极端冲蚀磨损条件下粉末耐磨涂层的选择
P. Kulu等
国 外 机 车 车 辆 工 艺
摘 要:用于滑动磨损条件下的耐磨热喷涂涂层既硬又脆(如碳化物基和氧化物基的涂层),这使得它们在冲击载荷和对疲劳敏感的工况下没有使用价值。在极端冲蚀磨损条件下(冲击截荷、高硬度磨粒和高速磨粒),复合涂层保证了硬度和韧性的优化结合。本文介绍了用爆炸喷涂、连续爆炸喷涂和喷涂熔化过程中沉积的碳化钨-钴(WC-Co)系统和自熔性合金系统,它包括了以碳化钨-钴为基础的硬金属粒子(NiCrSiB-(WC-Co));研究了不同粉末的成分和工艺,并就涂层组织和磨损参数对涂层磨损性能的影响进行了评估;探讨了喷涂和熔融涂层与其硬度的关系,并提出了涂层选择的硬度标准。研究发现,与只含有WC粒子的简单钴结构相比,WC-Co基硬金属或金属基质的复合材料涂层的“双金属陶瓷型”组织是更优化的结构。在此提出了涂层选择的准则。为帮助最终用户选择合理的喷涂工艺和材料,给出了耐磨性能和硬度关系的涂层选择图。本文还讨论了在对成本更敏感的应用场合下涂层的成本效益并提供了基于回收材料的复合涂层。
关键词:冲蚀磨损,爆炸喷涂,硬金属,粉末涂层,喷涂熔化,热喷涂,碳化钨,磨损；热喷涂粉末
引言
不同类型的设备,如磨料和混合设备,都在极端条件下承受强烈的磨料和腐蚀性磨损(高硬度和高强度的磨料和被磨材料,高速度和高压力、周期性的冲击负载、高温等)。已经证明,在冲击负载的条件下(通过碰撞的研磨过程,在硬粒子射流中的磨损等),材料将暴露在典型的冲击中。在粒子或在材料中所产生的应力要比它们自己的强度高出一个数量级。
结果是发生材料的破裂。根据材料组织和性能的差异,破裂可能由不同的机制产生。对于脆性材料,直接破裂机制占主导地位。对于韧性材料,微切削或低周疲劳则起主要作用。
在这些磨损条件下,气体热喷涂涂层和碳化钨-钴基系统是高度有效的。在过去15～20 a里,在热喷涂领域内,绝大多数注意力都集中在不同的高速喷涂过程上。(特别是速度超过300 m/s的过程)。高速氧焰热喷涂(HVOF)技术已大大促进了碳化钨-钴涂层的质量和性能。这可由在涂层中产生的压缩残余应力来加以解释。在另一方面,对于沉积这一类具有特别优越的耐磨损性能的涂层而言,爆炸喷涂是另一个很有希望的热喷涂工艺。
对热喷涂涂层广泛的现场应用提供了含碳化钨(WC)自熔化(有时称自熔性)合金其成本优势的证据,这类合金是由喷涂和重熔方法(火焰、等离子和激光熔融等)施加的。由于它们的低孔隙率和基材与涂层之间的冶金结合,上述的熔化型复合涂层对大的冲击载荷具有耐受性。
本文的目的在于总结我们对不同热喷涂涂层的冲蚀性磨损性能的早期工作,并提出了在耐冲蚀涂层的耐磨损性能的形成和选择方面的准则(材料和工艺、孔隙率、涂层组织和硬度)。
1 材料和工艺的选择
为对耐冲击腐蚀磨损的涂层材料和工艺进行选择,进行了磨损试验。目的是产生具有最小孔隙率和高结合强度的粉末涂层。
选用了2种热喷涂过程,即高速喷涂(HVS)和喷涂熔化(SF)。对HVS,使用了爆炸喷涂(DS)方法,即,爆炸枪喷涂(DGS)和连续爆炸喷涂(CDS)。对DGS,使用了丙烷和氧气混合的Perun-S型爆炸喷枪喷涂(Institute of welding,Kiev,Uktaine)。对CDS,使用了HVOF机器安装用Tafa JP5000型系统(Tafa Inc.Concord,NH)。对SF,使用了火焰喷涂熔化方法,并使用了相应的火焰喷涂设备(Castolin,Lusanne,Switzerland)以及激光喷涂熔化(LSF)设备。
涂层材料可大体分为3类:碳化钨-钴基(WC-Co)硬金属粉末、镍基自熔合金(NiCrSiB)粉末以及以NiCrSiB和硬金属粉末为基的复合粉末(参见表1)。硬金属粉末是由使用过的硬金属部件和切削板经过破碎和研磨而制成的.对冲蚀的特征模拟(研究磨耗率和磨损机理)在一台冲蚀试验机上进行,被试材料被置于磨粒的射流中(参见图1)。我们的试验方法包括了用磨粒的射流冲蚀试样,磨粒是石英砂,粒子尺寸是0.1～0.3 mm,磨粒硬度是1 100～1 200 HV,磨粒射流的速度是80 m/s。为决定磨粒硬度对磨耗率的影响,对不同硬度(20～2 000 HV)的磨粒也进行了研究,如石灰石,玻璃,氧化铁,石英和氧化铝。对质量损耗的测量允许将质量损失或体积损耗的计算作为磨耗率的一个度量,即每公斤被磨材料的质量或体积损耗,单位分别是mg/kg和mm3/kg。相对耐磨指数Ev是按被研究材料和对比材料的体积磨耗率的比值计算出来的。对比材料选用了硬度为200 HV的正火0.45C钢。
对高温下的磨损试验,制作了一套特殊的试样加热系统,而以不锈钢18/10作为对比材料。
2 涂层选择准则
2.1 涂层孔隙率和组织
根据对用不同方法(火焰和等离子喷涂、DGS、SF)沉积的热喷涂涂层的冲蚀的研究,在我们以前的成果中已经证明,只有低孔隙率的涂层(孔隙率小于5%),才能胜任冲击侵蚀性磨损的条件。用不同方法(火焰、等离子和爆炸喷涂)沉积的同一硬度的中等和高孔隙率(孔隙率大于5%)的涂层在相似的磨损下,其耐磨性可相差一个数量级。高孔隙率涂层的相对冲蚀耐磨指数很低(小于1)。这表明只有高速喷涂或火焰喷涂和熔融,才能保证低的孔隙率(在1%～3%范围内)和在冲蚀条件下的高度耐磨性。本文中所选择的硬质涂层(见表1)的孔隙率在0.7%～4.1%的范围内。
由于在不同磨损条件下的冲蚀所产生的不同磨损机理,作者已证明,只有具有合理组织结构的涂层,才能保证在冲蚀条件下的高度耐磨性能。在斜冲击的情况下(在小的和中等的冲击角下),磨损率随硬度的增加而减小,微切削的机理占据主导,(硬质相)具有构架状组织(见图2a)是最好的。且硬相含量必须超过50%。而在垂直冲击的条件下,硬相含量小于50%的具有矩阵样组织(弥散硬质相)的更好(见图2b)。在混合冲蚀的条件下,如在不同的混料和磨料设备里,WC-Co和其他碳化物金属基的硬金属涂层的合理结构,不应是一种含WC或其它碳化物粒子的简单钴基组织,而应是含WC-Co(或其他硬金属)聚合团颗粒或WC-Co(或其他碳化物)基硬金属颗粒的钴(镍)基组织体。这就是所谓的“双重复合型”矩阵样(或称双金属陶瓷型)组织体(见图3a)。通过用金属(钴或镍)包覆的硬金属粉末以及用HVS方法,也可以得到类似的结构。制造出这一复杂的双金属陶瓷结构的另一种方法是喷涂和熔融复合粉末,这种复合粉末是WC-Co基的或者其他硬金属基的,和类似于NiCrSiB一类的自熔合金粉末。所产生的组织是在镍合金基体中分布着硬金属WC-Co粒子并带有少量的未熔碳化物粒子(参见图3b)。
在正常的冲蚀条件下,是直接破碎或低周疲劳占据优势,在残余应力中,压缩应力是有利的。涂层中的这种压缩应力是由HVOF喷涂或用喷涂和重熔过程所制成的厚复合涂层来获得的。
2.2 涂层的硬度
在室温下,在小冲击角(见图4a,α=30°),对于HVS的冲蚀,由于微切削机制的作用,随着涂层硬度的增加,磨损减少。当施加大的冲击角时,涂层硬度升高至700～800 HV造成磨损率的上升(见图4a,α=90°);而对硬度更高的涂层(HVOF喷涂的WC-Co硬金属涂层),由于占主导地位的直接破碎或低周疲劳机理的作用,涂层硬度的升高又导致磨损率的下降。它类似于硬金属在磨粒侵蚀性磨损下的磨损机制但不同于其他磨粒磨损的条件。在高温下(600～800℃),冲击磨损类似于在倾斜角度下(α=30°)和在法向(α=90°)下的情况(见图4b)。在2种磨损条件下,被磨表面均发生了犁沟现象,其结果是,磨下的材料被带走。
耐磨性相对于喷涂涂层硬度的相互关系见图5。如图所示,喷涂涂层的主要趋势是:无论在小的还是大的冲击角下,HVS涂层硬度的增加均导致其耐冲蚀磨损性的增加。在斜冲击角(30°)的情况下,喷涂质量最好的WC-Co涂层的耐磨性是对比材料,即未喷涂钢(数据点已高出图5)的10～12倍。在垂直角度冲蚀时,喷涂质量最好的WC-Co涂层的耐磨性表现为未喷涂钢的2～2.5倍。喷涂和熔化复合涂层硬度对耐磨性的影响是变化的。在小冲击角下,熔融涂层耐磨性随硬度的增加而增加(Ev>1)(见图6)。在大冲击角下,熔融涂层耐磨性随硬度的增加而减小(Ev<1)。正如我们的研究证明,在硬相含量范围(15%～50%)内,涂层中硬相的含量(表1中复合物序号11-13)对耐磨性的影响是显著的。在类似于法向和斜向冲击(α<30°)的条件下,复合涂层中硬相含量增至20%～30%,将导致耐磨性能的提高。硬相含量的进一步增加对相对耐磨指数的影响是变化的。在小冲击角下耐磨性几乎不变,而在法向冲击角下,硬相含量的增加则导致耐磨性下降。
试验结果证明,由FSF沉积的基于自熔合金和硬金属粉末的复合涂层相对耐磨指数超出纯NiCrSiB涂层的1.3～2.1倍。这些复合涂层在提供新的高耐磨解决方案方面是很有用的,它结合了自熔合金的高韧性和碳化钨的高硬度。
2.3 磨料的硬度
用不同硬度磨料(从120～200 HV直到1 900～2 000 HV)所做的试验已经证明,即磨料硬度对涂层磨损率有重大的影响。冲击侵蚀的磨耗率对磨料硬度的关系参见图7。作为示例,给出了2种不同涂层(硬金属和自熔镍基合金)的所谓S型曲线。为了保证在斜角冲击下的高度耐磨性,它们的硬度应当超过磨料或要处理材料的硬度。在疲劳断裂机制占主导的法向磨损条件下,磨料硬度对磨耗率的影响并不显著。
对不同硬度和粒子形状的磨料所进行的实验室试验的结果确认磨料形状与磨耗率有直接的关系:磨料锐角状程度的增加将会导致磨粒侵蚀性磨损的明显增加。
3 选择涂层的规则
为选择用于磨粒侵蚀性磨损下的粉末涂层,必须考虑到粉末涂层的特殊性(孔隙率、硬度)和磨损条件(磨料硬度、粒子速度)。高冲击侵蚀耐磨性的粉末涂层的选择,应基于以下几点(见图8):(1)最小的涂层孔隙率:高速热喷涂过程保证了高度致密的涂层(孔隙率小于3%)和在特殊磨损条件下的高度耐磨性(磨粒侵蚀性和耐磨性比未涂复钢对比材料的高10～12倍)。(2)合理的涂层硬度:硬度取决于侵蚀条件。为保证在小的冲击角下的高度耐冲击侵蚀性磨损,涂层硬度必须达到最大并且必须高于磨料的硬度。在大的冲击角下,建议采用合理的硬度。(3)合理的涂层组织结构:斜角冲击下,构架状结构的组织是较好的,而对法向冲击,则以矩阵样结构为佳。对于混合冲击条件,“双重复合型”矩阵样结构是理想的(含有WC-Co团粒或WC-Co粒子的金属基体)。(4)磨料的硬度:为保证高的冲蚀耐磨性,涂层的硬度必须超过磨料或被处理材料的硬度。
参考文献略
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