陳小明伏 利34劉 偉23毛鵬展14張 磊24

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012； 2. 水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012；3. 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012； 4. 水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，杭州 310012)

傳統(tǒng)活塞桿表面一般采用電鍍鉻等方式進(jìn)行防腐蝕處理，然而，由于鍍層性能差、電鍍過程有污染等原因，該方法逐漸不能滿足實(shí)際的工程需要[1-3]。20世紀(jì)90年代起，西方發(fā)達(dá)國家已將陶瓷活塞桿廣泛應(yīng)用于核能、航空航天及石油化工等領(lǐng)域。陶瓷活塞桿即采用熱噴涂、激光熔覆等技術(shù)在活塞桿基材表面制備陶瓷涂層。隨著我國水利水電工程裝備技術(shù)的發(fā)展，陶瓷活塞桿也逐漸應(yīng)用于液壓啟閉機(jī)上。液壓啟閉機(jī)作為水利工程中一種重要的設(shè)備，主要用于平面、弧形、人字及三角等閘門的啟閉運(yùn)行，其中活塞桿的表面性能是影響啟閉機(jī)壽命的決定性因素，甚至活塞桿的使用性能及壽命對(duì)水利工程的安全運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生重要的影響[4-5]。因此，如何有效提高活塞桿表面陶瓷涂層的性能，確保其使用壽命成為一項(xiàng)亟待解決的課題。

目前，國內(nèi)對(duì)于活塞桿表面陶瓷涂層技術(shù)已有一定的研究，何曉等[6]利用等離子噴涂技術(shù)在往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿表面制備陶瓷涂層，其結(jié)合強(qiáng)度為35 MPa，孔隙率≤2%，硬度為60 HRC；劉曉燕等[7]在工程車活塞桿表面電沉積Ni-WC納米復(fù)合鍍層，取得了一定的耐腐蝕和抗磨損效果；查柏林等[8]針對(duì)液壓活塞桿采用多功能超聲速火焰噴涂制備WC-12Co涂層，其結(jié)合強(qiáng)度為70 MPa，孔隙率<2%，硬度大于1 000 HV0.3，其耐磨損性能比45號(hào)鋼的提高了6.6倍。采用電沉積制備的陶瓷涂層存在膜層厚度低、耐磨性能差等不足，等離子陶瓷涂層存在結(jié)合強(qiáng)度低、孔隙率高等不足，常規(guī)超聲速噴涂WC-12Co涂層存在孔隙率高，耐磨性能提升較少等問題。

隨著納米技術(shù)、超聲速熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，超聲速噴涂納米WC陶瓷涂層技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使得研制高結(jié)合強(qiáng)度、低孔隙、高耐磨的陶瓷活塞桿成為可能。因此,深入研究活塞桿用納米WC-10Co4Cr涂層，對(duì)提高啟閉機(jī)的使用壽命具有積極的意義。本工作通過掃描電鏡(SEM)、金相分析儀、結(jié)合力試驗(yàn)機(jī)、顯微硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、電化學(xué)工作站等對(duì)陶瓷活塞桿表面納米WC陶瓷涂層的微觀形貌、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度、耐磨性能、耐蝕性能等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析 ，以期為納米WC-10Co4Cr涂層的的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 納米WC-10Co4Cr陶瓷涂層的制備

試驗(yàn)基材采用液壓啟閉機(jī)活塞桿常用40Cr鋼，尺寸為150 mm×100 mm×7 mm，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.37%～0.44% C，0.17%～0.37% Si，0.50%～0.80% Mn，0.80%～1.10% Cr，Ni≤0.030%，P≤0.030%，S≤0.030%，Cu≤0.030%，Mo≤0.10%，余量為Fe。對(duì)基材表面進(jìn)行除油清理，并采用590～710 μm 白剛玉砂進(jìn)行噴砂毛化處理。采用自主研發(fā)的S4020納米改性WC粉末，粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：10% Co、4%Cr、0.2%～0.5%稀土、余量為WC，通過具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HV-50超聲速火焰噴涂技術(shù)在基材表面制備納米WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層，涂層厚度為200～250 μm。

1.2 納米WC-10Co4Cr陶瓷涂層的性能表征

采用卡爾蔡司公司的ULTRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌；采用XPer Powder型X射線衍射儀(XRD)測(cè)定涂層的物相組成；采用KMM-500金相分析儀測(cè)試涂層的孔隙率；采用WDW-50微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按照國標(biāo)GB/T 18179-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試；采用HXD-1000TMC 顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，峰值載荷為200 g，加載時(shí)間10 s；采用中科院蘭州物理所研制的HT-1000型球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層在干摩擦條件下的磨損性能，采用φ4 mm氮化硅陶瓷球進(jìn)行對(duì)磨，試驗(yàn)時(shí)間為180 min，載荷為500 g，摩擦圓半徑為6 mm，轉(zhuǎn)速1 120 r/min，并采用賽多利斯LE225D十萬分之一電子天平稱量；采用RST5200電化學(xué)工作站測(cè)試涂層的耐蝕性，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，電解液為25 ℃的3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液，環(huán)氧樹脂封裝后的試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，動(dòng)電位掃描范圍為-100～100 mV(相對(duì)于開路電位)，掃描速率為0.5 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM形貌、孔隙率及結(jié)合強(qiáng)度

納米WC陶瓷涂層具有致密的表面形貌，截面呈現(xiàn)致密的層狀結(jié)構(gòu)，說明雖然涂層采用多遍噴涂疊加而成，但層與層之間緊密結(jié)合形成一個(gè)整體，并未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。此外，由于基材經(jīng)過噴砂毛化預(yù)處理，使得涂層與基材的結(jié)合部位呈現(xiàn)緊密的鋸齒形，有利于提高結(jié)合強(qiáng)度，如圖1(a)所示。通過金相孔隙率測(cè)試分析，涂層具有極低的孔隙率(0.25%)，如圖1(b)所示。這是由于HV-50超聲速火焰噴涂設(shè)備具有較高的焰流速度，達(dá)到11馬赫，粉末粒子速度達(dá)到1 500 m/s以上，這使得半熔融的粉末粒子以更高的速度沖擊到基材表面形成致密的涂層，并且由于粉末中的納米顆?？梢蕴畛湮⑿】紫叮瑴p少孔隙的形成。高的沖擊力使涂層在基材表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，也有利于提高涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度[9-11]，測(cè)試表明，涂層與基材間的結(jié)合強(qiáng)度高于80 MPa。同時(shí)，納米顆粒發(fā)揮了其小尺寸效應(yīng)等特性，促使涂層致密性及結(jié)合強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。

(a) SEM形貌

(b) 孔隙率測(cè)試圖1 WC陶瓷涂層的SEM形貌及孔隙率測(cè)試結(jié)果Fig. 1 SEM morphology (a) and porosity test result (b) of WC ceramic coating

2.2 XRD圖譜

由圖2可見：涂層的成分主要為WC、Co、Cr相等，與原粉末相比，產(chǎn)生了新的W2C相，這是由于在噴涂時(shí)，高溫半熔融WC-10Co4Cr粉末顆粒從噴槍飛向基材表面， 在這個(gè)過程中WC顆粒會(huì)與空氣中的氧氣接觸，從而被氧化脫碳形成W2C相[12-14]。W2C相具有硬脆性，在與介質(zhì)發(fā)生碰撞或摩擦?xí)r易開裂，形成裂紋源，W2C相對(duì)涂層性能有負(fù)面影響?；趪娡康脑?，雖然無法完全避免W2C相的產(chǎn)生，但通過提高噴涂速度，縮短粉末顆粒的飛行時(shí)間(即被氧化時(shí)間)，有利于減少W2C相的形成。由圖2還可見：涂層的相組成與粉末的基本保持一致，說明采用超聲速火焰噴涂技術(shù)形成的涂層能夠較好地發(fā)揮出粉末中各材料原有的特性。

圖2 涂層及粉末的XRD圖譜Fig. 2 XRD patterns of coating and powder

2.3 顯微硬度及耐磨損性

未經(jīng)過表面強(qiáng)化處理的基材40Cr鋼的平均顯微硬度為350 HV0.2，而納米WC-10Co4Cr陶瓷涂層的顯微硬度高達(dá)1 380 HV0.2，是基材的3.9倍以上，陶瓷涂層獲得了遠(yuǎn)高于基材的耐磨損性能。由圖3可見：基材的摩擦因數(shù)持續(xù)升高并穩(wěn)定在較高水平，說明隨著摩擦磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，基材不斷被黏著磨損，磨損的界面不斷被更新，見如圖4；而涂層的摩擦因數(shù)在磨損初期較高，而后下降并穩(wěn)定在較低水平，這是由于涂層表面呈一定的顆粒狀(涂層原始的表面粗糙度約為4 μm)，前期的摩擦界面相對(duì)粗糙并主要以微小的磨粒磨損為主，由于涂層的硬度較高，納米效應(yīng)使得涂層的強(qiáng)度較高，因此很難被磨損及切削，摩擦界面被持續(xù)重復(fù)摩擦而變得光滑(磨痕處的表面粗糙度約為1 μm)，并且耐磨損性能也隨之被強(qiáng)化。摩擦磨損測(cè)試結(jié)果表明，納米WC陶瓷涂層的磨損量小于基材的1/150。即納米WC-10Co4Cr陶瓷涂層應(yīng)用于活塞桿上可以大幅提高活塞桿的耐磨損性能。

圖3 納米WC陶瓷涂層與基材的摩擦因素曲線Fig. 3 Friction factor curves of nano WC ceramic coating and matrix

(a) 涂層

(b) 基材圖4 涂層與基材的磨痕SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of grinding crack of coating (a) and matrix (b)

2.4 電化學(xué)性能

由圖5可見：納米陶瓷涂層較基材具有更高的自腐蝕電位，說明涂層的耐蝕性高于基材的，這是由于基材和涂層中主要起耐腐蝕作用的是Cr元素，Cr的存在可以提高合金的電極電位，提高材料的耐蝕性，而40Cr基材中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%，涂層中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，遠(yuǎn)高于基材的，并且涂層中大量Co相的存在會(huì)在涂層表面形成富Co層，可以阻礙涂層的腐蝕，降低涂層的腐蝕電流密度。同時(shí)由于涂層具有極高的致密性，并且由于是多層疊加而不存在通向基材的通孔，因此不會(huì)在涂層與基材的結(jié)合界面產(chǎn)生腐蝕，有效防止了涂層因腐蝕而產(chǎn)生的剝落。

圖5 納米WC陶瓷涂層與基材的極化曲線Fig. 5 Polarization curves of nano WC ceramic coating and matrix

3 結(jié)論

(1) 納米WC-10Co4Cr陶瓷涂層具有致密的表面形貌，極低的孔隙率，與基材之間呈致密的鋸齒形結(jié)合，涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)80 MPa。

(2) 小尺寸效應(yīng)等納米效應(yīng)，使得涂層具有遠(yuǎn)高于基材的硬度，是基材的3.9倍以上，進(jìn)而涂層獲得高的耐磨損性能。相同條件下，涂層的磨損質(zhì)量損失小于基材的1/150。并且涂層與其他介質(zhì)摩擦后，表面呈光滑狀態(tài)，其耐磨性能會(huì)被進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3) 由于涂層具有致密的結(jié)構(gòu)，且涂層中Cr等耐蝕元素的含量遠(yuǎn)高于基材的，使得涂層的耐腐蝕性能高于基材的。

(4) 采用大功率超聲速火焰噴涂技術(shù)在活塞桿表面制備納米WC陶瓷涂層，可以獲得耐磨、耐蝕的高性能陶瓷活塞桿，在水利工程的液壓啟閉機(jī)上進(jìn)行使用，可以大幅提高其使用壽命，確保閘門等水利設(shè)施的運(yùn)行安全。