碳化物基耐磨损涂层的性能.pdf

． 第6 0 卷第3 期 20 08 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．3 A u g u s t2 00 8 碳化物基耐磨损涂层的性能 刘全民，李振铎，刘海飞，任先京，于月光 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要采用等离子喷涂c r j Q 一3 0 ％N i C r 和W C - 1 2 ％C o 碳化物复合粉末制备具有高硬度、耐磨损、抗氧化等优点的金属／陶 瓷涂层．用S E M 研究大气等离子喷涂球形c r 3 C 2 - 3 0 ％N i C r 和W C - 1 2 ％C o 粉末等离子喷涂涂层的显微组织及其对涂层机械性能 的影响。结果表明．球形C r 3 已．3 0 ％N i C r 和W C - 1 2 ％C O 粉末等离子涂层结合强度和表面硬度达到较好水平。W C - 1 2 ％G 。涂层机 械性能均优于C b C a ．3 0 ％N i C r 涂层。 关键词金属材料；等离子涂层；C r 3 c 2 ．N i C r ；W C - C o - 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 2 ；T G l 3 5 ．5 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 3 0 0 3 C r 3 C a N i C r 和w G C 0 复合粉末是在热喷涂工 业中投入应用的两大重要碳化物材料体系。在汽车 工业中，上述两种涂层用于提高动转部件表面的耐 磨损性能，降低零部件的摩擦系数。同时，c r 3 C 2 一 N i C r 也应用于航空和电力领域中耐高温磨损涂层 和高温腐蚀环境的保护涂层，涂层的最高工作温度 在8 0 0 ～9 5 0 ℃范围【1 l 。 W C - C O 涂层的表面硬度和耐磨损性能都比 C r 3 Q N i C r 涂层好，但在高温环境下，W C 硬质相氧 化分解成W 2 C 和w 3 C 等低硬度相，降低涂层的耐 磨损性能，所以该涂层的使用温度最高在4 0 0 ～ 5 3 0 ℃之间E 2 ] ，而C r 3 C 2 ．N i C r 涂层的缺点是硬度低。 在工业腐蚀性大气环境中，C r 3 。c a N i C r 涂层以 其优越的耐磨损和耐腐蚀性能等到了广泛的应用。 影响涂层性能的主要因素是C r 3 Q 相在N i C r 合金 连接相中的分布均匀程度，涂层中的碳含量和铬含 量也对涂层的耐磨性能有很大的影响。研究表明， W C - C o 依然是不可替代的耐磨损材料，热喷涂w G C o 涂层在各类造纸辊、镀锌沉没辊表面的耐磨耐腐 蚀涂层已经广泛应用【3 _ 4 ] 。 在等离子喷涂过程中，保持送粉器送粉的连续 性和稳定性是影响喷涂过程涂层质量的关键因素之 一。另外，粉末在等离子焰流中飞行轨迹的稳定性 和直线性也对涂层的沉积效率和气孔率等因素有着 重要影响。而球形粉末在保持上述要求时具有明显 的优势，球形粉末在等离子焰流中的受热熔解也较 均匀，涂层成分更容易控制。通过对球形C r 3 Q ． 3 0 ％N i c r 和W C - 1 2 ％C o 复合粉末等离子喷涂试 验，研究了球形碳化物／金属复合涂层的显微组织和 机械性能。 1实验方法 1 ．1 喷涂材料 试验用等离子喷涂C r 3 c 2 ．3 0 ％N i C r 粉末牌号 为K F 一7 1 ，粒度范围一7 5 ～ 1 5 t u m ，W C - 1 2 ％C o 粉 末牌号为K F ．6 0 ，粒度范围一4 5 ～ 1 0 肚m 。粉末通 过球化制粒、致密化烧结和破碎筛分等工艺过程制 备。目前，两种粉末已实现商品化生产，粉末化学成 分及物理性能见表1 。 表IC r 3 c z ．3 0 ％N i C r 和W C - 1 2 ％C o 粉末化学成分及物理性能 T a b l e1C o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fC r 3 Q - 3 0 ％N i C ra n dW C - 1 2 ％C o 收稿日期2 0 0 8 一0 1 3 1 作者简介刘全民 1 9 7 7 一 ．男，北京市人．工程师，硕士，主要从事 金属材料合成与加工等方面的研究。 1 ．2 大气等离子喷涂过程 试验的基体材料为1 C r l 8 N i 9 T i 不锈钢，样片尺 寸为6 0 r a m x 5 0 m m 5 m m 。样片先用酒精清洗，然 后表面进行喷砂粗化处理。等离子喷涂设备为 万方数据 第3 期 刘全民等碳化物基耐磨损涂层的性能3 1 S u l z e rM e t c o7 M B 系统，专用喷涂细粉陶瓷喷嘴。 喷涂层厚度0 ．3 ～0 ．4 m m ，喷涂角度9 0 。。等离子气 体采用心绡2 气体。等离子喷涂工艺参数见表2 。 表2 等离子喷涂C r 3 C 2 3 0 ％N i C r 和 W C ．1 2 ％C o 粉末工艺参数 T a b l e2T e c h n i e s lp a r a m e t e ro fO r 3 C 2 3 0 ％N i C r a n dW C _ ，1 2 ％C ob yA P Sp r o c e s s 1 ．3 粉末及涂层显微组织及涂层物理性能分析 球形C r 3 Q 一3 09 6 N i C r 和w C l 2 ％C o 复合粉末 的表面形貌及剖面组织结构及涂层的显微组织结构 由S 3 5 0 0 N 扫描电子显微镜进行分析。涂层的表 面硬度和结合强度按G B 8 6 4 0 1 9 9 8 和G B 8 6 4 1 ．1 9 9 8 国家标准进行测试。 2 试验结果及讨论 2 ．1 粉末表面形貌及剖面显微组织分析 C r 3 Q 一3 0 ％N i C r 复合粉末的表面形貌和剖面 的显微组织见图1 a 和图1 b ，粉末表面由C r 3 C 2 颗粒形成骨架结构，在烧结过程的初始阶段球化制 粒时的粘合剂从粉末颗粒的间隙挥发，在烧结温度 下N i C r 合金液相充填在C r 3 Q 颗粒的间隙位置，粉 末发生收缩，形成致密化结构。从图1 b 粉末剖面 可以看出颜色较深的相为C r 3 C 2 ，浅白色为N i C r 合 金连接相。 W C - 1 2 ％C o 复合粉末的表面形貌和剖面冶金 组织见图1 c 和图1 d ，该粉末表面由W C 颗粒形 成骨架结构，C o 做为连接相分布于W C 颗粒的间隙 位置，由于W C 颗粒粒径较小，颗粒比表面积大，烧 结时C o 相难以完全润湿W C 颗粒表面，所以在图 d 中，部分W C 颗粒以颗粒问靠分子力结合，未形 成冶金结合。灰色相为C o 相。小颗粒为W C 相。 C r 3 C 2 ．N i C r 粉末的最佳性能是C r 3 Q 相均匀分 布于N i C r 合金相中，国外普遍的制备方法是采用等 离子焰流烧结，粉末球形度高，组织均匀致密，但对 等离子设备要求较高。而通过烧结炉烧结方式制备 的粉末，容易产生过烧结，在破碎过程中不能保持球 形颗粒的原有形貌，只有通过严格的瞬间液相烧结 工艺，即保证了粉末破碎时形貌不被破坏，又最大限 度的保证两相间形成冶金结合。 8 一C q ，3 0 ％N i C r 表面形貌； b 一C 岛Q ．3 0 ％N i C r 割面组织； c 一W C - 1 2 ％C o 表面形貌； d 一W C - 1 2 ％C o 剖面组织 图1 粉末表面形貌及剖面显微组织相S E M F i g ．1M e r o s c o p i eS l ；r l l e t t l r 器a n ds u r f a c e f i g u r eo fp o w d e rb yS E M 2 ．2 等离子涂层显微组织 C r 3 C 2 3 0 ％N i C r 涂层显微组织扫描电镜相见图 2 a 和图2 b ，涂层组织连续化程度高，是球形粉 末涂层的优点。其中大部分灰黑色的C r 3 C 2 颗粒在 喷涂过程中熔化，颗粒扁平化充分，与白色N i C r 合 金相形成较好的冶金结合。通过放大相发现少数 C r 3 Q 相颗粒之间即使相互的“咬合”性较好，但两 个颗粒并不能形成贯通式融合，成为涂层中显微裂 纹的发源部位。 W C - 1 2 9 6 C o 涂层显微组织扫描电镜相见图2 c 和图2 d ，细小的W C 颗粒均匀分布于C o 连接 相中，弥散分布的W C 硬质相使涂层具有很高的硬 度和乃磨损性能。与C r 3 Q 一3 0 ％N i C r 涂层相比， W C 一1 2 ％C o 涂层组织致密，涂层粒子间没有明显可 见的气孔或显微裂纹等缺陷，这可能是因为粉末中 W C 颗粒的原始粒度比C r 3 Q 颗粒小，在喷涂过程 中易被C o 相润湿，w G l 2 ％C o 颗粒扁平化迅速充 分，所以涂层结构较致密。 由涂层显微组织可以看出W C l 2 ％C o 涂层在 致密度和孔隙率方面明显优于C r 3 C 2 ．3 0 ％N i C r 涂 层，W C 相在涂层中的分布主要是弥散分布，粘结相 C o 对W C 的润湿更加充分，降低了磨损过程中，W C 万方数据 3 2有色金属第6 0 卷 粒子的脱落而降低涂层的耐磨损性能。同时，W C 硬质相在喷涂过程中基本保持原始颗粒的形貌，说 明在喷涂过程中由于C o 合金的包覆效果好，W C 相 发生很少的脱碳、氧化反应。等离子喷涂C r 3 C 2 ． 3 0 ％N i C r 涂层中C r 3 Q 相在高温焰流作用下发生 熔解、变形，快速凝固成型后形成低硬度的低碳化合 物 C r 7 C 3 和C r 2 3 c 6 ，降低了涂层自身的硬度和耐 磨损性能。 a ， b 一C r 3 c 2 - 3 0 ％N i C r 涂层显微组织S E M 8 0 0 ，2 0 0 0 ； c ． d 一W C - 1 2 ％C o 涂层显微组织S E M 8 0 0 ，2 0 0 0 图2 球形复合粉末等离子喷涂 涂层显微组织S E M F i g ．2M i c r o s c o p i cs t r u c t u r e so fc o a t i n g s p r o d u c e db yA P Sp r o c e s s 2 ．3 涂层机械性能 C r 3 Q ．3 0 ％N i C r 和W C - 1 2 ％C o 涂层的结合强 度及表面硬度值见表3 。W G l 2 ％C o 涂层表面硬度 较高 H R l 5 N 8 6 ，与其他类型的W C - 1 2 ％C o 粉 末涂层相比处于较好的水平。涂层结合强度方面。 由于W C - 1 2 ％C o 涂层与基体有良好的结合界面和 较高的涂层致密度，涂层结合强度高达6 5 ．5 M P a ， 高于C r 3 c a ．3 0 ％N i C r 涂层的6 0 ．2 M P a 。涂层组织 的扫描电镜分析也验证了试验结果。 表3C r 3 C 2 ．3 0 ％N i C r 和W C 一1 2 ％C o 涂层机械性能 T a b l e3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fC r 3 l Q ．3 0 ％N i C r a n dW C - 1 2 ％C oc o a t i n g 3结论 试验结果表明，球形的C r 3 C 2 ．3 0 ％N i C r 和W G 1 2 ％C o 复合粉末，在流动性和松装密度方面具有明 显的优势，两种粉末的等离子涂层连续性和致密度 较好，涂层中硬质相分布均匀，没有明显的偏析现 象。球形W C ．1 2 ％C O 粉末等离子喷涂涂层的结合 强度和表面硬度分别比C r 3 C 2 3 0 ％N i C r 涂层高 8 ．1 ％和9 ．9 ％。 参考文献 1 ] M a r t h u sG ，P i c a sJA ．E f f e c to ff e e d s t o c kp o w d e rs i z eo nt h es l i d i n gw e a l “ b e h a v i o u ro ft h e r m a ls p r a y e dH V O FC r 3 Q N i C r c o a t i n g s [ C ] ／／I T S C2 0 0 4I n t e r n a t i o n a lT h e r m a lS p r a yC o n f e r e n c e ．O s a k aJ a p a n ，2 0 0 4 1 0 1 2 ． [ 2 ] M o r k sMF ，S h o e i bMA ，C a i r o ．C o m p a r a t i v es t u d yo fn a n o s t r u c t u r e da n dc o n v e n t i o n a lW G C oc o a t i n g s [ C ] ／／I T S C2 0 0 4I n t e r n a t i o n a lT h e r m a lS p r a yC o n f e r e n c e ．O s a k aJ a p a n ，2 0 0 4 2 6 2 8 ． [ 3 ] 周传让．喷雾干燥法制备碳化物一钴类复合粉末[ c ] ／／2 0 0 5 全国热喷涂技术经验交流会论文集．中国包头，2 0 0 5 1 5 1 8 ． [ 4 ] 王建，姜继恒，王海军．瓦楞辊齿面超音速等离子喷涂w D C o 涂层提高硬度与耐磨性[ C ] 1 ／2 0 0 5 全国热喷涂技术经 验交流会论文集．中国包头，2 0 0 5 6 9 4 3 ． P r o p e r t i e r so fA n t i - a b r a s i o nC a r b i d eC o a t i n g s U UQ u a n m i n ，L IZ h e n d u o ，L I UH a i 一／硅，R E NX i a n - j i n g ，Y UY u e - g u a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a e t T h eC r 3 C 2 3 0 ％N i C ra n dW C - 1 2 ％C oc a b i d ec o a t i n g sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha sh i g hh a r d n e s s ， a n t i a b r a s i o na n do x i d a t i o nr e s i s t a n c ea r ep r e p a r e db yA P Sp r o c e 砖．T h em i c r o s c o p i c ‘s t r u c t u r e sa n dt h e i re f f e c t s o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g sa r ea n a l y z e db yS E M ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc o a t i n g so f s p h e r i cC r 3 c a - 3 0 ％N i C ra n dW C - 1 2 ％C op o w d e r sp r o d u c e db yA P Sp r o c e s sa r eo fh i g hh a r d n e s sa n db o n d s t r e n g t h ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fC r 3 C 2 3 0 ％N i C rc o a t i n gi sb e t t e rt h a nW C - 1 2 ％C oc o a t i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；p l a s m as p r a yc o a t i n g ；C r 3 C 2 一N i C r ；W C C o 万方数据