(dá)49.3%,其他兩種粉末微觀結(jié)構(gòu)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(dòng)造成。P3粉末微觀結(jié)構(gòu)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(duì)于液體燃料的HVOF噴涂應(yīng)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(fā)現(xiàn)W2C相,但存在Cr7C3衍射峰,表面噴涂過程中Cr3C2發(fā)生了氧化反應(yīng)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(jié)構(gòu)

3.3 WC-20CrC-7Ni涂層耐磨性能

WC20CrC7Ni涂層和316不銹鋼的抗滑動(dòng)磨損性能和摩擦系數(shù)如表4和圖5所示。碳化鎢基涂層的耐磨性與涂層中硬質(zhì)相含量、WC晶粒大小及分布、磨料粒度、噴涂工藝等有關(guān)[14-16]。本文所評(píng)價(jià)的各涂層摩擦磨損性能的實(shí)驗(yàn)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?yàn)樵撏繉佑捕雀叩脑?。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(shù)幾乎摩擦一開始就迅速在0.65左右上下波動(dòng),而各涂層都是在一定的時(shí)間后(60s～300s)摩擦系數(shù)才穩(wěn)定在0.67 左右。磨損發(fā)生的初期由于摩擦副氧化鋁小球與粘結(jié)相的相互作用,粘結(jié)相受擠壓或發(fā)生變形導(dǎo)致粘結(jié)相或金屬首先被磨削,從而摩擦因數(shù)短時(shí)間內(nèi)增大如不銹鋼的摩擦系數(shù)變化曲線;隨著摩擦副作用時(shí)間的延長(zhǎng),摩擦副開始與硬質(zhì)相、粘結(jié)相同時(shí)發(fā)生相互作用,粘結(jié)相的磨削使得硬質(zhì)相被摩擦副擠出,然后摩擦副又再與粘結(jié)發(fā)生相互作用,從而使得摩擦系數(shù)在一定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)。各涂層摩擦系數(shù)的波動(dòng)較規(guī)則,無較大的波動(dòng)這表明各涂層的微觀結(jié)構(gòu)較均勻。各粉末對(duì)制備涂層的摩擦系數(shù)影響較小,主要體現(xiàn)在各涂層的耐磨性,粉末結(jié)構(gòu)疏松,在同一參數(shù)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(duì)于不同結(jié)構(gòu)的粉末如在此同一參數(shù)下制備涂層,就有可能造成涂層性能出現(xiàn)較大的差異,不利于噴涂產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性;對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)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(xù)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(shù)隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

(1)WC20CrC7Ni團(tuán)聚燒結(jié)噴涂粉末工業(yè)化生產(chǎn)中會(huì)因粉末受熱狀態(tài)不一致,從而造成粉末微觀結(jié)構(gòu)的差異如致密結(jié)構(gòu)或疏松結(jié)構(gòu),但各粉末物相一致(WC、Cr3C2、Ni);當(dāng)粉末粒度控制在-45μm+11μm時(shí),各粉末松裝密度接近(4.3g/cm3～4.5g/cm3);微觀結(jié)構(gòu)致密的粉末形貌較差,制備涂層的沉積效率低(40%)。

(2)不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(fā)。