细WC添加量对Ni基WC喷焊涂层性能的影响
摘 要： 采用金相显微镜和X射线衍射仪分析了氧乙炔火焰喷焊WC含量不同的Ni基WC涂层的显微组织和相结构，采用湿砂橡胶轮式磨粒磨损实验机对各涂层的抗磨粒磨损性能进行了比较研究，并采用扫描电镜观察了喷焊粉末的形貌和喷焊层的磨损形貌.结果表明，喷焊层的组织为在
SymbolgA@ -Ni 固溶体基体上弥散分布着细小的碳（硼）化物硬质相，这些细小的硬质相主要是Cr7C3，Cr23C6，Cr2B，CrB2和WC.Ni基WC喷焊层的硬度随WC添加量的增加先增加后减小，当WC的质量分数为25%时，Ni基体WC喷焊涂层的硬度最高，相应的抗磨粒磨损性能最好.
关键词：磨粒磨损；喷焊；涂层；镍基自熔性合金
中图分类号：TG174.442 文献标识码：A
Effect of Fine WC Powder Content on the Performance
of WC Reinforced Ni-based Spray-welding Coating
WANG Qun1， XIANG Jing1，WU Xi-bin1， YANG Feng-gen ，TANG Zhi-hua2
（1.College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China;
2. Ganzhou Zhangyuan Tungsten New Materials Co Ltd, Ganzhou, Jiangxi 341000, China）
Abstract:The microstructures and phase compositions of the WC reinforced Ni-based self-fluxing alloy composite coatings prepared by oxy-acetylene flame spray-welding were investigated with optics microscope（OM）and X-ray diffraction ( XRD) . The wear performance of the spray-welding coatings was tested by a MLS-225 wet sand rubber wheel abrasive wearing tester. The micrograph of the sprayed powders and the worn surfaces of the coatings were examined with scanning electron microscopy (SEM). The results have shown that the microstructures of the spray-welding coating are composed of γ-Ni solid solution，with large amounts of fine carbide grains such as Cr7C3，Cr23C6, Cr2B, CrB2 and WC particles. The hardness of the spray and fused Ni base WC composite coatings firstly increased and then decreased with the added content of WC，and the WC content for the highest hardness and abrasive resistance of coating is 25%.
Key words: abrasive wear; spray-welding; coating; Ni-based self-fluxing alloy
在矿山、水利和电力等领域中应用的机械设备，部分零件的工况很恶劣，常常面临大量硬质磨粒的强烈磨损，因此，就要求这部分工件表面必须具备高的耐磨粒磨损性能.采用氧乙炔火焰喷焊Ni60/WC涂层由于涂层硬度高、涂层与基体是冶金结合、且具有操作工艺简单和成本低等特点，使其在生产实际中得到了广泛的应用［1-3］.文献［4］报道在静载磨粒磨损条件下，铸造WC的质量分数在35%~45％之间时耐磨性最好，并且铸造WC颗粒越细（不小于50
SymbolmA@ m），喷焊层耐磨性越好.王素芬［5］也持同样的观点.文献［6］采用氧乙炔火焰喷焊Ni基WC复合涂层，发现当WC的添加量为35%时，涂层具有最佳的抗磨粒磨损性.文献［7］在钢的基体上，在自熔合金中加入亚微米WC粉末进行火焰喷焊，可以获得质量较好的涂层，涂层的耐磨性较不加WC的涂层有较大提高，WC体积分数为1％时喷焊层的质量最好.可见WC的粒度对Ni基WC喷焊粉末中的最佳添加比例影响很大.
当前，市售Ni基WC喷焊粉末中的WC质量分数为35%通常有两种，一种是将平均颗粒尺寸为1
SymbolmA@ m的WC颗粒通过熔铸方式加入到Ni基合金熔体中，然后采用水或气雾化法制粒，得到的单个粉末颗粒中弥散性分布着细WC颗粒；另一种是将平均尺寸为约50
SymbolmA@ m的铸造WC颗粒采用机械混合的方式加入到已经制好的Ni60的粉末中，并混合均匀.在实际生产中，当采用前一种工艺生产Ni60/35WC粉末喷焊零件，特别是一些体积和厚度较大的零件时，其喷焊工艺性并不好.为了便于喷焊操作，喷焊工人常常将其与一定比例的Ni60粉末进行混合.关于将Ni60粉末和含有细颗粒WC的粉末Ni60/35WC粉末混合比例对涂层性能的影响的报道还较少，为此，本文将开展这方面的研究，以探讨这两种粉末的不同混合比例对喷焊工艺性、涂层的组织和性能特别是对其抗磨粒磨损性能的影响作全面的研究.
1 实验材料及实验方法
1.1 实验材料
在粒度为-325目的Ni60粉末中分别添加不同比例的Ni60/35WC粉末，这些混合型粉末的比例和相应的喷焊层代号如表1所示.
其中Ni60粉末的名义化学成分如表2所示.
1.2 涂层制备
本文选用的是QH-2/h型喷焊枪，喷嘴孔的直径是1.9 mm.选用的氧气的压力和流量分别为0.35 MPa和0.9 m3/h，乙炔的压力和流量分别为0.075 MPa和0.75 m3/h.喷焊工艺采用“一步法”喷焊，首先对经净化和喷砂处理的基材整体进行加热，预热的温度为250～300 ℃，立刻均匀地喷上一层厚度为0.1～0.15 mm的粉末.在喷粉时喷距设置为20～25 mm，在重熔时喷嘴到工件的距离大约为5～8 mm，反复喷焊直至喷焊层的最终厚度达到2 mm左右.
1.3 硬度测试
采用HR-150A型洛氏硬度计测量喷焊涂层喷焊层的表面硬度，每个试样测试10个点，取平均值.
1.4 磨粒磨损性能测试
磨粒磨损试样长、宽和高分别为56 mm，26 mm和6 mm，磨损实验在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机上进行.磨料为20～40目石英砂1 500 g+1 000 g水混成的砂浆，试样所受正压力为100 N，橡胶轮转速240 r/min.预磨500转，其磨损失重不计入累计失重，正式磨损的总转数为9 000转.用精度为0.1 mg的F1004型分析天平称量试样质量，磨损前后的差值即为磨损的累计失重，将总的磨损失重除以涂层的密度和总磨程得到其磨损率.
1.5 组织形貌及相结构表征
采用德国蔡司Axiovert 40 MAT金相显微镜对涂层截面显微组织进行观察，采用带有EDS的FEI-Quanta200扫描电镜对喷焊粉末、喷焊层表面的磨损形貌进行观察.在SIEMENS D5000型X射线衍射仪上对粉末和喷焊层进行相结构测试.
2 结果与讨论
2.1 喷焊粉末的形貌
两种喷焊粉末的形貌如图1所示.
从图1可以看出，两种喷焊粉末基本都呈球形和椭球形，这种粉末形状使得喷焊粉末在喷焊送粉的过程中具有较好的流动性.由图1(a)右上角的单个粉末剖面图可以看出，Ni60粉末截面形貌为浅灰色的基体上弥散分布着大量的黑色和灰色的块状析出相，经EDS分析可知，黑色的富Cr和B，而灰色的富Cr和C,结合相关文献［8-10］推断分别是Cr的硼化物和碳化物.在Ni60/35WC粉末单个球体的剖面上弥散分布着大量的白色颗粒，如图1（b）右上角所示，经能谱分析该白色颗粒富W和C，由此可知这些白色颗粒是WC颗粒.
2.2 相结构分析
两种喷焊粉末及相应涂层的相结构如图2所示.
由图2可以看出，喷焊后涂层和粉末的相结构变化不大，两种喷焊层中都含有Ni相和Cr的碳化物（Cr23C6,Cr3C2，Cr7C3）和硼化物（CrB2，CrB2），在Ni60-35%WC喷焊层中还有WC相，这些碳化物和硼化物分布在Ni合金基体中能很好地强化和硬化涂层.
2.3 显微组织分析
Ni60和Ni60中添加不同含量WC喷焊层典型截面金相照片如图3所示.
由图3可以看出，当WC的质量分数不超过25%时，喷焊涂层较致密，涂层中的气孔较少；当WC的质量分数为35%时，涂层中的气孔较多.另外，各涂层与基体间形成了宽度不等的过渡带，这是由于涂层与基体间发生元素扩散的缘故，这也说明了涂层与基体间形成了冶金结合.
2.4 硬度及其与磨损率的关系
Ni60和添加不同含量细颗粒WC制备的Ni基WC喷焊涂层的硬度与其磨损率如图4所示.
由图4可以看出，涂层中的硬度开始随着WC的添加比例增加而增加，当WC的添加比例为25%时，喷焊层的硬度最高，继续增加WC的含量，涂层的硬度反而下降.当WC的添加量超过25%时，随着WC添加量的增加，粉末在喷焊重熔时流动性变差，造成喷焊层中的气孔和夹渣等缺陷明显增多，从而导致喷焊层硬度下降，同时涂层的硬度值波动也变大.涂层磨损率的变化趋势基本与硬度相反，即磨损率先降低后增加.
由图5右上角的试块磨痕可以看出，涂层表面的宏观磨痕较深，沿着磨粒运动方向分布着大量的平行沟槽；由Ni60涂层的微观磨损形貌可以看出，磨损表面也分布着较多的沟槽，有些沟槽的深度较大且长度也较长.可见磨损表面弥散分布的碳化物（灰色）和硼化物（黑色）未能很好地阻碍磨粒的切削作用，最终导致其抗磨粒磨损性能相对其它Ni基WC涂层要差一些.
WC采用弥散方式添加的C25喷焊层宏观和微观磨损形貌如图6所示.
相比Ni60涂层而言，C25涂层表面的宏观磨痕较浅，但是微观磨损形貌与Ni60涂层类似.有磨损表面的背散射电镜形貌来看，在涂层表面不但存在与Ni60表面类似的析出相，还有大量弥散分布的高亮显示的白色WC相.这些弥散分布的颗粒尺寸较小的Cr的碳化物（Cr7C3，Cr23C6）、硼化物(Cr2B，CrB2)以及WC，能更有效地提高喷焊层的宏观硬度，高硬度的涂层表面能有效地减小外界磨粒“刺入”涂层表面的深度.当磨粒“刺入”涂层表面很浅时，这些硬质相，特别是WC能较好地阻碍磨粒对涂层表面的切削作用，从而使得C25涂层具有相对高的抗磨粒磨损性能.
WC的质量分数为35%的 C35喷焊涂层宏观和微观磨损形貌如图7所示.
由图7右上角试块的宏观磨损形貌可以看出，C35喷焊涂层中的气孔较多，在磨损过程中这些气孔成为磨粒“刺入”的薄弱点，刺入气孔中的磨粒在橡胶轮的摩擦力作用下沿涂层表面运动，使涂层材料被快速的去除.当这些气孔相对集中分布时，被切除的材料的沟槽相互连通，导致这些局部区域被磨粒大量切除，而留下深深的磨坑.细颗粒WC添加质量分数为35%的Ni基WC粉末在喷焊时合金的流动性和自熔性变差，形成的气孔不易溢出，熔渣也不能完全顺利地上浮到喷焊层的表面，使得C35涂层含有较多的气孔和熔渣，降低了涂层的硬度，最终导致其抗磨粒磨损性能迅速下降.综合上面的几种涂层的磨损表面形貌，并结合文献［10］可知涂层的磨损机理如下：磨粒对涂层表面塑性相的微切削、由于犁沟造成的塑性变形以及硬质相的破碎与脱落.
3 结 论
1）Ni基WC复合喷焊层的组织为在γ-Ni固溶体上分布着大量的碳化物（Cr23C6，Cr7C3，WC）和硼化物（Cr2B，CrB2）等硬质相，由于这些相的弥散强化作用大大地提高了涂层基体的强度和硬度.
2）在Ni60粉末中添加WC制备涂层的硬度随WC添加量的增加出现先增加后降低的现象，当添加量为25%时，涂层的洛氏硬度值最高，相应的抗磨粒磨损性能最好.
参考文献
［1］ 李金桂.再论现代表面工程［J］.中国表面工程,1998,11（3）：1－7.
LI Jin-gui. Rediscussion on modern surface engineering ［J］. China Surface Engineering,1998,11（3）：1－7.(In Chinese）
［2］ 顾迅. 现代表面技术的应用［J］.金属热处理,1999（4）：1－6.
GU Xun. Application of modern surface technology ［J］. Heat Treatment of Metals，1999（4）：1－6.(In Chinese）
［3］ 王群，陈振华，丁彰雄，等. 镍基WC喷焊涂层组织与磨损性能研究［J］.湖南大学学报:自然科学版，2009，36 (4):57－60.
WANG Qun, CHEN Zhen-hua, DING Zhang-xiong, et al. Performance of WC reinforced Ni-based spraying-welding coating［J］. Journal of Hunan University:Natural Sciences，2009，36 (4):57－60. (In Chinese)
［4］ 宋欢，隋全明，张树生,等. 铸造碳化钨硬质合金粉末预成形块火焰喷焊工艺及耐磨性的研究［J］.粉末冶金技术，1995, 13(4):259－264. (In Chinese)
SONG Huan，SUI Qun-ming ,ZHANG Shu-sheng，et al.Study on flame spray welding by using cast tungsten carbide alloy powder preformed compact and wear resistance ［J］. Powder Metallurgy Technology,1995, 13(4):259－264. (In Chinese)
［5］ 王素芬. 火焰喷焊件喷焊层耐磨性的研究［J］.西北纺织工学院学报,1997, 11(3):282－285.
WANG Su-fen. Study on wear resistance of spray welded layer of flame spray welded parts［J］.Journal of Northwest Institute of Textile Science and Technology, 1997, 11(3):282－285. (In Chinese)
［6］ 王长生,罗美华，杨蕴林，等. 几种火焰喷焊自熔性合金层的耐磨性［J］. 材料开发与应用,1997,12(4):6－12.
WANG Chang-sheng, LUO Mei-hua, YANG Yun-lin. Abrasive resistance of flame-spraying self-melting alloy coatings ［J］.Development and Application of Materials, 1997, 12(4):6－12. (In Chinese)
［7］ 陈志刚,汤小丽,苏 静,等. 超细WC体积分数对喷焊层耐磨性的影响［J］.江苏大学学报:自然科学版,2006, 27(1):44－46.
CHEN Zhi-gang, TANG Xiao-li, SU Jing, et al. Influences of volume content of WC on wear resistance of sprayed coating［J］. Journal of Jiangsu University:Natural Science,2006, 27(1):44－46. (In Chinese)
［8］ WANG Q， CHEN Z H，DING Z X, et al. Abrasive wear behavior of WC reinforced Ni-based composite coating deposited by oxy-acetylene flame spraying weld process［J］.Surface Review and Letters,2009，16(3)：475－485.
［9］ KIM H, HWANG S, LEE C, et al. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings ［J］.Surface and Coating Technology,2003,172: 262-269.
［10］WANG H, XIA W M, YUAN S J. A study on abrasive resistance of Ni-based coatings with a WC hard phase ［J］. Wear, 1996,195: 47－52.
推荐访问： 涂层 性能 添加 影响 WC
