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煤油流量对HVOF喷涂WC-12Co/NiCrBSi复合涂层显微组织与性能的影响

  • 刘杰1,2,3

    机 构：

    1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000

    2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000

    3. 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 刘侠1,2,4

    机 构：

    1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000

    2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000

    4. 安徽马钢表面技术股份有限 公司, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 胡凯1,2,3

    机 构：

    1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000

    2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000

    3. 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 张世宏1,2,3

    机 构：

    1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000

    2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000

    3. 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 王硕煜4

    机 构：

    4. 安徽马钢表面技术股份有限 公司, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 丁毅5

    机 构：

    5. 马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山 243000

    ×
  • ， 薛召露1,2,4

    机 构：

    1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000

    2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000

    4. 安徽马钢表面技术股份有限 公司, 马鞍山 243000

    ×

1. 安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室, 马鞍山 243000；
2. 安徽工业大学 现代表界面 工程研究中心, 马鞍山 243000；
3. 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243000；
4. 安徽马钢表面技术股份有限 公司, 马鞍山 243000；
5. 马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山 243000；

Effects of Kerosene Flow Rate on Microstructure and Properties of HVOF Sprayed WC-12Co / NiCrBSi Composite Coatings

  • LIU Jie1,2,3

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    3. School of Material Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’ anshan 243000 , China

    ×
  • ， LIU Xia1,2,4

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    4. Anhui Ma Steel Surface Technology Co.Ltd., Ma’ anshan 243000 , China

    ×
  • ， HU Kai1,2,3

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    3. School of Material Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’ anshan 243000 , China

    ×
  • ， ZHANG Shihong1,2,3

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    3. School of Material Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’ anshan 243000 , China

    ×
  • ， WANG Shuoyu4

    Affiliation：

    4. Anhui Ma Steel Surface Technology Co.Ltd., Ma’ anshan 243000 , China

    ×
  • ， DING Yi5

    Affiliation：

    5. Ma Steel (Group) Holding Co.Ltd., Ma’anshan 243000 , China

    ×
  • ， XUE Zhaolu1,2,4

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China

    4. Anhui Ma Steel Surface Technology Co.Ltd., Ma’ anshan 243000 , China

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1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China；
2. Research Center of Modern Surface and Interface Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243000 ,China；
3. School of Material Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’ anshan 243000 , China；
4. Anhui Ma Steel Surface Technology Co.Ltd., Ma’ anshan 243000 , China；
5. Ma Steel (Group) Holding Co.Ltd., Ma’anshan 243000 , China；

通讯作者:

刘侠(1988—),女(汉),讲师,博士;研究方向:热喷涂;E-mail:liuxialhs2012@126.com

中图分类号:TG174

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)03-0119-10

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20200526001

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目录contents

    摘要

    在 CrZrCu 基体上电镀 Ni 粘结层,通过超音速火焰喷涂(HVOF)技术,采用不同煤油流量在电镀 Ni 粘结层上制备了 WC-12Co / NiCrBSi 复合涂层。 利用 XRD、SEM、Raman、维氏显微硬度计、电子拉伸试验机和球盘式摩擦磨损试验机考察了不同煤油流量下涂层相组成、组织结构、力学性能和高温摩擦磨损性能。 结果表明:不同涂层的物相组成基本相同,喷涂过程中发生了一定程度的分解脱碳生成了 W2C,以及少量的 Cr7C3 和 Co3W3C 相;随着煤油流量升高,涂层硬度提高,涂层孔隙率和耐磨性表现出先降低后升高趋势,致密的结构与较高的硬度有利于提高涂层的耐磨性;煤油流量为 26 L/ h 的工艺下制备的涂层孔隙率最低,为 0. 11%,硬度较高达到 927. 0 HV0. 3 ,摩擦因数最低约为 0. 46,磨损率最低为 2. 83×10 -15 m 3 / (N·m),抗粘着磨损性能最好。

    Abstract

    Ni bonding layer was prepared by electroplating on CrZrCu and WC-12Co / NiCrBSi composite coatings were prepared by high velocity oxy-fuel (HVOF) on Ni bonding layer. XRD, SEM, Raman, Vickers microhardness tester, electronic tensile tester and ball-on-disk tribometer were used to investigate the phase composition, microstructure, mechanical properties and high temperature friction and wear properties of the coatings under different kerosene flow rates. The results show that the phase compositions of different coatings were basically the same. During the spraying process, a certain degree of decomposition and decarburization occured form W2C, as well as a small amount of Cr7C3 and Co3W3C phases. With the increase of kerosene flow rate, the hardness of the coatings increased, and the porosity and wear resistance of the coatings first decreased and then in-creased. Dense structure and high hardness were conducive to improving the wear resistance of the coatings. The coatings prepared by the process with kerosene flow rate of 26 L/ h had the lowest porosity of 0. 11%, the higher hardness of 927. 0 HV0. 3 , the lowest friction coefficient of 0. 46, the lowest wear rate of 2. 83×10 -15m 3 / (N·m), and the best resistance to adhesive wear.

  • 0 引言

  • 近年来,钢铁连铸结晶器不断向着长寿命、高效率、高质量方向发展[1-2]。结晶器的服役环境异常严苛,其高温磨损性能和抗热震性能对结晶器的服役寿命起着至关重要的作用[3-4]。研究表明,利用表面工程技术对结晶器表面进行高性能化的设计和强化,是延长结晶器的服役寿命有效的途径[5]。其中,超音速火焰喷涂技术因其具有超高的焰流速度和喷涂粒子速度[6-7],火焰温度相对较低, 可以用于制备高品质的防护涂层[8],在结晶器表面防护领域得到了广泛关注。

  • 目前,超音速火焰喷涂技术在结晶器铜板领域已有众多学者进行了大量研究。祝林等[6] 在结晶器表面利用超音速火焰喷涂技术制备了不同工艺参数下的WC-12Co涂层,制备的涂层组织致密,但是其结合强度不足,大多数涂层结合强度在50 MPa左右。 Zhu等[9] 利用超音速火焰喷涂技术在铜基体表面制备了4 种不同涂层: NiCrBSi、WC-12Co、NiCr-Cr3C2 和WC-10Co4Cr, 对它们的孔隙率、结合强度和传热性能进行了研究,发现NiCrBSi涂层孔隙度最低、结合强度和传热性能最好,然而NiCrBSi涂层的硬度和耐磨性不足[7]。研究发现掺杂WC含量的不同可改变NiCrBSi自熔合金涂层的磨损机制,WC提高了NiCrBSi涂层的硬度和耐磨粒磨损性能[10]。 Rachida等[11]采用火焰喷涂技术在低碳钢基体上制备了WC/NiCrBSi复合涂层,结果表明WC硬颗粒的存在使复合涂层的硬度远高于合金涂层。 Huang等[12]采用等离子喷焊技术在低碳钢基体上制备了WC-12Co/NiCrBSi涂层,研究发现复合粉末制备的涂层有利于提高涂层常温下的耐磨性。 Liu等[13] 研究了HVAF技术制备的WC/Ni60 涂层的耐磨耐蚀性,结果显示喷涂后WC相基本保持不变,涂层在Si3N4 球滑动磨损下具有优异的磨损性能,Cr的钝化成膜作用使涂层表现出优异的耐蚀性。超音速火焰喷涂制备的涂层结合强度高、组织致密、氧化程度较低,然而超音速火焰喷涂WC-12Co/NiCrBSi涂层在结晶器领域及其高温下的摩擦学性能鲜有报道。

  • 煤油流量在超音速火焰喷涂过程中直接影响着焰流速度和火焰温度,是超音速火焰喷涂过程中影响涂层质量与性能的主要因素[6]。煤油流量过低时,喷涂过程中焰流温度不足,喷涂粒子熔化不良[14];煤油流量过高时,导致喷涂粒子过度熔化,涂层夹杂物增多,甚至发生枪管堵塞。因此,在超音速火焰喷涂过程中采用合适的煤油流量有利于获得高质量的涂层。关于煤油流量对超音速火焰喷涂WC-12Co/NiCrBSi涂层组织与高温摩擦磨损性能的影响尚无系统研究。

  • 为了缓解基体与涂层热膨胀系数差异,文中在CrZrCu基体上电镀Ni粘结层,采用超音速火焰喷涂技术在电镀Ni粘结层上制备了不同煤油流量下的WC-12Co/NiCrBSi复合涂层,研究了煤油流量对WC-12Co/NiCrBSi涂层组织结构的影响规律,以及涂层的高温摩擦学性能和失效机理,并据此优化喷涂工艺,获得组织致密和高温摩擦磨损性能优异的涂层。

  • 1 试验准备

  • 1.1 试验材料

  • 基体材料选用CrZrCu,其尺寸为100 mm× 30 mm×6mm。喷涂试验所用粉末为采用质量分数均为50%的WC-12Co和NiCrBSi粉末机械混合制得的WC-12Co/NiCrBSi金属陶瓷复合粉末(Praxair, WC-735-1), 粉末元素组成( 质量分数/%) 为WC-36.3Ni-7.3Cr-4.7Co-2.3Fe-2.3Si1.6B,喷涂粉末粒径分布为-15+45 μm。图1 和表1 是该粉末SEM形貌与EDS分析,其中白色粉末为WC-12Co,浅灰色粉末为NiCrBSi,粉末多数为规则的球状及近球状结构,两种粉末混合均匀且颗粒完整,保证粉末流动性和涂层结构的均匀性。

  • 图1 WC-12Co/NiCrBSi粉末SEM形貌

  • Fig.1 SEM morphologies of WC-12Co/NiCrBSi powder

  • 表1 图1 粉末标记区域的EDS元素分布

  • Table1 EDS element distribution of the marked area in Fig.1 powder(w/%)

  • 1.2 涂层制备

  • 试验前,对CrZrCu基体进行抛光预处理, 采用比例为70 ∶ 1 ∶ 7的氨基磺酸镍、氯化镍、十二烷基钠的混合溶液电镀制备Ni粘结层,电镀液温度52℃,电流密度3 A/dm 2,电压6 V,电镀时间10 h;然后对电镀Ni粘结层用丙酮超声清洗并烘干,采用250 μm棕刚玉(Al2O3) 进行喷砂处理,喷砂距离为100 mm, 喷砂压力为0.5 MPa,然后在乙醇溶液中超声清洗15 min。喷涂设备使用SPR-3000 型系统,试样采用喷枪预热至120℃ 后进行喷涂实验,预热参数选择煤油流量26 L/h,氧气流量53 m 3/h,工作层WC-12Co/NiCrBSi喷涂工艺参数选择对涂层质量影响较大的煤油流量进行试验设计,制备不同煤油流量参数的涂层。表2 为超音速火焰喷涂试验工艺参数,涂层依次命名为K-24、K-26、 K-28。根据分析检测结果,优化喷涂工艺参数。

  • 表2 超音速火焰喷涂工艺参数

  • Table2 HVOF spraying parameters

  • 1.3 涂层性能表征

  • 涂层的相组成使用Bruker-D8 Advance型X射线衍射仪( XRD) 检测, 设置扫描范围10°~90°, 扫描速度10°/min, 扫描步长0.02°;涂层组织和元素组成采用附带能谱分析仪( EDS) 的Phenom XL扫描电子显微镜( SEM)进行检测。

  • 利用HV-1000 显微硬度计检测涂层的显微硬度,施加3 N载荷持续15 s,每个试样显微硬度选取不同区域测试8 次取平均值。采用拉伸实验法测试涂层的结合强度,WDW-5E电子拉伸试验机设定拉伸速度为5 mm/min,胶水采用环氧树脂E-7 胶,将带有涂层的试样通过E-7 胶与喷砂粗化的对拉棒同心粘结,然后将粘结好的试样在烘箱中130℃保温3 h,静置24 h,每种样品测试3 次取平均值。

  • 采用ImageJ软件测定喷涂层截面孔隙率,通过扫描电镜随机采集1000 倍下的图片,用Photoshop软件对图像进行灰度处理,每个涂层的孔隙率均测试10 个数据取平均值。

  • 涂层的高温摩擦磨损性能试验在HT-1000 型球盘式摩擦磨损试验机上进行,对偶球选用HRC54 的不锈钢球(Φ 5 mm),试验温度400℃, 载荷10 N,磨损距离480 m。通过PLA Tencor P7 型台阶仪测试涂层的磨损面积,并计算涂层的磨损率。采用光学显微镜测定不锈钢对偶球的磨斑直径,计算对偶球的磨损体积和磨损率;利用扫描电镜观察磨痕表面形貌并分析磨损机理; 通过Invia型激光共聚焦拉曼光谱仪对摩擦磨损产物进行检测。

  • 对偶球磨损体积的计算公式如式(1):

  • V=π3×3R-R-R2-r2×R-R2-r22
    (1)

  • 其中,V 为对偶球磨损体积,R 为对偶球半径,r 为对偶球磨斑半径。采用公式(2)计算涂层和对偶球的磨损率[15] :

  • K=VL⋅S
    (2)

  • 其中,K 为磨损率,V 为磨损体积,L 为载荷, S 为磨损距离。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 涂层物相和显微组织

  • 图2 为喷涂粉末与涂层的XRD图谱。从图2 可以看出,3 种不同煤油流量下涂层的物相组成基本相同,其主相为WC、Ni、W2C,以及少量的Ni3 Si、Co3B、Cr7C3 和Co3W3C。涂层中W2C相衍射峰强度相较于喷涂粉末略有升高, 且出现Cr7C3 和少量Co3W3C相,说明少量WC相喷涂过程中由于温度较高发生了分解脱碳生成部分W2C相,并与粉末成分中的Cr和Co反应生成了Cr7C3 和Co3W3C [10]。随着煤油流量的提高,涂层中W2C相衍射峰强度升高,采用K值法通过Jade软件对涂层中W2C相进行定量分析。由计算结果可知, K-24 涂层中W2C相对含量为9.29%,K-26 涂层中W2C相对含量为11.85%, K-28 涂层中W2C相对含量为13.16%,同时涂层K-28 出现少量Co3W3C相,另外两组涂层基本未检测到此物相,说明随着煤油流量的增加涂层分解脱碳程度升高[16]。涂层中衍射峰出现了一定程度宽化,这是由于喷涂粒子的凝固速度快阻碍了相变和结晶[10],涂层晶粒细化所致。

  • 图2 粉末和不同煤油流量下涂层的XRD图谱

  • Fig.2 X-ray patterns of the powder and coatings under different kerosene flow rate

  • 图3 为WC-12Co/NiCrBSi涂层的截面和断面SEM形貌。由图3(a)~图3(c)涂层截面形貌可以看出涂层均呈现出层状结构且有少量孔隙存在,无裂纹出现,金属陶瓷层与金属Ni粘结层界面结合紧密。由图3( d)~( e) 涂层断面形貌可以看出,涂层K-24 中存在未熔及半熔化状态的粒子,并且有裂纹和孔隙的存在,涂层K-26 表现出熔化良好的层状结构,涂层K-28 出现了部分WC相向金属相的溶解,说明煤油流量升高会导致粒子熔化程度和扁平化程度增大,这归因于煤油流量升高导致的焰流速度和温度的提高。 3 组涂层均有白色和浅灰色两种不同相,EDS分析(表3) 表明,浅灰色区域主要为Ni、Cr、Fe、Si元素,对应NiCrBSi合金粉末;白色区域主要为W、Co、C元素,对应WC-12Co粉末,不同涂层的浅灰色区域和白色区域元素组成无明显区别。

  • 图3 不同煤油流量下WC-12Co/NiCrBSi涂层的截面和断面SEM形貌

  • Fig.3 SEM cross section and fracture section morphologies of WC-12Co/NiCrBSi coatings under different kerosene flow rate

  • 表3 图3 标记区域的EDS元素分布

  • Table3 EDS element distribution of the marked area in Fig.3(w/%)

  • 表4 为不同煤油流量下喷涂态涂层的孔隙率。涂层在3 组不同煤油流量下孔隙率都较低, 其中涂层K-26 孔隙率最低为0.11%,其组织最为均匀致密。由于煤油流量增加,喷涂过程中焰流速度和温度升高,粒子熔化程度提高,涂层孔隙率降低[16],而煤油流量过高时,喷涂粒子过度熔化导致孔隙率增加,说明采用适当的煤油流量有利于制备组织均匀致密的涂层。

  • 表4 不同煤油流量下喷涂态涂层的孔隙率

  • Table4 Porosity of as-sprayed coatings under different kerosene flow rate

  • 2.2 力学性能

  • 图4 为不同涂层深度的显微硬度。不同涂层的显微硬度随深度出现了一定差异,涂层K-24 的显微硬度随深度变化较大,涂层K-26 和涂层K-28 的显微硬度随深度变化较小。随着喷涂过程中煤油流量的提高,涂层显微硬度呈现出上升趋势, 其中涂层K-28 的显微硬度最高, 约951 HV0.3, 涂层K-26 的显微硬度次之, 约927 HV0.3, 涂层K-24 的显微硬度较低, 约818 HV0.3。这是由于涂层K-28 中粒子熔化程度较好且扁平化程度提高,同时硬度更高的W2C相含量增加导致了硬度提高,而涂层K-24 孔隙率相对较高,粒子熔化程度和扁平化程度较低使涂层硬度最低且不同深度截面硬度分布差异较大。由表5 可以看出3 组不同涂层的拉伸试验断裂位置均为粘接胶处,说明结合强度大于试验值,都达到70 MPa以上,金属陶瓷层与金属Ni粘结层界面为不规则波浪状且结构致密,喷涂粒子扁平化程度较高,有利于工作层与粘接层的结合,使涂层表现出较高的结合强度。

  • 图4 涂层截面的硬度分布

  • Fig.4 Cross-section microhardness profiles of the coatings

  • 表5 不同煤油流量下喷涂态涂层的结合强度

  • Table5 Adhesion strength of as-sprayed coatings under different kerosene flow rate

  • 2.3 涂层高温摩擦磨损性能

  • 图5 为不同煤油流量下涂层的摩擦因数。由图5 可以看出,不同煤油流量下涂层的摩擦因数均介于0.4~0.6 之间, K-26 涂层摩擦因数曲线最低且较为稳定,最终稳定在0.46 左右。涂层K-24 和K-28 摩擦因数均波动较大, K-28 涂层摩擦因数与K-26 涂层较为接近,摩擦因数约为0.48, 涂层K-24 摩擦因数在0.56 左右。

  • 图6 和图7 为不同煤油流量下涂层和不锈钢对偶球的磨损率及其磨损区域宽度与深度。从图中可以看出,随煤油流量增加,涂层和对偶球的磨损率与磨痕宽度均表现出先降低后升高的趋势。从图6(a)可以看出,涂层K-26 表现出最低的磨损率,其值约为2.83×10-15 m 3/(N·m),涂层K-24 的磨损率次之4.97×10-15 m 3/(N·m),涂层K-28 的磨损率最高,为5.61×10-15 m 3/(N·m)。

  • 为探究不同煤油流量下制备涂层的磨损机理,分析了涂层和不锈钢对偶球的磨痕内部形貌及其对应的EDS数据。图8 和图9 为涂层磨痕和对偶球表面SEM形貌,表6 和表7 为对应的涂层磨痕和对偶球表面EDS分析数据。由图8 可以看出,3 组涂层磨痕表面都存在大量深灰色粘着痕迹,结合表6 的EDS结果可知,涂层磨痕表面白色区域主要元素为W、Co和O,涂层表面浅灰色区域的元素以Ni、O、Cr为主以及少量Fe、Si元素,说明涂层在高温摩擦条件下发生了一定程度氧化,涂层表面深灰色粘着物的主要元素为Fe、Cr和O,并未检测到W、Co、Ni等元素。由于滑动摩擦过程中, 对偶球与金属陶瓷层中的NiCrBSi金属相发生粘着咬合,在摩擦剪切力作用下发生滑移和撕裂导致对偶球表面材料的转移[17],两滑动接触面将对偶球组织反复研磨、嵌入涂层与对偶球材料表面,使磨碎的组织变得平滑、紧密[18],表现出典型的粘着磨损特征。同时磨损过程中由于高温和摩擦热的存在使涂层表面和对偶球材料出现了严重的氧化,从图中还可以观察到涂层磨痕表面存在部分粘着层的脱落, 这主要是由于氧化可以通过缺陷向氧化物摩擦层内部扩散,加剧了氧化物摩擦层的氧化和生长,导致其发生脱落。对比图8 中不同涂层的磨痕表面SEM形貌发现,涂层K-26 磨痕表面浅灰色区域多于深灰色区域,涂层K-24 和涂层K-28磨痕表面深灰色区域居多。同时,从图6( b) 图7(b)可以看出,K-26 对偶球磨损率最低,K-28 对偶球磨损率最高,这说明涂层K-26 抗粘着磨损能力最优异,涂层K-28 的粘着磨损最严重。另外,观察涂层的粘着磨损区形貌可以看出,与涂层K-24 和K-26 相比,涂层K-28 表面形貌发生了较大的变化。这是由于涂层K-28 硬度较高且摩擦过程中摩擦因数波动较大,导致摩擦过程产生较大的摩擦热,使氧化物获得较多的生长能量,从而导致表面产生了较大颗粒状的氧化物。

  • 图5 不同煤油流量下涂层的摩擦因数

  • Fig.5 Friction coefficient of coatings under different kerosene flow rate

  • 图6 不同煤油流量下涂层和对偶球的磨损率

  • Fig.6 Wear rate of coatings and counterpart balls under different kerosene flow rate

  • 图7 不同煤油流量下涂层和对偶球的磨损区域宽度与深度

  • Fig.7 Width and depth of wear area of coatings and counterpart balls under different kerosene flow rate

  • 图8 不同煤油流量下涂层的磨痕SEM形貌

  • Fig.8 SEM images of the wear tracks of coatings under different kerosene flow rate

  • 图9 不同煤油流量下对偶球的表面SEM形貌

  • Fig.9 SEM morphologies of the wear tracks surface of counterpart balls under different kerosene flow rate

  • 表6 图8 标记区域的EDS元素分布

  • Table6 EDS element distribution of the marked area in Fig.8(w/%)

  • 表7 图9 标记区域的EDS元素分布

  • Table7 EDS element distribution of the marked area in Fig.9(w/%)

  • 由图9 可以看出,3 组对偶球表面均存在深灰色粘着物,说明对偶球表面发生了粘着磨损, 且对偶球表面存在大量的犁沟,说明对偶球表面发生了磨粒磨损。由于金属陶瓷涂层含有较多的硬质WC相,在涂层与对偶球相对滑动过程中在剪切力作用下金属NiCrBSi相和粘结Co相首先被去除,部分WC相裸露于磨痕表面,暴露的WC硬质相在磨损过程中会发生剥落,部分剥落的WC颗粒充当第三体的对磨副,同时摩擦过程中产生的氧化物摩擦层剥落后也会充当硬质磨粒,使对偶球与涂层接触界面产生犁沟,加剧了对偶球材料表面的磨损和切削[4],因此对偶球表面产生典型的磨粒磨损特征。

  • 图10 为不同煤油流量下涂层的磨痕表面及其对应的对偶球表面拉曼光谱。从图10( a) 涂层表面白色区域拉曼分析结果可以看出,不同煤油流量下涂层摩擦后白色区域表面表现出α-Fe2O3 [19]、(Fe,Cr) 2O3 [20] 和WO3 [21] 等氧化物, 其中K-24 涂层中几乎未检测到WO3 存在,从图10( b)涂层表面深灰色粘着物拉曼结果可以看出,涂层表面深灰色粘着物主要为 α-Fe2O3 和(Fe,Cr) 2O3。另外从图10( c)( d)可以看出,对偶球表面浅灰色区域与深灰色粘着物均仅检测到 α-Fe2O3 和(Fe,Cr)2O3 存在,说明对偶球在高温磨损过程中氧化生成 α-Fe2O3 和( Fe, Cr)2O3。涂层表面WC相在磨损过程中出现了氧化生成了WO3。其生成过程如式(3)所示:

  • 图10 不同煤油流量下涂层与对偶球磨痕表面的拉曼光谱

  • Fig.10 Raman spectra of the wear tracks surface of coatings and counterpart balls under different kerosene flow rate

  • 2WC+5O2→2WO3+2CO2
    (3)

  • WO3 氧化膜在高温摩擦过程中,起到润滑减摩作用[22]。由于K-24 涂层硬度较低、孔隙率高, 因此其摩擦因数和磨损率较高。 K-28 涂层喷涂过程中分解脱碳程度较高,脆性W2C和Co3W3C相的增多使其磨损过程中并未形成光滑致密的摩擦表面,表现出最高的磨损率。 K-26 涂层由于其低孔隙率、较高的硬度和WO3 润滑膜的存在表现出最优异的摩擦学性能,提高了涂层的抗粘着磨损能力,表明涂层的摩擦磨损性能是其孔隙率、硬度等因素综合作用的结果。

  • 3 结论

  • (1) 超音速火焰喷涂WC-12Co/NiCrBSi涂层中,随着煤油流量的提高,涂层的分解脱碳程度提高,W2C和Co3W3C相增多;当煤油流量为26 L/h时涂层具有优异的力学性能和最低的孔隙率。

  • (2) 高温条件下,煤油流量为26 L/h的工艺下制备的涂层摩擦因数和磨损率低于煤油流量为24 L/h和28 L/h的工艺下制备的涂层,显示出最优异的摩擦学性能。

  • (3) 涂层主要磨损机制为粘着磨损和氧化磨损,煤油流量为26 L/h的工艺下制备的涂层抗粘着磨损性能最好,由于涂层在高温磨损过程中WO3 润滑膜的存在,以及其低孔隙率、较高的硬度降低了涂层的粘着磨损,脆性W2C和Co3W3C相降低了涂层的耐磨性。

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  • 基本信息

    中图分类号: TG174
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20200526001
    文章编号: 1007-9289(2020)03-0119-10

    基金信息

    安徽省对外科技合作项目(201904b11020020)；
    Supported by Foreign Science and Technology Cooperation Project of Anhui Province (201904b11020020)；

    引用信息

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    稿件历史

    收稿日期: 2020-03-26

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