超音速火焰噴涂WC－CrC－9Ni硬質合金涂層微觀組織及摩擦磨損性能研究

朱建勇，覃思思，歐陽晟，韓旭航，黃 杰，李晨龍，王躍明

（1.湖南省冶金材料研究院有限公司 粉末冶金與金屬陶瓷研究所，湖南 長沙 410129；2.湖南科技大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411201）

在碳化鎢硬質相中添加碳化鉻所形成的WCCrC－Ni復合材料，提高了碳化鎢金屬陶瓷涂層的耐氧化性能和中、高溫性能，同時兼具抗磨損、耐腐蝕等優(yōu)點，WC－CrC－Ni涂層可廣泛應用于工程機械、航空、冶金、石化等諸多工業(yè)領域［1］。國內(nèi)外學者對超音速火焰噴涂（HVOF）WC－CrC－Ni硬質合金涂層的熱導率、疲勞性能及摩擦磨損性能等開展了較多研究［2－8］。然而，WC－CrC－Ni硬質合金涂層的研究主要集中在WC－CrC－6Ni及WC－CrC－7Ni兩個系列，目前尚未見WC－CrC－9Ni涂層的相關研究報道，而粘結相含量對涂層微觀組織及使用性能的影響較大。為此，本文采用HVOF方法在304不銹鋼基材表面制備了 WC －CrC －9Ni涂層，系統(tǒng)研究了該型涂層的微觀組織、摩擦磨損性能及機制，并對比分析了其相對于304不銹鋼基材的優(yōu)越性。

1 試驗材料與方法

1.1 超音速火焰噴涂

本次試驗選用WC－CrC－9Ni商用粉末，其主要粒徑分布范圍為15～50μm。為提高WC－CrC－9Ni粉末的流動性，噴涂前需將其置于100℃干燥箱中處理30min。304不銹鋼基材尺寸為140mm×30 mm×6mm。噴涂前先用丙酮清除其表面油污，然后用120＃（0.125mm）棕剛玉砂作表面噴砂粗化處理，噴砂壓力設定為0.4MPa、噴嘴距基材表面80～100 mm。采用鄭州立佳公司生產(chǎn)HV－80－JP型超音速火焰噴涂設備制備硬質合金涂層，其噴涂參數(shù)見表1。

1.2 性能檢測

采用Buehler5410維氏硬度計測定其顯微硬度，載荷100g，加載時間15s，測5個點后取平均值；采用LA－950型激光粒度分析儀測試硬質合金粉末粒度及其分布范圍；摩擦磨損試驗在HRS－2M型高速往復摩擦試驗機上進行，載荷為60N，轉速為600 r／min，時間為30min，對偶磨球為直徑6mm 的Si3N4球，磨球往復長度5mm，做三次重復試驗并取其平均值；采用NanoMap－500LS雙模式三維輪廓儀分析磨痕截面形貌，并計算得到體積磨損率；采用TescanMira4型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察粉末、HVOF涂層、摩擦試驗后涂層摩痕表面形貌，能譜面掃描測量粉末截面元素分布；采用BrukerD8Advance型X射線衍射儀分析粉末及涂層物相，選用Cu靶Kα射線（λ＝1.54056?），電壓、電流、掃描速度及步長分別設定為40kV、40mA、2θ／min及0.02°，掃描范圍0°～100°。

2 結果與分析

2.1 WC－CrC－9Ni硬質合金粉末形貌及性能分析

WC－CrC－9Ni粉末截面形貌及能譜面掃元素分布圖如圖1所示，由圖1（a）可見，WC－CrC－9Ni粉末形貌呈球狀，流動性好。由單個粉末截面放大圖1（b）可見，球形粉體由大量微細顆粒團聚而成，粉末內(nèi)部呈疏松結構，白色區(qū)域主要為WC陶瓷相，CrC陶瓷相則主要分布在深灰色區(qū)域，WC、CrC硬質相在復合粉體中的分布較為均勻。激光粒度分析表明，WC－CrC－9Ni粉末的平均粒徑為32μm，主要分布在15～50μm，適用于超音速火焰噴涂。

圖1 WC－CrC－9Ni粉末截面形貌及能譜面掃元素分布圖

2.2 HVOF涂層形貌及物相分析

HVOF涂層截面微觀形貌照片如圖2所示，由圖2（a）可見，304不銹鋼基材表面的WC－CrC－9Ni涂層厚度約為1000μm。圖2（b）為涂層內(nèi)部局部放大照片，涂層中深灰色碳化鉻相在白色碳化鎢相中分布較為均勻，且涂層內(nèi)部致密度高。由圖2（c）可見，涂層與基體結合界面為明顯機械咬合，結合界面未見明顯孔隙及裂紋。分析表明，HVOF涂層微觀形貌、物相組成及分布與WC－CrC－9Ni原始粉末類似，涂層更為致密，這是由于HVOF焰流溫度較低，粉末并未發(fā)生明顯熔融，主要依賴高動能撞擊作用而形成涂層所致。

圖2 HVOF制備WC－CrC－9Ni涂層截面形貌照片

WC－CrC－9Ni原始粉末及HVOF涂層的XRD圖譜如圖3所示，由圖3可知，原始粉末以WC相衍射峰為主、以Cr3C2相及Cr4Ni15W 相的衍射峰為輔。HVOF涂層則以WC相的衍射峰為主，以Cr3C2相的衍射峰為輔。分析表明，原始粉末與HVOF涂層的XRD衍射峰在物相組成上并無明顯差異，這是由于HVOF焰流溫度偏低，粉末并未發(fā)生明顯熔化，導致噴涂過程中發(fā)生氧化和生成新相的可能性較小，粉末僅在高動能撞擊作用下變形而形成涂層。

圖3 WC－CrC－9Ni粉末及HVOF涂層的XRD圖譜

2.3 WC－CrC－9Ni硬質合金涂層的力學性能分析

本文在WC－CrC－9Ni涂層截面測試了五個不同點的維氏硬度值，分別為1729.1、1602.3、1665.5、1671.2、1689.6HV，平均值為1671.5 HV。WC－CrC－9Ni涂層組織結構致密，孔隙少，同時WC、Cr3C2等硬質相的存在大幅強化了涂層，使得其硬度提高。而304不銹鋼基材五個不同點維氏硬度值分別為317.7、323.2、329.1、339.4、334.9 HV，平均值為328.9HV。一般來說，材料的硬度越高，其耐磨損能力越強。

本文對比分析了304不銹鋼基材與HVOF涂層的摩擦學性能。WC－CrC－9Ni涂層摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線圖如圖4所示。摩擦系數(shù)曲線在第一個直線上升階段時，此時摩擦氧化層還未形成，摩擦為對磨球和涂層中未熔融的硬質相碳化物顆粒，兩者之間接觸力較大，涂層表面因摩擦產(chǎn)生的磨屑會轉移并粘附到磨球表面，所以第一階段摩擦系數(shù)會迅速增加且不穩(wěn)定。第二階段為隨著摩擦的不斷進行，涂層與氮化硅對偶磨球的接觸面積增加，由于涂層中孔隙的存在，使摩擦不均勻，摩擦系數(shù)波動相對較大。第三階段時，磨痕表面氧化膜不斷生成和被剝離并達成平衡，實際接觸面積變化很小，進入穩(wěn)定摩擦階段。摩擦系數(shù)在此階段內(nèi)相對穩(wěn)定，在0.3上下波動。為了考察涂層摩擦性能穩(wěn)定性，做了3次重復試驗，3條摩擦系數(shù)曲線變化趨勢相近，摩擦系數(shù)數(shù)值也大致相同。分析表明，HVOF硬質合金涂層微觀組織均勻，摩擦磨損性能較穩(wěn)定。

圖4 WC－CrC－9Ni涂層摩擦系數(shù)－時間曲線

304不銹鋼基材在室溫下的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線圖如圖5所示，由圖5可見，相對于HVOF涂層而言，基材摩擦系數(shù)波動幅度較大，在0.35～0.70之間變化，這是由于基材硬度及耐磨性偏低造成的。

圖5 304不銹鋼基材摩擦系數(shù)－時間曲線

WC－CrC－9Ni涂層的磨痕輪廓曲線如圖6所示，由圖6可見，HVOF涂層的磨痕輪廓深度約為7～12μm，寬度約為800μm。304不銹鋼基材的磨痕輪廓曲線如圖7所示，由圖7可見，304不銹鋼基材的磨痕輪廓曲線較圓滑規(guī)整，磨痕輪廓深度約為85～100μm，寬度均約1200μm。兩者對比，HVOF涂層的磨痕輪廓深度遠低于304不銹鋼基材，磨痕輪廓越深越寬表明摩損量的越大，顯然WC－CrC－9Ni涂層的磨損量遠低于基材，因而可大幅提升304不銹鋼基材的耐磨性。

圖6 WC－CrC－9Ni涂層的磨痕輪廓曲線

圖7 304不銹鋼基材的磨痕輪廓曲線

經(jīng)計算，304不銹鋼基材平均磨損量約為3.5×10－5mm3／N·m，HVOF涂層的平均磨損量約為0.19×10－5mm3／N·m。分析表明，HVOF制備WCCrC－9Ni涂層硬度遠高于304不銹鋼基材，因而其耐磨損性能遠高于基材。

WC－CrC－9Ni涂層磨痕表面全貌圖如圖8所示，由圖8（a）可見，涂層磨痕位于兩條白色虛線之間，磨痕表面有較淺的犁溝。分析表明，由于碳化物陶瓷硬質相的存在，WC－CrC－9Ni涂層的磨損機制主要為磨粒磨損。局部放大圖8（b）及圖8（c）中分別可觀察到微觀裂紋及剝落現(xiàn)象，這是典型的疲勞磨損現(xiàn)象。在氮化硅磨球的往復運動中，硬質相碳化物顆粒逐漸成為承受摩擦載荷的主體，可降低涂層磨損。

圖8 WC－CrC－9Ni涂層磨損表面形貌照片

3 結 論

1.采用HVOF在304不銹鋼基材表面制備了約1000μm厚度的WC－CrC－9Ni硬質合金涂層，涂層組織致密，硬度約1671.5HV，遠高于304不銹鋼基體。

2.304 不銹鋼基材摩擦系數(shù)波動幅度較大，在0.35～0.70之間變化，其磨痕輪廓深度約為85～100μm，平均磨損量約為3.5×10－5mm3／N·m；WC－CrC－9Ni涂層在穩(wěn)定摩擦階段內(nèi)的摩擦系數(shù)在0.3上下波動，其磨痕輪廓深度約為7～12μm，平均磨損量約為0.19×10－5mm3／N·m，各項參數(shù)均優(yōu)于304不銹鋼基材，因而該型涂層可大幅提升304不銹鋼基材的耐磨損性能。