摘 要：采用超音速火焰喷涂技术在Q345B基体上制备WC 涂层，全面研究了 WC 涂层的各项性能，并应用到实际生产中。
关键词：热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/；张力辊；HVOF；显微硬度；耐磨性
1 概述
张力辊是冷轧生产设备中最重要的组成部分，通常采用表面电镀工艺在母材表面形成一层硬化层，以此提高张力辊的使用寿命。但由于其基体硬度较低、镀层很薄，表面粗糙度小，使用过程中局部会出现点蚀，并使钢带出现打滑现象，降低使用寿命且电镀会产生环境污染严重，因此，逐渐被喷涂技术取代。
超音速火焰（HVOF） 喷涂由于其火焰温度低（约 3000℃），速度高（1500～2000m/s），在喷涂 WC系硬质合金类材料形成涂层时，获得的涂层具有组织致密、结合强度高、密度大、均匀性好及涂层热应力小等优点，已经在工业中得到广泛的应用。此外，由于粒子飞行速度快，时间短，相对于等离子喷涂，涂层中缺碳相的含量大大减少。因此，超音速火焰喷涂技术在喷涂金属陶瓷、合金热喷涂粉末等方面显示良好的优越性。
2试验材料与方法
试验热喷涂粉末是美国 Praxair 公司生产的热喷涂粉末，其中含 10%Co，4%Cr，其余为 WC；基体材料选用Q345B，试样尺寸为 Φ30×10mm。喷涂前将待喷涂表面磨光，采用丙酮清洗试样表面，然后采用 30 目白刚玉砂进行喷砂处理。喷涂工艺参数见表 1。
采用美国Praxair 公司生产的 JP-8000 超音速喷涂设备，以 K-Ⅱ航空煤油为燃料，氧气为助燃气，氩气为送粉气。利用 HVT-1000 图像处理显微维氏硬度计进行硬度测量（GB/T4340.1-1999），载荷200g；采用定量金相显微镜进行孔隙率测定；采用S-3400N 扫描电子显微镜观察显微组织，并进行能谱分析；利用 BDX3200X 型衍射仪进行相结构分析；利用 MMW-1 万能摩擦磨损试验机进行耐磨性试验。
3试验结果与分析
3.1 涂层显微组织形貌和孔隙率
涂层截面组织放大 500 倍的 SEM 形貌如图 1所示。图 1a 中，涂层与基体结合良好，局部出现起伏嵌合状态，界面没有明显的缺陷；涂层表面有少量孔隙、微洞存在；WC 颗粒均匀分布在涂层中，说明粒子在高速冲击下变形充分。此外，由于超音速火焰喷涂过程中粒子飞行速度快，火焰温度低，涂层表面未发现可见的层状结构。采用定量金相显微镜检测涂层的孔隙率，在涂层截面上选取 3 个区域，测得涂层的孔隙率分别为 1.03%、0.85%和 0.72%，平均孔隙率为 0.87%。图 1b 中，在涂层截面上选取三点测得涂层的厚度分别为 146μm、162μm 和 154μm，平均厚度为 154μm，符合张力辊的使用设计要求。
3.2 涂层 X 射线衍射分析
涂层的 XRD 衍射分析图谱如图 2 所示。由图谱可以看出：涂层中主相是WC，并含有少量的Co6W6C 相，未发现 W2C 相。表明在超音速火焰喷涂过程中，材料各成分损失很少，WC 几乎不发生脱碳现象，证明提高射流速度对抑制WC 的分解和氧化效果明显。从衍射峰的强度看，WC 相占据很大部分。另外，由于热喷涂粉末中 Cr 含量不高，因此，涂层中没有可分辨的Cr的碳化物存在。此外，在试验中发现涂层中没有氧化物和氮化物存在，说明喷涂气氛保护良好。
3.3 涂层硬度测定
利用 HVT-1000 图像处理显微维氏硬度计测量涂层的显微硬度，按 GB/T4340.1-1999 进行试验，载荷 200g，加载时间 20s，放大倍数为 500 倍，选取 5个区域进行测量，测得试验数据如图 3 所示。由试验结果可知，涂层的显微硬度比较均匀，均在1200HV0.2以上，平均值约为 1278HV0.2。
镀铬层的显微硬度约为 700-800HV，因此，喷涂后涂层的硬度值是镀铬层的 1.5 倍。
3.4涂层耐磨性测定
试验采用喷涂 WC 涂层的试盘与淬火 45#钢平头钢销组成摩擦副进行销盘磨损试验。设备为MMW-1型万能摩擦磨损试验机。试验参数为：摩擦正压 200N，转速 500r/min，磨损时间 60min。45#钢销的磨痕形貌及涂层的磨痕形貌如图 4所示。钢销磨损比较严重，局部出现了大的裂纹，并有清晰可见的磨痕和材料剥落现象（如图4a箭头所示），表明钢销在与涂层对磨时由于硬度较低，其表面发生了严重塑性变形，随着应力的堆积在局部产生了疲劳断裂。在涂层磨损形貌中可以观察到清晰的层片状组织，如图4b所示。磨损发生在层片边界处，但没有观察到明显的层状剥落现象，表明 HVOF喷涂制备的 WC 涂层具有良好的结合强度。此外，涂层的摩擦环上并没有形成连续的磨痕。这是因为涂层硬度很高，且涂层表面有凸点，钢销与涂层接触开始磨削时，涂层上的凸点对钢销进行切削，因此涂层磨损量很小。但由于凸点与钢销高速相对运动，因此会产生高温，并与钢销发生粘着，撕裂后发生脆性断裂损伤。
摩擦系数与磨损时间的关系曲线如图 5 所示。摩擦系数先减小然后略有增大，这是因为摩擦系数曲线包括跑和阶段和稳定阶段。在跑和阶段，由于涂层表面有许多凸点，实际与摩擦副接触的面积仅为试样整体面积的千分之一，使实际接触应力远大于名义接触应力。接触点处的金属发生塑性变形，致使整体接触的宏观应力变成分散的微观应力场。
在这种微观应力的作用下，摩擦表面的凸点发生塑性变形，摩擦阻力增大。随着接触面积逐渐加大，摩擦系数降低并趋于稳定，进入稳定阶段。随着磨损时间的增加，材料发生磨损脱落，局部又会有凸点存在，但凸点存在数量远低于开始摩擦时的数量，故摩擦系数又增大，但增大不明显。试验数据显示，涂层最大和最小摩擦系数分别为0.578和0.494，远低于母材的摩擦系数，说明 WC 涂层提高了表面硬度，使材料的摩擦系数减小。
目前，我国每年冷轧生产线上需要大量的张力辊进行修复，利用超音速火焰喷涂技术在张力辊辊身表面喷涂 WC 涂层，提高张力辊表面的耐磨性，延长使用寿命必然带来巨大的经济效益。喷涂后的张力辊如图 6 所示。
4结论
（1）采用超音速火焰喷涂技术制备的 WC 涂层表面均匀致密，涂层与母材结合紧密，无脱离现象，部分涂层已经嵌入基体中。
（2）涂层由大量的 WC 相和少量的 CO6W6C相组成，没有 W2C 相，说明 WC 相分解很少。涂层中没有氧化物和氮化物存在，说明喷涂气氛保护良好。
（3）经超音速火焰喷涂 WC 涂层后，Q345B 钢表面的抗磨损性能得到显著改善。随着磨损时间的增加，涂层表面的摩擦系数呈现先降低后升高的现象。
图略
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
