深冷處理對超音速火焰噴涂涂層顯微組織和力學(xué)性能的影響

丁鵬飛，劉　寧，朱協(xié)彬，王　剛，蔡聰聰（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖　241000）

深冷處理對超音速火焰噴涂涂層顯微組織和力學(xué)性能的影響

丁鵬飛，劉寧?，朱協(xié)彬，王剛，蔡聰聰
（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

采用超音速火焰噴涂工藝對40Cr模具鋼噴涂了WC-10Co-3Cr涂層，并采用深冷處理工藝對涂覆件進(jìn)行了處理.利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分別對涂覆件表面進(jìn)行了形貌、物相和晶體結(jié)構(gòu)分析，利用數(shù)顯顯微維氏硬度計測試了涂覆件涂層的顯微硬度，考察了深冷處理工藝條件對涂覆件涂層顯微組織、空隙率和顯微硬度的影響.結(jié)果表明：WC晶粒尺寸與涂層顯微硬度成正比，深冷處理使40Cr模具鋼WC-10Co-3Cr涂層中WC晶粒尺寸增大，涂層的顯微硬度上升；隨著保溫溫度的降低和保溫時間的延長，Co相發(fā)生了收縮，涂層的空隙率降低，涂層中η相細(xì)化增多，涂層的顯微硬度也隨之上升.

深冷處理；HVOF；WC-10Co-3Cr涂層；顯微硬度

超音速火焰噴涂（HVOF）涂層具有優(yōu)良的耐磨耐腐蝕性能，為了減少孔隙、進(jìn)一步優(yōu)化涂層的性能，國內(nèi)外學(xué)者主要是從噴涂的工藝參數(shù)角度研究其對涂層性能的影響［1-4］，另外也有學(xué)者研究粉末成份結(jié)構(gòu)對涂層性能的影響［5］.當(dāng)工藝優(yōu)化到一定程度后，涂層的性能得到提高，但涂層的缺陷沒有完全消失，因此，可以使用其他方法進(jìn)一步改善涂層性能.深冷處理可以提高金屬、合金、碳化物及塑料等材料的力學(xué)性能和使用壽命，且環(huán)境污染小、成本低廉，又稱之為超低溫處理，通常以液氮（-196℃）為制冷劑［6］.目前，關(guān)于深冷處理對硬質(zhì)合金物相結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌、力學(xué)性能等方面的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多研究［7］.深冷處理使硬質(zhì)合金中碳化物分布均勻、粘結(jié)相Co相收縮致密化且發(fā)生α-Co（fcc）相向ε-Co（hcp）馬氏體相轉(zhuǎn)變，提高Co與WC硬質(zhì)相粘結(jié)的牢固度，同時增強(qiáng)耐磨性［8-10］.不僅如此，深冷處理還提高了硬質(zhì)合金刀片的耐磨性增加其壽命［11］.硬質(zhì)合金與超音速火焰噴涂應(yīng)用最普遍的WC-Co涂層具有相類似微觀機(jī)理，都是通過Co相將硬質(zhì)相WC粘結(jié)在一起，都具有較高硬度、耐磨性，及良好韌性［12-13］.兩者又存在差別，即微量元素及加工工藝不同，導(dǎo)致微觀的組織結(jié)構(gòu)存在一定的差異.但目前尚未發(fā)現(xiàn)利用深冷工藝對HVOF涂層進(jìn)行處理的報道.

對WC-10Co-3Cr HVOF涂層采用不同深冷處理工藝進(jìn)行處理，旨在探討深冷處理對涂層微觀組織結(jié)構(gòu)、空隙率和顯微硬度的影響，以期改善涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高涂層的力學(xué)性能.

1　試驗

1.1試驗材料

基體材料：40Cr模具鋼；噴涂材料：WC-10Co-3Cr粉末，顆粒度300～500目，中國金屬研究所生產(chǎn).

1.2試驗設(shè)備

數(shù)控線切割機(jī)床（DK7735，常州博銳格數(shù)控機(jī)械有限公司）；箱式噴砂機(jī)（RJ-9060，上海仁杰機(jī)械設(shè)備有限公司）；超音速火焰噴涂系統(tǒng)（DF-3000，蘇州統(tǒng)明表面工程有限公司）；深冷處理系統(tǒng)（SLX-80，中科院理化技術(shù)研究所）.

1.3試驗過程

（1）試驗工藝流程圖.噴涂和深冷處理試驗工藝流程圖如圖1所示.

（2）超音速火焰噴涂.首先對40Cr模具鋼待噴涂表面進(jìn)行清洗除油處理，再通過噴砂處理達(dá)到表面除銹、粗糙化的目的，因為涂層與基體主要是靠機(jī)械粘合，干凈粗糙的界面利于涂層的附著.噴涂前需對基體進(jìn)行預(yù)熱，防止高溫粉末激冷降低涂層的質(zhì)量.噴涂過程保持噴涂距離為250 mm左右，噴槍的移動速度均勻，保證噴涂后涂層厚度均勻平整.噴涂后涂層自然冷卻至室溫.具體的噴涂工藝參數(shù)如表1所示.

表1　超音速火焰噴涂工藝參數(shù)

圖1　噴涂和深冷處理試驗工藝流程圖

（3）深冷處理.深冷處理設(shè)備為SLX-80深冷處理系統(tǒng)，其主要原理是通過控制液氮進(jìn)入保溫箱的量來控制降溫速率，溫度傳感器感知保溫爐的實時溫度并將信號傳送到閥門，控制閥門的開關(guān)從而控制液氮進(jìn)入量.將噴涂制得的涂覆件分為4組，進(jìn)行對比分析深冷處理的影響，其中一組未經(jīng)處理.深冷處理溫度分別為-160℃、-196℃，保溫時間分別為2 h、12 h和24 h，降溫速率均為3℃·min-1.具體工藝參數(shù)如表2所示.

深冷處理結(jié)束后均進(jìn)行低溫退火處理，退火溫度為200℃，退火時間為3 h，以消除涂層殘余應(yīng)力.最后將制得的涂覆件進(jìn)行線切割，作為試樣.

表2　深冷處理及退火參數(shù)

1.4表征與測試

用日本日立S-4800掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層和粉末的微觀組織結(jié)構(gòu)，再結(jié)合Image-Pro Plus圖片處理軟件計算涂層的空隙率.德國布魯克D8系列X射線衍射儀（XRD）對涂層和粉末進(jìn)行物相分析，掃描角度范圍為2θ（10°～100°），步長0.02 mm，掃描速度6°/min.測試顯微硬度利用上海比目儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯顯微維氏硬度計，型號為HVS-1000，試驗力為2.94 N，加載時間為10 s，每個試樣測試7個點(diǎn)取平均值，應(yīng)盡量保證取點(diǎn)的隨機(jī)和均勻分布.

2　結(jié)果與討論

2.1形貌分析

WC-10Co-3Cr粉末SEM形貌如圖2所示.圖2a、圖2b分別為1000倍和10000倍下SEM相片.由圖2a可以看出，粉末呈規(guī)則的球狀且表面光滑、純凈無污染，這有利于噴涂過程中粉末的流動性.對粉末的表面進(jìn)一步放大，由圖2b可以看出，粉末由具有棱角的WC顆粒和粘結(jié)相Co組成，粉末結(jié)構(gòu)并不密實，其中存在一定的空隙.

不同深冷處理工藝下WC-10Co-3Cr涂層與基體結(jié)合面的截面SEM形貌如圖3所示.其中，圖3a為深冷處理前的形貌，圖3b、圖3c、圖3d分別為深冷處理后的形貌，保溫時間和保溫溫度依次為-160℃、2 h；-196℃、2 h；-196℃、12 h.由圖3可以看出，淺白色部分為HVOF涂層，深灰色部分為40Cr磨具鋼基體，淺白色部分和深灰色部分界線為涂層與基體的分界面，涂層中深黑色無規(guī)則區(qū)域為空隙.涂層與基體主要是靠粉末在高溫熔融狀態(tài)下高速撞擊基體凝固后的機(jī)械粘合力進(jìn)行結(jié)合.從圖3中還可以看出，深冷處理前后涂層與基體均結(jié)合緊密，沒有出現(xiàn)裂紋或分離的跡象.另外，隨著溫度的下降和保溫時間的延長，涂層的空隙有減小的趨勢.

通過Image-Pro Plus軟件的計算和處理，不同深冷處理工藝條件下涂層空隙率變化曲線如圖4所示.圖4a是保溫時間為2 h情況下，空隙率隨保溫溫度變化曲線.圖4b是保溫溫度為-196℃情況下，空隙率隨保溫時間變化曲線.由圖4a可以看出，深冷處理在相同保溫時間下，空隙率隨保溫溫度的降低而減??；由圖4b可以看出，深冷處理在相同保溫溫度下，空隙率隨保溫時間的增加而減小，時間越長，空隙率減小幅度越低.涂層空隙率由深冷處理前的4.02%降低到-196℃下保溫24 h后的2.84%，這與圖3中觀察現(xiàn)象一致.Co相在低溫下收縮，且溫度越低、保溫時間越長，其收縮率越大，與其同時，涂層中的空隙隨著周圍基體的收縮而減小.

圖2　WC-10Co-3Cr粉末的SEM形貌

圖3　深冷處理前后涂層與基體結(jié)合截面SEM形貌

深冷處理前后涂層的SEM顯微組織形貌如圖5所示.圖5a為深冷處理前的涂層顯微組織.圖5b為深冷處理后（-196℃、24 h）的涂層顯微組織.由圖5可以看出，白色顆粒狀為WC，WC顆粒之間灰色區(qū)域為粘結(jié)相Co，Co相中深色斑點(diǎn)為η相.與粉末中有棱角的WC顆粒相比，涂層中WC顆粒的輪廓圓滑，這是由于WC顆粒在Co相中發(fā)生部分分解［14］，并生成η相.由圖5a可以看出，未經(jīng)深冷處理的涂層可以看到η相，而在圖2b所示粉末表面并未發(fā)現(xiàn)該物相，這主要是在噴涂過程中產(chǎn)生的.由圖5b可以看出，在-196℃下保溫24 h深冷處理涂層中的η相，比未經(jīng)處理涂層細(xì)化且增多，WC顆粒尺寸也有所增大.

2.2物相和晶體結(jié)構(gòu)分析

粉末及深冷處理前后的涂層的X射線衍射圖譜如圖6所示.圖6a為WC-10Co-3Cr粉末的X射線衍射圖譜，圖6b、圖6c分別為深冷處理前和深冷處理后（-196℃、12 h）涂層的X射線衍射圖譜.由圖6a可以看出，粉末中存在少量中間相η相，這是在粉末制備的過程中產(chǎn)生的.需要指出的是，WC和Co在不同的環(huán)境下會產(chǎn)生不同的中間相，種類較多，可統(tǒng)一歸結(jié)為η相.由圖6a、圖6b粉末X射線衍射圖相比可知，Co衍射峰消失或者不明顯，在2θ為23°附近出現(xiàn)新相，這是因為在噴涂過程中WC相與熔融的Co相反應(yīng)生成中間相η相，結(jié)合圖3，涂層中黑色斑點(diǎn)狀相就是對應(yīng)23°附近的新相，即η相.由圖6b、圖6c兩圖相比可知，沒有發(fā)生明顯變化，說明深冷處理后涂層中沒有產(chǎn)生明顯的其他相變.

利用軟件分析不同深冷處理工藝條件下涂層的X射線衍射圖譜，得到WC晶粒的尺寸如表3所示.由表3可知，深冷處理前的WC晶粒平均尺寸為24.6nm，在保溫2 h條件下，深冷處理溫度越低WC晶粒尺寸越小.在低溫下WC晶粒發(fā)生收縮，溫度越低WC晶粒收縮率越大.但在-196℃下，隨著保溫時間延長，涂層中WC晶粒尺寸不斷增加，在處理達(dá)到24 h后，WC晶粒達(dá)到29 nm，這超過了深冷處理前WC晶粒的尺寸.在低溫下WC在Co相中溶解度降低，WC優(yōu)先依附原始WC顆粒析出，隨著時間的延長析出越充分，而在一定溫度下WC晶粒尺寸收縮率會有一個極值，因此WC晶粒尺寸越大.

圖4　深冷處理溫度和時間對涂層空隙率的影響

圖5　深冷處理前后涂層的SEM顯微組織形貌

表3　深冷處理對涂層WC晶粒尺寸影響

2.3深冷處理對顯微硬度的影響

不同深冷處理工藝條件下對顯微硬度的影響如圖7所示.圖7a為在保溫2 h時涂層顯微硬度隨保溫溫度的變化曲線，圖7b為保溫溫度在-196℃時顯微硬度隨保溫時間的變化曲線.由圖7a可以看出，涂層的顯微硬度隨深冷處理溫度的降低而降低，未處理的涂層顯微硬度為1 194.8 HV，在-196℃下涂層顯微硬度最低，為1 047.1 HV.由圖7b可以看出，保溫溫度在-196℃下，隨著深冷處理保溫時間的延長涂層的顯微硬度同時也在提高，且保溫時間越長顯微硬度提升的幅度越小.在保溫24 h后，涂層的顯微硬度上升到1 235.5 HV，這比未處理涂層顯微硬度高.

圖6　WC-10Co-3Cr粉末及深冷處理前后涂層X射線衍射圖

圖7　深冷處理工藝對涂層顯微硬度的影響

綜上所述，深冷處理在-196℃、2 h條件下，WC晶粒尺寸最小，此時涂層顯微硬度最低；深冷處理在-196℃、24 h條件下，WC晶粒尺寸超過深冷處理前的尺寸，涂層顯微硬度也超過深冷處理前的涂層.WC-10Co-3Cr涂層的顯微硬度大小與WC晶粒的大小成正相關(guān)，WC晶粒越大，涂層的顯微硬度越高，反之亦然.因此，WC晶粒尺寸對涂層顯微硬度起到?jīng)Q定性作用.另外，深冷處理使η相細(xì)化增多，細(xì)晶強(qiáng)化作用使涂層的顯微得到提高，同時，粘結(jié)相Co相收縮、空隙率降低也在一定程度上提高涂層的顯微硬度.

3　結(jié)論

通過對40Cr模具鋼涂覆件采用不同深冷處理工藝進(jìn)行處理，研究了深冷處理工藝條件對涂覆件WC-10Co-3Cr涂層顯微組織、空隙率和顯微硬度的影響.隨著保溫溫度降低、保溫時間增加，涂層的空隙率越低、涂層的致密度越高；深冷處理能夠增加和細(xì)化脆硬相η相，η相主要存在于較軟Co相中，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化作用；WC晶粒尺寸大小與涂層顯微硬度成正比，晶粒尺寸越大，顯微硬度越高，反之亦然.WC晶粒尺寸大小對涂層顯微硬度起到?jīng)Q定性作用.

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The Effect of Cryogenic Treatment on the Micro Hardness and Mechanical Property of HVOF Coating

DING Peng-fei，LIU Ning?，ZHU Xie-bin，WANG Gang，CAI Cong-cong
（College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

The High Velocity Oxygen Fuel were used on 40Cr die steel to spray the WC-10Co-3Cr coating，and cryogenic treatment process were used on the coating.The methods of scanning electron microscopy（SEM）and X-ray diffraction（XRD）were used to examine the changes of microstructure，phase and crystal structure after different treatments.Digital micro Vickers hardness tester was used to examine micro hardness of the coating.The effects of the cryogenic treatment process conditions on microstructure，porosity and micro hardness of the coating were tested.The results showed that the coating micro hardness is in proportion to the WC grain size.Cryogenic treatment of WC-10Co-3Cr coating increased WC grain size，and the micro hardness of the coating were improved；at the same time，with dropping temperature and prolonging time，Co phase contracted，the rate of coating voids reduced，theηphase refined and increased，the micro hardness of the coatings also increased.

cryogenic treatment；HVOF；WC-10Co-3Cr；micro hardness

TG174

A

1672-2477（2016）04-0052-06

2016-01-10

安徽省教育廳高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)基金資助項目（KJ2014A023）

丁鵬飛（1990-），男，安徽安慶人，碩士研究生.

劉寧（1961-），男，江蘇靖江人，教授，碩導(dǎo).