超音速火焰喷涂WC-12Co涂层的高温摩擦磨损性能.pdf

第 15 卷 第 1 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.12023 年 3 月 Thermal Spray Technology Mar.,2023第一作者：朱广宏(1973-)，硕士，高级工程师，E-mail：。通讯作者：王硕煜(1966-)，本科，正高级工程师，E-mail：。超音速火焰喷涂 WC-12Co 涂层的高温摩擦磨损性能朱广宏1，王硕煜1，倪振航1，姜自滔2，辛越2，杨康2，张世宏2（1.安徽马钢表面技术股份有限公司，马鞍山 243000；2.安徽工业大学先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室，马鞍山 243002）摘要：WC-Co-Cr 是一类具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀的金属陶瓷复合涂层材料，常用于工业生产中苛刻服役环境的工件表面防护。本试验采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在 Q235 钢表面分别制备了 WC-12Co-4Cr 和 WC-12Co 复合涂层。使用 XRD、光学显微镜、SEM 以及附带的 EDS、显微硬度计分别对比研究了两组涂层的物相、微观形貌、元素分布、显微硬度和孔隙率。采用球盘式摩擦试验机重点研究两组涂层在常温(25 )、300、600 下的摩擦磨损性能。实验结果表明，加入 Cr 元素的 WC-12Co-4Cr 复合涂层的硬度为 1050 HV0.5比 WC-12Co 涂层的 995 HV0.5更高。常温和 300 下两组涂层的抗摩擦磨损性能基本相似，其中常温下 WC-12Co-4Cr复合涂层的摩擦系数和磨损率分别为 0.4、2.6110-17 m3(Nm)-1，磨损机制为磨粒磨损。而在高温(600 )条件下磨损机制转变为粘着磨损且抗磨损性能显著优于 WC-12Co 涂层；摩擦系数为 0.62、磨损率为 1.110-15 m3(Nm)-1，相同条件下的 WC-12Co 涂层磨损率为 7.210-15 m3(Nm)-1。关键词：WC-Co-Cr；HVOF；高温摩擦磨损；粘着磨损中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127(2023)01-0003-10 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2023.01-003High Temperature Friction and Wear Properties of WC-12Co-4Cr Sprayed by HVOFZhu Guanghong1,Wang Shuoyu1,Ni Zhenhang1,Jiang Zitao2,Xin Yue2,Yang Kang2,Zhang Shihong2(1.Anhui Ma Steel Surface Technology Co.Ltd.,Maanshan 243000;2.Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology of Advanced Metal Materials(Ministry of Education),Anhui University of Technology,Maanshan 243002)Abstract:WC-Co-Cr is a kind of cermet composite coating material with high hardness,wear resistance and corrosion resistance,which often used in workpiece surface protection with harsh service environment in industrial production.In this experiment,WC-12Co-4Cr and WC-12Co composite coatings were prepared on the surface of Q235 steel by high velocity oxygen fuel(HVOF)technology.The phase,microstructure,element distribution,microhardness and porosity of coatings were tested by XRD,optical microscope,SEM,EDS and microhardness tester.The friction and wear properties of coatings at room temperature(25 ),300 and 600 were studied using the ball-disc friction testing machine.The test results showed that the hardness of WC-12Co-4Cr coating with Cr element was higher than WC-12Co coating,which was 1050 HV0.5.The friction and wear resistance of coatings at room temperature and 300 were basically similar.The friction coefficient and wear rate of the WC-20 热 喷 涂 技 术 15 卷12Co-4Cr coating at 25 were 0.4 and 2.6110-17 m3(Nm)-1,respectively.The wear mechanism was abrasive wear.At high temperature(600 ),the wear mechanism changes to adhesive wear and the wear resistance of WC-12Co coating was significantly better than WC-12Co coating.The friction coefficient was 0.62,and the wear rate was 1.110-15 m3(Nm)-1.While,under the same conditions,the wear rate of WC-12Co coating was7.210-15 m3(Nm)-1.Key Words:WC-Co-Cr;HVOF;High-temperature friction and wear;Adhesive wear0 引言WC-Co 是一类具有高硬度、耐磨性的金属陶瓷复合涂层，常作为冶金锅炉、工业燃气轮机、轧辊和飞机起落架等的表面防护材料，用于提高零件的使用寿命1-4。目前常见的 WC-Co 复合涂层的制备方法有热喷涂、激光熔覆和堆焊等。其中，利用超音速火焰喷涂技术(high velocity oxygen fuel,HVOF)在工件表面制备防护涂层具有很大的应用前景。与传统方法相比，HVOF 技术具有涂层结合强度高、致密度好、工作温度低等特点，特别是在制备金属陶瓷复合涂层领域具有显著的优势。以 HVOF 喷涂 WC-17Co 涂层为例，厚度为 100 m 的涂层其抗接触疲劳磨损的寿命较基体（16MnCr5 钢）提高了 1.3 倍，且涂层的防护效果随着涂层厚度的增加而增加3。目前，针对热喷涂 WC-Co 复合涂层摩擦磨损性能的研究已有大量的报道。在热喷涂 WC-Co涂层内部的 WC 陶瓷相常以层状形式分布在金属粘结相中。此外，受到高温焰流的影响会导致少量 WC 氧化分解，以固溶元素的形式进入到粘结相的内部4。一般认为，这些涂层的磨损率与碳化物颗粒的大小、涂层中碳化物的含量以及碳化物与基体结合强度有着密切的关系5。此外，WC 陶瓷相的氧化脱碳程度也是影响涂层性能的重要因素。通常在热喷涂过程中形成大量氧化脱碳的产物会显著降低涂层的耐磨性；同时 W 和C 元素进入到金属粘结相后形成复杂的多相合金则会导致涂层整体的塑韧性变差、开裂。然而，Sudaprasert 等人6的研究表明，低含量的 W 和C 元素溶解到粘结相中实际上可能更有利于磨损性能；而且更高的温度意味着喷涂颗粒的熔化程度更高，后续颗粒对已沉积涂层的表面造成机械损伤的可能性能更小；涂层的整体质量更好、抗磨损性能也更好。此外，作为粘结相的 Co 同样也会影响 WC-Co 涂层的磨损性能。首先，Co 与WC 具有良好的润湿性，这有利于形成致密的复合涂层。此外，在磨损过程中 Co 在与对磨副接触时会生成氧化自润滑相，大大降低了涂层的摩擦系数7。作为对传统 WC-Co 复合材料的改进，WC-Co-Cr 由于其具有优异的耐磨损和抗氧化性能，在工业上得到越来越多的应用8-10。Cr 元素本身极易氧化，但是氧化后生成了致密且稳定的 Cr2O3可以有效的阻隔活泼元素与涂层的进一步氧化11。此外，优秀的抗氧化性能对 WC 陶瓷具有良好的支撑作用，在磨损过程中可以有效的降低陶瓷相和金属相界面附近位置 WC 颗粒破碎损失的几率，从而提高涂层的抗磨损性能12。在常温下使用相同的测试条件测得采用 HVOF 喷涂制备的 WC-10Co-4Cr 涂层的磨损量仅为 WC-Co 涂层的 5%4。研究表明，WC-Co-Cr 在常温条件下具有比WC-Co 更好的摩擦磨损性能。然而关于上述两组涂层在高温条件下耐磨性能的对比研究却鲜有报道。因此，本试验采用相同的 HVOF 喷涂参数，分别制备 WC-12Co-4Cr 和 WC-12Co 两组涂层，并在室温(25 )、300 和 600 下分别进行摩擦磨损测试，探究两组涂层在高温条件下的性能优劣。以判定 WC-12Co-4Cr 在中低温环境中的服役状况，为拓宽防护材料体系的应用领域提供实验数据支撑。1 试验本试验采用团聚造粒的方法制备的 WC-12Co-4Cr 和 WC-12Co 商用喷涂粉末，粉末的平均粒径为 24.8 m 左右且大都为流动性良好的球第 1 期 21 形颗粒。喷涂前先将基板(Q235)浸没在酒精中使用超声波清洗后烘干，去除表面的油污；再使用60#的棕刚玉砂对样品表面进行喷砂粗化处理以提高涂层的结合强度。喷涂粉末在 120 烘箱中保温 20 min 除去颗粒内部的水分后待用。采用北京航天振邦精密机械有限公司生产的 ZB-2000 型超音速火焰喷涂系统制备涂层，以氧气-煤油为燃料、氩气作为载气，装配喷枪为 JP5000，具体喷涂参数如表 1 所示。表 1 超音速火焰喷涂工艺参数Table 1 Process parameters of supersonic flame spraying空气流量(L/min)氧气流量(L/min)丙烷气流量(L/min)送粉率(g/min)送粉气压(psi)350220756077采用 Bruker-D8 Advance X 射线衍射仪(XRD)对涂层的物相进行分析，设置扫描范围为10 90，扫描速度为 5/min；涂层微观形貌以及元素组成采用 Phenom XL 扫描电镜(SEM)以及附带的能谱分析仪(EDS)进行检测。使用光学显微镜(OM)放大 500 倍下观察两组复合涂层的截面组织结构，并在不同区域拍照 5 次，利用 Image J 软件测定并取平均值得到涂层截面的孔隙率。利用 HV-1000 显微硬度计测量涂层的显微硬度，设置载荷为 500 gf，加载保持时间为 5 s，以多次测量的平均值作为最终的硬度值。复合涂层的摩擦磨损性能测试使用了 HT-1000 型球盘式摩擦试验机。所选用的对磨副为直径 6.35 mm 的 Al2O3球，试验过程载荷 10 N、旋转直径 3 mm、转速 364 r/min、时间 30 min、测试温度分别为室温(25 )、300、600。通过 SEM 观察复合涂层磨痕内部形貌，使用 EDS进行元素分析。通过 PLA Tencor P-7 型台阶仪