不同Co含量對超音速火焰噴涂WC－xCo－3Cr涂層組織和性能的影響

蔣　浩，朱協(xié)彬，王　剛(安徽工程大學(xué)　再制造表面工程技術(shù)研究中心，安徽　蕪湖　241000)

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不同Co含量對超音速火焰噴涂WC－xCo－3Cr涂層組織和性能的影響

蔣浩，朱協(xié)彬，王剛
(安徽工程大學(xué)再制造表面工程技術(shù)研究中心，安徽蕪湖241000)

摘要:通過超音速火焰噴涂工藝在Cr12模具鋼表面上噴涂制備了WC－xCo－3Cr(x =8，10，12，14)涂層，并采用金相顯微鏡、掃描電鏡、顯微硬度儀和摩擦磨損試驗機(jī)表征分析涂層的微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度、耐磨損性能和耐腐蝕性，考察了不同Co含量對涂層組織和性能的影響。結(jié)果表明，Cr12模具鋼超音速火焰噴涂后表面的耐磨損性能比噴涂前的基體耐磨損性能有較大的提高;表面硬度在不同程度上都得到提高，界面結(jié)合良好，其中WC－10Co－3Cr涂層的組織致密性最好、顯微硬度最高、耐磨損及耐腐蝕性能最好。關(guān)鍵詞: Cr12模具鋼;超音速噴涂工藝; WC硬質(zhì)合金涂層;涂層組織性能

超音速火焰噴涂(High velocity oxygen fuel，HVOF)是上個世紀(jì)80年代興起的熱噴涂技術(shù)，因其制備的涂層具有較好的微觀組織以及優(yōu)良的力學(xué)性能有特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空、冶金、石油化工、包裝印刷等領(lǐng)域得到，近年來，超音速火焰噴涂技術(shù)發(fā)展迅速，成為熱噴涂技術(shù)中最活躍的一種噴涂方法。超音速火焰噴涂技術(shù)是在爆炸噴涂技術(shù)上的優(yōu)化，其特點(diǎn)是在高壓、高速的情況下將大量燃?xì)夂椭細(xì)怏w氧氣供給噴槍，使燃燒的火焰通過纖細(xì)的噴嘴形成超音速射流噴出，燃燒火焰流速度可達(dá)到1500～2800 m/s，火焰溫度比等離子噴涂低，一般在3000℃左右。粉末被送入運(yùn)動的火焰中，在火焰中被加熱、加速，粒子的飛行速度大大高于一般的熱噴涂，粉末的粒子高速噴射到金屬基體上，從而形成致密的涂層［1－2］。

其中WC－Co(Cr)粉末的熱噴涂涂層，由于其良好的硬度和韌性，廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)中領(lǐng)域，以增強(qiáng)基體金屬的耐磨性能及磨損部件的修復(fù)［3］。因其需適應(yīng)不同基體的需要，需配比最佳的合金粉末，本文采用成分不同商用WC－8Co－3Cr、WC－10Co－3Cr、WC－12Co－3Cr和WC－14Co－3Cr合金粉末，使用DF－3000超音速火焰噴涂設(shè)備在Cr12模具鋼上制備出WC－xCo－3Cr涂層，并研究其對涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度及其耐磨性影響，找出最佳合金粉末配方。

1　材料與方法

1.1超音速火焰噴涂

1.1.1實驗原料本實驗所用的超音速火焰噴涂粉末為WC－8Co－3Cr、WC－10Co－3Cr、WC－12Co－3Cr、WC－14Co－3Cr。這四種材料都是高硬度的鎢基包覆粉，使用團(tuán)聚燒結(jié)工藝制備。這些金屬陶瓷粉末為球狀，具有較好的抗氧化性能和耐磨損性能，粉末的大小一般在37 μm左右。

1.1.2實驗設(shè)備超音速火焰噴涂系統(tǒng)為DF－3000，該系統(tǒng)以丙烷為燃料，氧氣為助燃?xì)怏w，氮?dú)鉃樗头圯d氣噴涂過程采用水和壓縮空氣來冷卻，具體噴涂參數(shù)為:送粉電壓: 5 V;火焰溫度: 5000℃;丙烷壓力: 0.65 MPa;氧氣壓力: 1.15 MPa;空氣壓力: 0.5 MPa;送粉氣體流量(L/h) : 800;噴涂距離: 150 mm;噴嘴直徑: 10 mm;噴涂厚度: 0.5 mm。

1.1.3實驗工藝材料預(yù)處理→HVOF噴涂→WC－xCo3Cr陶瓷材料復(fù)合涂層→線切割，準(zhǔn)備測試與表征→金相分析、顯微硬度分析、耐磨性能分析、耐腐蝕性能分析→試驗結(jié)果分析。

Cr12模具鋼切割成150×100×24 mm的方塊，為了使基體材料與涂層很好的結(jié)合，需要對基材表面進(jìn)行粗化和凈化處理。本實驗中采用的是噴砂處理，砂粒粒度為350 μm，噴砂壓力為0.5 Mpa。預(yù)處理前和預(yù)處理后的基材表面如圖1和2所示。

圖1　預(yù)處理前的基材表面Fig.1　 Surface of the substrate before pretreatment

圖2　預(yù)處理后的基材表面Fig.2　 Pre－treated substrate surface

切割20×10×10(mm)的試樣，用于SEM觀察，切割15×5×8(mm)的試樣，用于做硬度及電化學(xué)實驗，切割成圓盤狀，直徑34 mm，高度10 mm，試樣用于做耐磨性的實驗。

1.2表征與測試

(1)使用日本日立S－4800掃描電子顯微鏡對涂層的表面、截面形貌進(jìn)行表征分析。

(2) OLYMPUSBX51型金相顯微鏡觀察涂層磨損表面微觀形貌。

(3) HV－1000型顯微硬度計，對涂層表面顯微硬度進(jìn)行測試。涂層厚度為0.5 mm，加載載荷設(shè)為1000 g，加載時間設(shè)為15 s，按金相制樣標(biāo)準(zhǔn)，對檢測面進(jìn)行研磨和拋光，從涂層表面依次測定3組數(shù)據(jù)，并取其平均值作為最終硬度值。

(4)采用MPX－2000型盤銷式摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行測試，使用φ5的剛玉球球磨的方式進(jìn)行測試分析涂層磨損行為，施加載荷為50 N，測試時間為30 s。

(5)采用上海辰華CHI660C電化學(xué)工作站測試基體與待測試樣的極化曲線，腐蝕介質(zhì)為重量百分比3.5%的NaCl溶液，測試溫度為室溫。測試過程中，電位掃描范圍為－0.2到0.15 V，掃描速率為0.01 V/s。

2　結(jié)果與分析

2.1涂層表面金相分析

如圖3所示為超音速火焰噴涂制備的WC－xCo－3Cr(x =8，10，12，14)涂層表面的金相顯微組織。

圖3　涂層表面金相顯微組織Fig.3 Metallurgical microstructure of the coating surface(a) WC－8Co3Cr; (b) WC－10Co3Cr; (c) WC－12Co3Cr; (d) WC－14Co3Cr

從圖3可知，涂層表面呈灰黑色，涂層的結(jié)構(gòu)致密，均勻且緊密地鑲嵌在金屬基體表面，硬質(zhì)相的WC顆粒均勻分布在粘結(jié)相中，孔隙和微孔洞較少，無明顯分層現(xiàn)象存在。噴涂粒子的扁平化狀態(tài)較好，但涂層中存在些許的氧化物相和孔隙涂層中粒子與粒子之間結(jié)合緊密，孔隙細(xì)小、分散均勻。圖中粉末顆粒在撞擊基體后，大多數(shù)已充分?jǐn)偲剑蕶E圓餅狀，說明由于火焰溫度高，顆粒在噴涂過程中能在焰流中充分變形、熔融，具有良好的填充孔隙的能力且顆粒之間相互咬合作用強(qiáng)，且多次涂覆后層與層間結(jié)合能力增強(qiáng)，從而使得涂層致密［4］。

2.2涂層截面金相分析

由圖4分析可知，以看出涂層為層狀結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)致密，基體及涂層結(jié)合良好，四組涂層中WC－8Co－3Cr與WC－10Co－3Cr涂層基體互相嵌合、結(jié)合緊密，界面處未見分離;交界處為波浪形不平整界面，界面干凈，無明顯顆粒物和氧化物夾雜，涂層組織均勻，內(nèi)部無明顯裂紋和孔隙，無明顯分層現(xiàn)象存在。但WC－8Co－3Cr涂層存在裂紋和較大孔隙。WC－12Co－3Cr和WC－14Co－3Cr涂層與基體結(jié)合不是很緊密，噴涂面與集體存在分離現(xiàn)象。界面處基體顯微組織變化很小，涂層組織由WC硬質(zhì)相、粘接相及孔隙組成，這些孔隙主要是由于噴涂中粉末熔融的粒子多，冷卻時體積收縮以及溶解在熔融粒子中的雜質(zhì)析出造成的［5－6］。

圖4　涂層截面的金相結(jié)構(gòu)Fig.4　 Metallurgical structure coating section(a) WC－8Co3Cr; (b) WC－10Co3Cr; (c) WC－12Co3Cr; (d) WC－14Co3Cr

2.3涂層顯微硬度分析

涂層相同深度的顯微硬度如表2所列，由表可知Co含量不同的四種涂層顯微硬度均較高，其中WC －10Co－3Cr涂層的平均顯微硬度為860HV，高于其他Co含量的涂層。這是因為Co含量為10%時，WC硬質(zhì)顆粒更均勻的分布在CoCr粘結(jié)相中，且組織緊密，孔隙率低，從而顯微硬度較高。

表1　涂層的顯微硬度Table 1 Coatings microhardness

2.4涂層耐磨性分析

表2是不同噴涂材料所制備的涂層磨損系數(shù)，由表可知鈷含量為10%的涂層的磨損系數(shù)最低，較基體材料有顯著的提高，完全能滿足一些關(guān)鍵零部件(如轉(zhuǎn)動軸)的表面耐磨性要求。

表2　涂層的磨損系數(shù)Table 2　 Wear coefficient of the coating

圖5為(a) WC－8Co3Cr; (b) WC－10Co3Cr; (c) WC－12Co3Cr; (d) WC－14Co3Cr不同噴涂材料所制備的涂層摩擦磨損后的表面形貌，可以看出涂層表面的磨痕較淺，沒有發(fā)現(xiàn)犁削痕跡，僅有少量的顆粒磨損，這是由于在實驗時隨著剛玉小球壓入涂層表面，剛玉球表面的凸起壓入涂層的表面，并發(fā)生相對滑動運(yùn)動，涂層是WC彌散強(qiáng)化的粘結(jié)相，在發(fā)生滑動的過程中，剛玉球的凸起面如果遇到WC彌散相時，就會產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致在涂層的表面形成細(xì)小劃痕和磨屑，這樣就發(fā)生了磨粒磨損。其中WC－10Co－3Cr涂層的磨痕最淺最窄，這是由于Co含量為10%硬質(zhì)WC相和柔韌性的金屬相CoCr，在基體表面能更好的相互搭配從而提高涂層的耐磨損性能，并且使得涂層孔隙率低，顯微結(jié)構(gòu)致密，因此在摩擦磨損中會表現(xiàn)出涂層耐磨性更優(yōu)異，磨損量少［7－8］。

圖5　磨損后微觀形貌圖Fig.5 The microstructure after wear

從表3可以知道，WC－xCo－3Cr(x =8，10，12，14)涂層的自腐蝕電位均高于基體材料的自腐蝕電位，其中，WC－10Co－3Cr涂層的自腐蝕電位最高，說明在同等電位下，腐蝕傾向最小。另外，四種涂層的腐蝕電流密度Ic都比基體材料的小，其中WC－10Co－3Cr涂層的自腐蝕電流密度最小，自腐蝕電流密度反應(yīng)了材料腐蝕速率，自腐蝕電流密度越小，說明腐蝕速度越小;自腐蝕電流密度越大，則說明腐蝕電流越大。

圖6　不同涂層和基體在3.5wt%的NaCl溶液中的電極化曲線Fig.6　 The electrodes of different coating and substrate in NaCl solution of 3.5wt%1－基體，2－WC－8Co－3Cr，3－WC－10Co－3Cr，4－WC－12Co－3Cr，5－WC－14Co－3Cr

對于WC－xCo－3Cr(x =8，10，12，14)涂層來說，其優(yōu)異的耐腐蝕性能主要取決于涂層陶瓷材料的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)決定了涂層具有很好的耐腐蝕性能，同時也與陶瓷涂層孔隙率有關(guān)，涂層表面孔隙越多，則越易腐蝕。其次，涂層中含有較多的Cr元素，Cr是耐腐蝕性元素，Cr元素的存在極大地促使了鈍化膜的形成。

3　結(jié)論與討論

實驗采用丙烷為燃燒介質(zhì)的超音速火焰噴涂系統(tǒng)，對設(shè)計的四種不同的涂層配方分別進(jìn)行對比研究，四種涂層分別為WC－8Co3Cr、WC－10Co3Cr、WC－12Co3Cr和WC－14Co3Cr。分別采用金相顯微鏡、掃描電鏡、磨粒磨損設(shè)備和電化學(xué)工作站分析涂層的微觀結(jié)構(gòu)、磨粒磨損行為和耐腐蝕性，得出以下結(jié)論:

(1)四種涂層的組織致密性都較好，界面結(jié)合良好，WC－10Co3Cr涂層組織致密性最好;

(2)四種涂層的顯微硬度都較高，其中WC－10Co3Cr涂層的顯微硬度最高;

(3)四種涂層的耐磨性都較好，其中WC－10Co3Cr涂層的耐磨性最好;

(4)四種涂層的耐腐蝕性能均優(yōu)于基體，其中WC－10Co3Cr涂層的耐腐蝕性最好;

(5)最佳工藝配方是鈷含量為10%。

通過采用超音速火焰噴涂工藝噴涂了四種不同Co含量的WC的硬質(zhì)合金粉末，制備出了以Cr12模具鋼為基體的碳化鎢涂層。四種涂層都使得C12模具鋼在保持基體原有的優(yōu)良的塑性的同時也使得基體的表面的力學(xué)性能及組織得到極大的改善，在組織方面由WC硬質(zhì)合金相均勻的分布在CoCr粘結(jié)相中這使得在增強(qiáng)表面硬度的同時也提高了其耐磨性能，但不同的Co含量影響其微組織的構(gòu)成從而影響其力學(xué)性能。四種Co含量的涂層在Co含量10%時其微觀組織致密度、孔隙率都優(yōu)于其他的涂層，以致于WC－10Co－3Cr的顯微硬度、耐磨損性和耐腐蝕性能在四種涂層中是最好的。但對超音速火焰工藝的研究還有待進(jìn)一步的深入，四種涂層只是單一考察一個Co含量的變化，實際情況中影響因素很多如工藝參數(shù)、粉末顆粒度和熱處理的影響等，所以可研究性及其工業(yè)價值值得更進(jìn)一步探討。

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(責(zé)任編輯:李孟良)

WC－xCo－3Cr Coating Micro－structure and Properties of HVOF High Velocity Oxy－fvel

JIANG Hao，ZHU Xie－bin，WANG Gang
(Remanufacturing Surface Engineering Technology Research Center，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China)

Abstract:WC－xCo－3Cr (x = 8，10，12，14) coatings were prepared by HVOF(high velocity oxy－fuel)process on Cr12 mold steel surface.Using metallographic microscope，scanning electron microscope，microhardness tester，and friction and wear testing machine characterization analysis of coating microstructure，microhardness and wear resistance and corrosion resistance are investigated under the influence of different Co content on the microstructure and mechanical properties of the coating，the results show that the Cr12 steel surface wear resistance is higher than after the supersonic flame spraying spraying of matrix wear resistance of improve the quality; Surface hardness is improved in different extent，combined with good interface，including WC－10Co－3Cr coating best tissue density and microhardness，wear resistance and corrosion resistance of the best.

Key words:Cr12 mold steel; HVOF; WC carbide coating; Coating performance

中圖分類號:TG148

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1673－8772(2016) 02－0065－06

收稿日期:2016－01－25

基金項目:安徽省教育廳高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目(KJ2014A023)。

作者簡介:蔣浩(1989－)，男，安徽省蚌埠市人，碩士研究生，主要從事材料表面工程研究。