合金型鎳基自熔性碳化鎢粉末及涂層性能研究

胡宇，鮑君峰，馬堯，陸在平，石長(zhǎng)江

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京102206）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各種機(jī)械設(shè)備零件在越來(lái)越苛刻的工況下使用，一些在高速、高壓、重載、腐蝕、磨損等條件下工作的零件，表面失效成為其失效的重要形式[1-3]。因此，提高零件的表面性能是延長(zhǎng)零件壽命的重要措施之一，而熱噴涂是目前制備表面防護(hù)涂層最為常用的方法之一[4]，其中鎳基碳化鎢合金粉末以其較好的抗應(yīng)力磨粒磨損性能，較好的耐蝕和抗高溫氧化性能[5-6]，在民用耐磨耐蝕涂層領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如拉絲機(jī)滾筒和塔輪、導(dǎo)板、刮板、風(fēng)機(jī)葉片、螺旋輸送器等的表面噴焊[7-8]。

制取含碳化鎢自熔合金粉末有三種工藝方法，霧化法[9]、機(jī)械混合法[9]和燒結(jié)法[10]。霧化法制取的含碳化鎢自熔合金粉末噴焊工藝性能好，層化學(xué)成分均勻，無(wú)宏觀偏析，碳化鎢不易被氧化，但碳化鎢的含量不宜過(guò)高；機(jī)械混合法制取的粉末可大大提高粉末中碳化鎢的含量，但涂層的成分偏析較大；燒結(jié)法是將碳化鎢先與鎳一起進(jìn)行燒結(jié)，然后再與鎳基自熔性合金粉末進(jìn)行機(jī)械混合，此法制得的含碳化鎢自熔合金粉末的涂層成分偏析較小，但成本較高[11-12]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)水霧化方法制備了合金型鎳基自熔性碳化物粉末，并進(jìn)行了火焰噴焊，并與混合型粉末對(duì)比，分析了兩種粉末及涂層性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1．1 粉末制備

采用LD-100型水霧化設(shè)備，選用適當(dāng)?shù)臓t襯，將爐料以一定比例加入中頻感應(yīng)爐中熔煉，采用40MPa高壓水將1400℃鋼液霧化、冷卻至粉末，制備合金型鎳基自熔性碳化物粉末。

其制備工藝流程如下：原料→熔煉→脫氧→霧化→真空烘干→分級(jí)→取樣。

采用HL-500型混料機(jī)，將一定比例的鎳基自熔性合金粉末與鎳包鑄造碳化鎢機(jī)械混合，獲得混合型鎳基自熔性碳化鎢粉末。

制得的合金型鎳基自熔性碳化鎢粉末及混合型粉末物理性能見(jiàn)表1，成分見(jiàn)表2，粉末物性檢測(cè)是均勻、干燥，且無(wú)任何外來(lái)物。采用GB1480-83的標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)粉末粒度組成，采用GB1479-84和GB1480-84的方法測(cè)量粉末流動(dòng)性和松裝密度。

表1粉末物理性能Table 1 Physical properties of powder

表2粉末化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of powder

1.2 噴焊工藝

采用CP-100型噴槍用在Φ30mm×15mm的45#鋼試樣進(jìn)行火焰噴焊并重熔，參數(shù)為PO2=0.7MPa，PC2H2=0.07MPa，噴距180mm，隨后采用SP-C-4型重熔槍?zhuān)厝壑脸霈F(xiàn)鏡面后空冷。

其制備工藝流程如下：工件預(yù)熱→預(yù)涂保護(hù)層→噴涂→工件升溫→重熔→工件緩冷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉末性能研究

采用日立公司S-3500N掃描電鏡拍攝粉末形貌及剖面照片，如圖1、圖2可見(jiàn)，粉末球形度良好、表面光潔。

合金型粉末剖面組織均勻，顆粒中有塊狀物析出及雪花狀相彌散分布粉末顆粒中。其中雪花狀組織為η相，分布均勻。白色不規(guī)則形狀相為碳化鎢，由于粉末成分中鎢含量較高，水霧化過(guò)程中，高壓水不僅將金液被不斷地破碎成細(xì)小的液滴，并且充當(dāng)冷卻介質(zhì)迅速使液滴凝固。由于冷卻速度快，過(guò)飽和的鎢來(lái)不及均勻擴(kuò)散，形成大塊碳化鎢顆粒結(jié)晶析出，隨后碳化鎢顆粒逐漸長(zhǎng)大，彌散分布在鎳基自熔合金粉末內(nèi)。無(wú)論是η相還WC均為硬質(zhì)相，可顯著提高材料硬度與耐磨性。

混合型粉末主要采用Ni60與鎳包鑄造碳化鎢混合制備，圖2中粉末剖面鎳包鑄造碳化鎢，外層為鎳，內(nèi)部為碳化鎢顆粒。由于鎳包鑄造碳化鎢形狀一般不規(guī)則，粉末中球形為Ni60，近球形、不規(guī)則為鎳包鑄造碳化鎢。

圖1 合金型粉末形貌及剖面Fig.1 Morphologies of alloyed type powder's surface and cross-section

圖2 混合型型粉末形貌及剖面Fig.2 Morphologies of blended type powder’s surface and cross-section

2.2 涂層性能研究

噴焊過(guò)程中，合金型鎳基自熔性合金粉熔覆性、鏡面效果優(yōu)于混合型，主要表現(xiàn)為熔點(diǎn)低。其主要原因?yàn)楹辖鹦头勰┲墟u以合金形式存、均勻分布在粉末內(nèi)，混合型中Ni60與鎳包鑄造碳化鎢混合存在，碳化鎢較難熔，故而表現(xiàn)出如上情況。

噴焊層硬度采用WOLPERT 600MRD-S數(shù)字顯示表面洛氏硬度計(jì)測(cè)定，均垂直于涂層表面間隔取點(diǎn)測(cè)量，表3為涂層硬度由下表可知，合金型粉末HR45為71.2（HRC64.5）而硬度略低于混合型，但硬度集中，方差小。

表2 粉末化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of powder

采用線(xiàn)切割對(duì)噴焊試驗(yàn)進(jìn)行縱向切割，并用掃描電鏡背散射模式對(duì)涂層組織進(jìn)行拍照。如圖3、圖4所示。

圖3 合金型涂層剖面電鏡照片F(xiàn)ig.3 Morphologies of alloyed type

圖4 混合型涂層剖面電鏡照片F(xiàn)ig.4 Morphologies of blended type

合金型噴焊層主要強(qiáng)化相為鎢的碳化物、η相，碳化鎢顆粒及η相彌散分布在噴焊層中，增強(qiáng)涂層硬度。混合型噴焊層主要強(qiáng)化相為碳化鎢顆粒，與合金型相比，碳化鎢顆粒尺寸較大，彌散分布于涂層中，故而表現(xiàn)為硬度高。而合金型粉末涂層相細(xì)小、均勻，表現(xiàn)為硬度均勻、集中，對(duì)于一些沖蝕磨損情況下，較為試用，具體耐磨情況及磨損機(jī)理有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）礦冶總院采用水霧化的方法成功制備了合金型鎳基自熔性碳化鎢粉末，該粉末氧含量低（約300ppm），球形度好，自熔性好，粉末制備工藝成熟，涂層硬度高性能穩(wěn)定；

（2）合金型與混合型鎳基自熔性碳化鎢由于制備工藝不同，硬質(zhì)相不同，從而硬度略有差別，混合型涂層硬度略高于合金型涂層；

（3）合金型粉末、涂層對(duì)比混合型粉末、涂層中強(qiáng)化相細(xì)小，組織均勻，硬度集中，應(yīng)根據(jù)不同工況要求，選擇使用不同粉末。