Cr3C2晶粒度對HVOF噴涂Cr3C2-25NiCr涂層組織及其耐磨粒磨損性能的影響

郭望望，馮紅喜，黃龍霄

(鋼諾新材料股份有限公司 科研中心，河北 邯鄲 057650)

Cr3C2-NiCr熱噴涂粉末是目前應(yīng)用最廣泛的金屬陶瓷復(fù)合材料之一。碳化鉻(分子式為Cr3C2)具有較高的硬度和抗高溫氧化性能，NiCr合金具有優(yōu)良的抗氧化和耐腐蝕性能，因此Cr3C2-NiCr熱噴涂粉末常用于制作發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、噴涂爐輥、鍋爐四管等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、石油、能源等領(lǐng)域的耐高溫耐磨損噴涂加工[1-2]。

熱噴涂技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。其中，超音速噴涂具有焰流溫度高、沖擊速度大等優(yōu)點(diǎn)，制備的Cr3C2-NiCr涂層結(jié)合強(qiáng)度高、硬度均勻、孔隙率低、沉積率高，具有優(yōu)異的耐磨耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵部件的表面強(qiáng)化處理[3-5]。目前對Cr3C2-NiCr涂層的研究主要集中在粉末制備工藝、噴涂設(shè)備以及噴涂參數(shù)對涂層組織結(jié)構(gòu)、性能的影響方面，有關(guān)Cr3C2晶粒度對涂層組織結(jié)構(gòu)和噴涂性能的影響研究較少[6-8]。本文擬通過一系列試驗(yàn)，研究不同Cr3C2晶粒度對Cr3C2-25NiCr熱噴涂粉末沉積率、涂層組織結(jié)構(gòu)及耐磨粒磨損性能的影響。

1 原料和試驗(yàn)方法

(1) 試驗(yàn)粉末制備所用原料為株洲市某公司生產(chǎn)的0.8 μm、3.0 μm和5.0 μm Cr3C2粉末，本文分別以A型、B型、C型對應(yīng)這3種不同粒度的Cr3C2以及相應(yīng)的粉末涂層。3種Cr3C2原料的費(fèi)氏粒度及所含游離成分如表1所示。3種原料主要的成分差別不大，均符合原料成分的檢測標(biāo)準(zhǔn)。原料配比為75% Cr3C2、20% Ni和5% Cr。原料準(zhǔn)備時(shí)要在原料中添加一定比例的去離子水和成型劑，在球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行混合和球磨(球磨時(shí)間為36 h)，并采用水基噴霧干燥設(shè)備將球磨后的料漿霧化干燥成一定粒度的球形粉末。

表1 3種Cr3C2原料的費(fèi)氏粒度及所含游離成分

圖1所示為3種Cr3C2原料的掃描電鏡(SEM)形貌。由圖1可以看出，3種Cr3C2原料的表面均呈不規(guī)則光滑形貌，粒度均勻，未見異常夾粗及氧化物夾雜現(xiàn)象，符合試驗(yàn)原料的選用要求。

(a) A型

(b) B型

(c) C型

(2) 采用SG46型超聲波振篩機(jī)篩分粉末粒度，并用Scott漏斗法檢測粉末的松裝密度，采用JP8000型超音速火焰噴涂(HVOF)設(shè)備將用不同原料制備的熱噴涂粉末噴涂在中碳鋼基體上，制成檢測試樣。噴涂前基體要進(jìn)行除油和噴砂處理。

沉積率測試采用增重法，測試樣塊為200 mm×200 mm×5 mm的中碳鋼。涂層組織性能的測試樣塊為50 mm×15 mm×5 mm的中碳鋼，且要求在切割、鑲嵌、拋光后進(jìn)行試樣的組織結(jié)構(gòu)觀察和顯微硬度測量。涂層耐磨性能的測試樣塊為75 mm×25 mm×13 mm的中碳鋼，且要求用高精度電子天平稱量樣塊噴涂后質(zhì)量的變化來表征噴涂粉末的沉積率；用高精度電子天平稱量磨損前后的質(zhì)量，以質(zhì)量的變化來表征涂層的耐磨性能。涂層顯微組織的觀察采用蔡司EVO 18型掃描電子顯微鏡和蔡司Imager A2m型金相顯微鏡。顯微硬度的測試采用VICKERS 402 MVD顯微硬度計(jì)。耐磨性能的測試采用ASTM G65型干砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)。孔隙率采用USB 2.0圖像分析系統(tǒng)，并根據(jù)灰度法原理進(jìn)行測試。

2 噴涂用Cr3C2-25NiCr球形粉末的制備

3種Cr3C2原料經(jīng)團(tuán)聚燒結(jié)制備的Cr3C2-25NiCr球形粉末表面及截面的SEM形貌如圖2所示。為避免氧化脫碳，粉末的燒結(jié)過程需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，并充入惰性保護(hù)氣體，使燒結(jié)溫度接近于粘結(jié)相金屬中低熔點(diǎn)組分的熔點(diǎn)，以保證讓粘結(jié)相金屬軟化的同時(shí)不發(fā)生液相轉(zhuǎn)變的物理化學(xué)變化，使粉末從噴霧干燥的機(jī)械結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)后的半冶金結(jié)合狀態(tài)，并具有一定的強(qiáng)度和致密度。粉末經(jīng)燒結(jié)分級破碎處理，采用超聲波振篩機(jī)制成規(guī)格為15～45 μm的噴涂用粉末，并用Scott漏斗法檢測粉末的松裝密度。

(a) A型粉末表面

(b) A型粉末截面

(c) B型粉末表面

(d) B型粉末截面

(e) C型粉末表面

(f) C型粉末截面

從圖2可以看出，粉末均呈多孔狀蜂窩結(jié)構(gòu)，粉末內(nèi)部存在較多的連通或半連通狀孔隙。這種結(jié)構(gòu)有利于熱噴涂過程中熱量進(jìn)入粉末內(nèi)部，加速粉末的熔化，從而避免或減少存在未熔顆粒的現(xiàn)象[9]。隨著原料Cr3C2晶粒度的增大，A型、B型、C型球形粉末的晶粒度均有所增大，并且在熱作用下粉末中的Cr3C2晶粒都出現(xiàn)了一定程度的再結(jié)晶長大現(xiàn)象。這是因?yàn)闊Y(jié)和噴涂熱作用過程的溫度超過了Cr3C2晶粒的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)溫度，從而導(dǎo)致Cr3C2晶粒的長大。燒結(jié)后3種Cr3C2-25NiCr球形粉末的主要成分含量和松裝密度(表2)相差不大，能夠滿足對比試驗(yàn)的要求。

表2 燒結(jié)后3種Cr3C2-25NiCr球形粉末的主要成分含量和松裝密度

3 粉末沉積率的測試

粉末沉積率測試采用增重法，即計(jì)算用一定質(zhì)量(用M0表示)的粉末完成噴涂后的樣塊增重(用Mp表示)。沉積率DE=Mp/M0。試驗(yàn)取M0為500 g，每種粉末分別進(jìn)行3次沉積率測試，結(jié)果取平均值。3種Cr3C2-25NiCr球形粉末的沉積率測試結(jié)果如表3所示。

表3 3種Cr3C2-25NiCr球形粉末的沉積率測試結(jié)果

從表3來看：3種Cr3C2-25NiCr球形粉末的沉積率差別不大，Cr3C2晶粒度對粉末沉積率的影響不大。這是因?yàn)榧?xì)顆粒的Cr3C2在噴涂過程中融化吸熱較快，液相NiCr合金對硬質(zhì)相的包覆作用較好，噴涂時(shí)未熔顆粒的反彈作用較小，從而提高了沉積率；而粗顆粒的Cr3C2雖熔融程度不夠，但粗大的硬質(zhì)相顆粒在噴涂過程中對上一層噴涂面起到了較強(qiáng)的噴丸和堆疊作用，從而抵消了粉末反彈造成的質(zhì)量損失[10]。

4 顯微組織結(jié)構(gòu)的分析

采用JP8000型HVOF設(shè)備，針對3種球形粉末制備涂層試樣。3種Cr3C2-25NiCr涂層的截面金相及SEM形貌如圖3所示。

從圖3可以看出，用3種不同粒度的Cr3C2粉末制成的Cr3C2-25NiCr涂層都具有均勻致密的涂層結(jié)構(gòu)，涂層組織由Cr3C2硬質(zhì)相、NiCr粘結(jié)相及少量彌散的孔隙組成，其中黑色顆粒為Cr3C2硬質(zhì)相，灰白色區(qū)域?yàn)镹iCr粘結(jié)相，硬質(zhì)相均勻分布在粘結(jié)相中[11]；比較而言，A型涂層中Cr3C2晶粒細(xì)小，粘結(jié)相分布相對均勻，C型涂層中Cr3C2晶粒粗大，硬質(zhì)相顆粒及粘結(jié)相存在一定偏聚；在3種涂層中，B型、C型涂層與基體結(jié)合良好，A型涂層與基體結(jié)合區(qū)存在少量的未結(jié)合點(diǎn)。

噴涂工藝參數(shù)為：氧氣流量1 950 SCFH，煤油流量6.2 gallon /h，載氣流量25 SCFH，噴涂距離350 mm。采用USB 2.0 Camera圖像分析系統(tǒng)和維氏硬度自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)測試的涂層孔隙率(3次平均值)及顯微硬度(10次平均值)如表4所示。

(a) A型涂層截面金相

(b) A型涂層SEM形貌

(c) B型涂層截面金相

(d) B型涂層SEM形貌

(e) C型涂層截面金相

(f) C型涂層SEM形貌

表4 3種Cr3C2-25NiCr涂層的孔隙率及顯微硬度測試結(jié)果

由表4可知：A型涂層的孔隙率為0.54%，明顯高于B型、C型涂層；3種涂層的平均顯微硬度都在850～1 000 HV0.3的范圍內(nèi)，顯微硬度差別不大，但隨著Cr3C2晶粒度的增大有所提高。

分析可知，涂層與基體的結(jié)合情況、涂層孔隙率、粉末沉積率都主要受噴涂過程中的熱作用影響。具體來說，A型粉末在噴涂過程中加熱熔融迅速，但是Cr3C2晶粒熱作用面積較大，加熱時(shí)間較長，導(dǎo)致粉末在噴涂過程中易發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象，產(chǎn)生少量Cr7C3和Cr23C6等硬脆相，而這些硬脆相與基體及粘結(jié)相的結(jié)合作用較差，從而導(dǎo)致涂層孔隙率偏高，與基體結(jié)合的狀態(tài)較差；而B型和C型粉末中Cr3C2硬質(zhì)相的氧化脫碳現(xiàn)象較弱，涂層堆疊作用較強(qiáng)，因此孔隙率較低，涂層與基體的結(jié)合狀態(tài)較好[12]。

5 涂層耐磨粒磨損性能的分析

為了了解涂層的耐磨粒磨損性能，本文測試了3種Cr3C2-25NiCr涂層的磨損失重隨磨損時(shí)間的變化情況(圖4)。

圖4 3種Cr3C2-25NiCr涂層磨損失重隨磨損時(shí)間的變化情況

從圖4可以看出：3種涂層的磨損失重隨磨損時(shí)間呈現(xiàn)基本一致的變化趨勢，開始磨損時(shí)，涂層表面粗糙度較大，故前5 min涂層磨損率較高，磨損失重較大；5 min以后，經(jīng)過磨損的涂層表面粗糙度降低，磨損率隨之降低，涂層的磨損失重也逐漸減小[13-14]；磨損30 min后，A型、B型、C型涂層的磨損失重分別為0.099 g、0.075 g和0.096 g，其中B型涂層的磨損率最低，磨損失重最小，耐磨性能優(yōu)于A型和C型涂層。通常來說，噴涂涂層顯微硬度越高，耐磨性越好，而本文中硬質(zhì)相顆粒不同的噴涂涂層，顯微硬度與耐磨粒磨損性能并未表現(xiàn)為典型的線性相關(guān)。這說明涂層的磨損性能除了與涂層顯微硬度有關(guān)，還與涂層內(nèi)部顆粒大小及涂層致密度密切相關(guān)。

圖5所示為3種Cr3C2-25NiCr涂層磨損后的磨痕形貌。

從圖5可以看出，3種涂層均表現(xiàn)為明顯的磨粒磨損特征，磨損面存在較多的犁形溝槽和Cr3C2顆粒脫落形成的凹坑，其中A型涂層、C型涂層剝落坑較多而B型涂層剝落坑較少。

分析可知，在涂層受磨粒磨損過程中，Cr3C2硬質(zhì)相周圍的NiCr粘結(jié)相在磨粒切削作用下首先被磨掉，進(jìn)而導(dǎo)致Cr3C2硬質(zhì)相暴露在磨粒的磨削作用下，易發(fā)生崩裂和脫落，最終導(dǎo)致涂層的磨損。具體而言：A型涂層中Cr3C2顆粒最小，受磨粒磨削作用最小，但在噴涂過程中受熱作用影響較大，孔隙較多，從而削弱了硬質(zhì)相與粘結(jié)相的結(jié)合力，導(dǎo)致涂層磨損失重較大；C型涂層中Cr3C2顆粒最大，在受磨粒磨損過程中，硬質(zhì)相容易發(fā)生崩裂脫落，此外C型涂層中硬質(zhì)相與粘結(jié)相的不均勻分布也容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得涂層的耐磨粒磨損性能變差；B型涂層的Cr3C2顆粒大小適中，既能承受噴涂過程的熱作用影響，又能避免受磨粒磨損過程中的硬質(zhì)相崩裂脫落，涂層均勻致密，在3種Cr3C2-25NiCr涂層中耐磨粒磨損性能最好。

(a) A型

(b) B型

(c) C型

6 結(jié) 論

(1) 在相同噴涂工藝條件下，Cr3C2晶粒度對Cr3C2-25NiCr噴涂粉末沉積率和涂層顯微硬度的影響較小。

(2) Cr3C2晶粒度對涂層孔隙率和磨粒磨損性能影響較大，A型、B型、C型涂層的孔隙率分別為0.54%、0.23%和0.25%，磨損30 min后失重分別為0.099 g、0.075 g和0.096 g；細(xì)顆粒涂層容易氧化脫碳，涂層孔隙率較高，涂層與基體結(jié)合性能較差，磨損失重較大，耐磨粒磨損性能較差；過粗顆粒的涂層氧化脫碳少，堆疊作用較強(qiáng)，涂層致密，孔隙率較小，但在受磨粒磨損過程中硬質(zhì)相容易發(fā)生崩裂脫落，磨損失重也較大。

(3) Cr3C2晶粒度為3.0 μm時(shí)，Cr3C2-25NiCr涂層具有最佳的綜合性能。