0 引 言
液压启闭机被广泛应用于水利工程等领域，是重要的工程设备，活塞杆是启闭机系统中的重要组成部分。液压启闭机在使用检修时发现，其失效形式主要为表面严重的划痕以及锈蚀。由于其使用环境一般为露天的水利工程，随着长时间使用环境中的砂粒等杂物会吸附在活塞杆表面并进入缸体内，砂粒等杂质在活塞杆的使用过程中会在其表面形成划痕等损伤，同时环境中的水气等还会对活塞杆表面造成腐蚀，这将严重影响活塞杆的使用性能并加速缩短其使用寿命。因此，如何提高液压启闭机活塞杆的表面性能，特别是提高其耐磨、耐蚀性能是研究的关键[1,2,3]。
在不改变基材的情况下选择一种合适的涂层以及合适的工艺，并将涂层制备到活塞杆基材表面可以解决上述问题。
常规采用电镀铬对活塞杆表面起到一定的保护作用，但使用1~2年发现活塞杆表面仍出现较为严重的磨损，部分磨损区周围的镀铬层已剥落，剥落区域产生严重的锈蚀，并且局部还存在镀层被腐蚀剥落，这是由于电镀铬层较薄且硬度及耐磨损性能不足，容易被磨损甚至磨穿，镀铬层存在氢致裂纹，锈蚀直接发生到基材表面，严重时镀层被腐蚀剥落。
WC-10Co-4Cr涂层因其优秀的耐磨性能及耐腐蚀性能等，成为最适用于活塞杆表面强化的涂层之一，并且通过超音速火焰喷涂技术可以很好的将涂层制备到活塞杆表面，形成致密的涂层并与基材结合良好[4,5,6]。研究分析WC-10Co-4Cr涂层的制备及性能对于该涂层在活塞杆表面的应用具有积极的意义。文中重点研究了该涂层应用于活塞杆常用材料40Cr钢表面的一系列基本性能：微观形貌、孔隙率、结合强度、显微硬度、耐磨性能及耐蚀性能等，并对涂层应用于活塞杆表面的使用寿命进行了分析。
1 材料与方法 1.1 试样制备及HVOF喷涂
试样采用40Cr钢制成100 mm×70 mm×5 mm薄片，主要化学成分(质量分数/%)为：0.37~0.44 C，0.17~0.37 Si，0.50~0.80 Mn，0.80~1.10 Cr，Ni≤0.30，Fe余量[7]。 表面经过除油、去离子水漂洗、超声波清洗处理后进行喷砂处理，砂子采用粒度为590~710 μm的白刚玉砂。
粉末采用WC-10Co-4Cr金属陶瓷粉(粒径为15~45 μm)，喷涂设备采用SPR-3000超音速火焰喷涂系统，该系统以航空煤油作为燃料，氧气作为助燃气，氮气作为载气，工艺参数为：煤油流量22 L/h、氧气流量52 m3/h，送粉量60 g/min，喷涂距离360 mm，涂层厚度为150~180 μm。
1.2 性能测试分析
采用ULTRA55场发射扫描电子显微镜(SEM)分析涂层的微观形貌。采用KMM-500金相分析仪测试涂层的孔隙率，测量5个视场取平均值。采用WDW-50KN微机控制电子万能试验机测试涂层与基体的结合强度，测试夹具及试样按照国标GB/T8642-2002制作，采用3M公司FM1000薄膜胶进行粘结并固化，拉伸速率为0.5 mm/min，制备两组试样进行测试取平均值。采用XPer Powder型X射线衍射仪(XRD)测定试样的相结构。
采用HXD-1000TMC 显微硬度计测试涂层的显微硬度，峰值载荷为300 g，加载时间15 s，每个试样测量12个点，去掉极值后取平均值。采用HT-1000型球-盘摩擦磨损试验机考察试样在干摩擦下的磨损性能，采用 Φ 4 mm 氮化硅陶瓷球进行对磨，试验时间为60 min，载荷为500 g，摩擦圆半径为6 mm，转速1 120 r/min，并采用赛多利斯LE225D电子天平进行失重称量。
采用RST5200电化学工作站测试涂层的耐蚀性能，采用标准三电极体系，环氧树脂封装后的试样作为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，在25 ℃的3.5%NaCl溶液中进行动电位计划曲线测试，电化学测试前工作电极在3.5%NaCl容易中浸泡0.5 h。 动电位扫描范围为-100~100 mV(相对于开路电位)，扫描速率为0.5 mV/s。
2 结果与分析 2.1 涂层形貌、孔隙率及结合强度
图 1为涂层微观形貌。由图 1(a)可以看出，涂层截面呈致密的层状结构，说明喷涂过程中半熔融粉末经过多次叠加(每次的厚度15~20 μm)并且每次都是以极高的速度(≥700 m/s)沉积因此能形成更加致密的结构，同时通过半熔融粉末的高速沉积以及基材表面的喷砂处理使得涂层与基体之间呈锯齿形紧密结合。将图 1(a)中的涂层局部放大到3 000倍后，发现涂层仍为致密结构未见明显孔隙，通过测试分析，涂层孔隙率低于0.45%。低孔隙率、高致密度使得涂层获得较高的力学性能。 半熔融粉末以高速沉积到基材表面，冲击产生的应力远高于喷涂产生的热应力等，使其表面的残余应力为压应力，有利于涂层与基体之间的高强度结合[8,9,10]。涂层的结合强度测试过程曲线如图 2所示，从图中可以看出涂层与基体间的结合强度测试结果高于70.37 MPa (此时涂层无脱落仅粘胶断裂)。
 |
| 图 1 WC-10Co-4Cr涂层的截面和表面形貌 Fig. 1 Cross section and surface morphologies of the WC-10Co-4Cr coating |
 |
| 图 2 WC-10Co-4Cr涂层与基体的结合力曲线Fig. 2 Binding force curve between the WC-10Co-4Cr coatings and matrix |
涂层的XRD测试结果如图 2所示。由XRD物相分析可知，涂层中主要为WC、Co和Cr相，并还存在W2C相，这可能是由于在WC在喷涂时高温下脱碳形成的，喷涂过程中少部分WC颗粒直接与氧气接触或者WC溶于液相Co中，这样WC中的C直接或间接的与氧反应，从而发生脱碳形成W2C相。除了W2C相外，在喷涂过程中未产生其他相，说明涂层能保持较好的性能。
2.3 涂层的显微硬度
基体与涂层的显微硬度测试结果有所不同。基体40Cr钢的硬度较为均匀，数值保持在340 HV0.3左右。 涂层表面不同区域的显微硬度值有些差别，数值范围在1 274~1 405 HV0.3之间波动，其平均显微硬度值为1 330 HV0.3，是基体的3.9倍。 这是由于涂层由WC、Co、Cr等不同的物相组成，而这些相的硬度性能有所不同，涂层虽然极为致密，但也无法达到每个区域的完全一致，其中的主要成分WC硬质合金相使涂层具有高硬度。
 |
| 图 3 WC-10Co-4Cr涂层的XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of the WC-10Co-4Cr coating |
图 4为基体和涂层在180 min摩擦磨损试验后的磨损量。可以看出，基体的磨损量远高于涂层，涂层耐磨损性能高达基体的145倍，涂层和基体在干滑动磨损过程中主要发生磨粒磨损和粘着磨损，磨损的机理主要有：接触面材料的互相粘着并转移、切削磨损、疲劳引起的微裂纹，耐磨损性能主要取决于接触表面的硬度、粗糙度及厚度等[11,12]。WC具有高硬度使得涂层获得良好的耐磨性能，并且通过超音速火焰热喷涂技术Co相均匀分布在致密涂层的WC中，WC相也不容易被磨损剥落。
 |
| 图 4 WC-10Co-4Cr涂层与基体的磨损量Fig. 4 Wear weight loss of the WC-10Co-4Cr coating and matrix |
图 5所示为基体和涂层的摩擦因数曲线。基体的摩擦因数较高并出现不规则的波动，说明随着摩擦磨损试验的进行，基体不断的被磨损，磨损的界面不断更新，磨削下来的磨屑附着在相对摩擦的界面上引起磨球不规则振动；而涂层的摩擦因数在起初较高，之后持续下降并趋于一个较低值，说明涂层在刚接触对磨球的短时间内界面较为粗糙并主要发生微小的磨粒磨损，由于当Co相和Cr相被磨损后形成凹面，WC相成为相对的凸起与对磨球进行摩擦(磨损形貌如图 6所示)，而WC相的高硬度使得很难被磨损及切削，WC相与Co相结合紧密不易被磨损剥落，并且摩擦界面发生持续的重复摩擦，摩擦界面越来越光滑，耐磨损性能也随之被强化。
 |
| 图 5 WC-10Co-4Cr涂层与基体的摩擦因数曲线Fig. 5 Friction coefficient of the WC-10Co-4Cr coating and matrix |
 |
| 图 6 WC-10Co-4Cr涂层摩擦磨损形貌Fig. 6 Worn morphology of the WC-10Co-4Cr coating |
涂层与基体的电化学腐蚀电位如图 7所示。从图中可以看出，涂层的腐蚀电位高于基体的腐蚀电位，并且涂层腐蚀电流为7.054×10-7 A/cm2 小于基体的2.496×10-6 A/cm2，说明涂层的耐蚀性能要优于基体。 邓春明等[13]对Cr元素对WC涂层耐腐蚀性能的影响进行了研究，表明Cr元素的存在可以有效提高涂层的耐腐蚀性能，而涂层中Cr含量为4%要远高于基体基体的0.8%~1.1%，同时涂层致密的结构对于腐蚀介质的扩散起到一定的阻碍作用。
 |
| 图 7 WC-10Co-4Cr涂层与基体的腐蚀电位Fig. 7 Corrosion potential of the WC-10Co-4Cr coatings and matrix |
通过超音速火焰热喷涂技术在启闭机活塞杆表面制备WC-10Co-4Cr涂层，经过封孔以及磨削加工等后处理，装配使用。经过1年时间的实际应用，发现活塞杆表面出现摩擦痕迹以及水污痕，说明活塞杆涂层表面的失效形式主要表现为磨损及腐蚀，但经过擦洗后发现活塞杆涂层表面状况良好无明显的磨损及腐蚀等损伤，远未到失效的程度，并涂层与基材结合良好无剥落，说明涂层的高耐磨性能及耐腐蚀性能等可以很好的抵御其失效行为，可以对活塞杆表面起到持久的防护作用，使得活塞杆的使用寿命大幅延长，而采用电镀铬处理的活塞杆经过同样时间的应用，表面出现了明显的划痕损伤，并且局部出现了镀层磨穿基体被腐蚀的情况。经过更长时间的实际使用，证明了经过超音速热喷涂WC涂层处理的活塞杆的使用寿命可以达到常规电镀铬的3倍以上。
3 结 论
经试验研究表明，超音速火焰热喷涂WC-10Co-4Cr涂层可以很好的应用于启闭机活塞杆表面，以大幅提高活塞杆的耐磨性能、耐腐蚀性能以及使用寿命。具体结论如下：
(1) 涂层具有致密的表面形貌，孔隙率低于0.45%，与基体之间呈致密的锯齿形结合，涂层与基体之间的结合强度高于70.37 MPa。
(2) 涂层平均显微硬度值为1 330 HV0.3是基体的3.9倍，耐磨损性能高达基体的145倍。
(3) 由于涂层中Cr等耐腐蚀金属相的含量高于基体，使得该涂层具有高于基体的耐腐蚀性能。
(4) 超音速喷涂WC涂层应用于启闭机活塞杆表面，较常规电镀铬层延长其使用寿命3倍以上。
| [1] | 孙省已.活塞杆材料及其热处理(一) [J].压缩机技术,1994(2): 18-22. |
| 点击浏览原文 | |
| [2] | 朱丽红. 几种表面强化方法在2Cr13活塞杆上的应用比较 [J].创新沈阳文集(A), 2009: 16-22. |
| 点击浏览原文 | |
| [3] | 李玉臣. 液压启闭机在水利工程中的应用及运行维护管理 [J]. 北京水务, 2010(3): 49-51. |
| 点击浏览原文 | |
| [4] | 邓世均. 高性能陶瓷涂层 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2004. |
| [5] | 孙万昌, 张磊, 张晗, 等. 金属表面复合层研究进展 [J]. 热加工工艺, 2011, 40(16): 75-77. |
| 点击浏览原文 | |
| [6] | 赵翔, 李萍, 王群, 等. AC-HVAF制备WC-10Co-4Cr涂层抗磨粒磨损性能研究 [J]. 热加工工艺, 2010, 39(20): 132-134. |
| 点击浏览原文 | |
| [7] | 汤精明, 姜忠宇. 表面完整性对40Cr钢耐腐蚀性的影响[J]. 热加工工艺, 2010, 39(2): 100-103. |
| 点击浏览原文 | |
| [8] | Qiao Y F, Fischer E, Dent A. The effect of fuel chemistry and feedstock powder structure on the mechanical and tribological properties of HVOF thermal-sprayed WC-Co coating with very fine structures [J]. Surface & Coatings Technology, 2003, 172(1): 24-41. |
| 点击浏览原文 | |
| [9] | 杨震晓, 刘敏, 邓春明, 等. 热喷涂基体表面前处理技术的研究进展 [J]. 中国表面工程, 2012, 25(2): 8-13. |
| 点击浏览原文 | |
| [10] | Mutasim L, Bankar V, Rim linger C. High velocity oxy-fuel thermal sprayed coatings as alternatives to WC-12Co coatings and chromium plating [M]. C C Berndted Thermal Spray. A united forum for scientific and technology advances. ASM International Materials Park, USA, 1997: 901-908. |
| [11] | Pawlowski L著. 热喷涂材料与工程 [M]. 李辉, 贺定勇, 译. 北京: 机械工业出版社, 2010. |
| [12] | 侯国梁, 安宇龙, 陈杰, 等. 两种WC基涂层在600 ℃下的摩擦学性能 [J]. 中国表面工程, 2012, 25(6): 61-67. |
| 点击浏览原文 | |
| [13] | 邓春明, 周克崧, 刘敏, 等. Cr对超音速火焰喷涂WC-Co涂层抗中性盐雾腐蚀性能的影响 [J]. 材料开发与应用, 2007, 22(3): 33-36. |
| 点击浏览原文 |