铸造碳化钨添加量对镍基复合喷熔涂层性能的影响

铸　造　Ｓｅｐ．２０１３　Ｖ０１．６２　Ｎ０．９　ＦＯＵＮＤＲＹ　铸造碳化钨添加量对镍基复合喷熔涂层性能的影响　吴有伍　，谭兴龙　，吴琴　，章诗歧　（１．湖南大学材料科学与Ｘ－．程学院，湖南长沙４１００８２；２．湖南顶立科技有限公司，湖南长沙３４１０００；　３．无锡福莱达石油机械有限公司，湖南长沙３４１０００）　摘要：在镍基合金粉末ＮｉＣｒＢＳｉ中添加不同比例的铸造碳化钨（ＷＣ），并采用氧乙炔火焰喷熔丁艺在低碳钢表面制　备了相应的Ｎｉ基ＷＣ复合涂层。采用金相显微镜观察了涂层的显微组织，采用湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机测试了　涂层的抗磨粒磨损性能，并采用扫描电镜观察了喷熔粉末和喷熔层磨损后的形貌。结果表明：喷熔层的组织为在　ＮｉＣｒ合金基体上弥散分布着不同粒度的碳（硼）化物硬质相；涂层的显微组织和ＷＣ的含量对Ｎｉ基ＷＣ喷熔层的硬度　和抗磨损性能影响很大，涂层的硬度和抗磨损性能随ＷＣ添加量的增加先增加后减小；当ＷＣ的含量为３５％时，Ｎｉ基　体ＷＣ喷熔涂层的硬度最高，相应的抗磨粒磨损性能最好。　关键词：磨粒磨损；喷熔；涂层；镍基自熔性合金；碳化钨　中图分类号：ＴＧ１４６．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４９７７（２０１３）０９—０８７４—０４　Ｅ仟ｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｓｔｉｎｇ　ＷＣ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｅｒ－ｆＯｒｍａｎＣｅ　Ｏｆ　ＷＣ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｎｉ．Ｂａｓｅｄ　Ｓｐｒａｙ—Ｆｕｓｅｄ　Ｃｏａｔｉｎｇ　ＷＵ　Ｙｏｕ—ｗｕ　，ＴＡＮ　Ｘｉｎｇ—ｌｏｎｇ２，ＷＵ　Ｑｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｉ・ｑｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｗｕｘｉ　Ｆｕｌａｉｄａ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ　２１４１９２，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｉ．ｂａｓｅｄ　ＮｉＣｒＢＳｉ　ｓｅｌｆ－ｌｆｕｘｉｎｇ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆｃａｓｔｉｎｇ　ＷＣ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｏｘｙ—ａｃｅｔｙｌｅｎｅ　ｆｌａｍｅ　ｓｐｒａｙ－ｆｕｅｓｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｃｒｏｓｓ．ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｏｐｔｉｃｓ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（０Ｍ）ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｂｙ　ａ　ＭＬＳ．２２５　ｗｅｔ　ｓａｎｄ　ｒｕｂｂｅｒ　ｗｈｅｅｌ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗｅａｒｉｎｇ　ｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘａｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆｔｈｅ　ｓｐｒａｙ－ｆｕｓｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆＮｉＣｒ　ａｌｌｏｙ，ｃａｒｂｉｄｅｓ　ａｎｄ　ｂｏｒｉｄｅｓ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｒａｙ．ｆｕｓｅｄ　Ｎｉ．ｂａｓｅｄ　ＷＣ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｉｒ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ＷＣ　ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＷＣ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃａｓｔｉｎｇ　ＷＣ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ３　５％ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗｅａｒ：ｓｐｒａｙ．ｆｕｓｅｄ；ｃｏａｔｉｎｇ；Ｎｉ—ｂａｓｅｄ　ｓｅｌｆ－ｆｌｕｘｉｎｇ　ａｌｌｏｙ；ＷＣ　采用氧乙炔火焰喷熔金属复合涂层具有操作工艺　简单、成本低且涂层与基体能形成冶金结合等特点，　在生产实际中得到了广泛的应用［　］。氧乙炔火焰喷熔　常用的材料有铁基、钴基和镍基材料，当前生产实践　时，涂层的耐磨性最好；而文献［４１９ｌｑ报道ＮｉＣｒＢＳｉ粉末　中的亚微米ＷＣ体积添加量为１％时，涂层的综合性能　最好。关于铸造ＷＣ在ＮｉＣｒＢＳｉ粉末中的添加量相关的　报道也不尽相同。文献［５】报道了Ｎｉ６０中ＷＣ的添加量　为２５％～３５％ｔ￣，相应的喷熔涂层的抗磨损性能提高４　倍以上。文献［６］报道了Ｎｉ６０中ＷＣ添加量为３０％时，涂　层的硬度最高，当ＷＣ添加量为３５％时，涂层的耐磨性　中普遍采用ＮｉＣｒＢＳｉ为代表的镍基合金粉末制备喷熔涂　层作为材料表面的防护层。当喷熔涂层硬度要求不高　时，可以选用Ｃｒ含量较低的Ｎｉ基合金粉末；当喷熔涂　层需要高硬度来承受高磨粒磨损的情况下，则必须选　用含Ｃｒ量较高的Ｎｉ基合金粉末或者在此基础上添加不　同比例的ＷＣ构成的镍（Ｎｉ）碳化钨（ＷＣ）复合材料。　Ｎｉ基ＷＣ粉末中ＷＣ的粒度和添加比例对相应的喷熔涂　层的性能都有很大的影响。文献【３］报道在湿砂磨粒磨　损条件下，粒度为１　ｍ细颗粒ＷＣ的质量分数为２５％　收稿日期：２０１３一Ｏ４＿２６收到初稿，２０１３一Ｏ６＿０３收到修订稿。　能最好。还有文献［７忖艮道添加ｗｃ的质量分数为５０％时　制备的Ｎｉ基喷熔涂层的耐磨性能相对于Ｎｉ６０涂层提高９　倍　这些报道中，关于ＷＣ的最优的添加比例存在差异　可能与涂层制备工艺水平和所采用的抗磨损性能的评　价方法有关。关于铸造ＷＣ的添加量对Ｎｉ基喷熔涂层的　显微组织特别是对Ｎｉ基ＷＣ的磨粒磨损行为和相关机理　作者简介：吴有伍（１９６１一），男，高级１二程师，主要从事材料加工与成形研究。Ｅ—ｍａｉｌ　铸造　吴有伍等：铸造碳化钨添加量对镍基复合喷熔涂层性能的影晌　ＷＣ　（ａ）ＮｉＣｒＢＳｉ　（ｂ）ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）　图６硬质相的尺寸对Ｎｉ基ＷＣ复合喷熔涂层磨损行为的影响　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆｔｈｅ　ｈａｒｄ　ｐｈａｓｅ　ｓｉｚｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆｔｈｅ　ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）ｃｏａｔｉｎｇｓ　的硬度，但是这些小颗粒的硬质相的硬度都比铸造ＷＣ　的硬度低，不能很有效地阻碍外界磨粒“刺人”涂层　表面。在磨粒的切削和犁沟作用下，涂层表面材料被　逐渐切削。因Ｉ￣ＬＮｉＣｒＢＳｉ涂层的磨粒磨损机理以微切削　形式为主，并伴有擦伤和犁沟。ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）涂层　中合金相部分的磨损机理与ＮｉＣｒＢＳｉ涂层相似，而外界　磨粒对涂层的切削作用还会受到大尺寸高硬度的ＷＣ相　的阻碍，特别是当涂层中的基体合金相被切削到一定　深度时，突起ＷＣ就能更好地阻碍磨粒对涂层表面的刺　入和切削作用，从而使得含有ＷＣ的Ｃ３５涂层具有更高　的抗磨粒磨损性能。但是，这些ＷＣ粒子在外界磨粒的　反复作用下，也会发生疲劳破碎和脱落（图６ｂ），因　此，疲劳剥落就成为ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）涂层不同于　ＮｉＣｒＢＳｉ涂层的一种磨损失效形式。当涂层中的ＷＣ添　加量不超过３５％时，这种ＷＣ的增强效应会随之涂层中　的ＷＣ的增加而增加。当ＷＣ含量继续增加时，ＮｉＣｒＢＳｉ　（ＷＣ）材料的喷熔工艺性将变差（喷熔材料自熔性、　流动性和润湿性变差），使得制备的喷层中出现孔隙和　夹杂等缺陷。在磨损过程中这些缺陷都会成为磨粒　“刺入”的薄弱点，刺入孑Ｌ隙和夹杂中的磨粒在橡胶轮　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（如图４ｃ左半部分）。因此，在　ＮｉＣｒＢＳｉ合金中添加ｗＣ时，还需考虑到喷熔工艺性的　问题，过多添加ｗＣ粒子会降低喷熔工艺性，最终会损　害ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）喷熔层的性能。　本文引言中给出各文献报道的关于ＷＣ合理添加比　例存在差异（ＷＣ推荐的添加比例在２０％￣５０％变动），　可能与以下三个因素有关：①喷熔粉末的质量；②喷　熔人员的技术水平；③被选择工件喷熔性的难易程度。　因此，本文建议在选择Ｎｉ基ＷＣ材料进行氧乙炔火焰喷　熔制备高硬度的涂层时，如果上述三个因素都处于适　中的水平，那么ＷＣ的添加比例可选择为３５％，如果这　三个因素处于偏低和偏高的水平，则ｗｃ添加比例可选　择￣Ｌ３５％减小或增加一些。由此可见，不可能存在一　个固定的ＷＣ添加量，使得该涂层在任何实际使用工况　下都能获得最佳的使用效果。因此，在选择镍基ＷＣ材　料来制备相应的喷熔涂层时，要注意结合其实际使用　工况，选择合适的磨粒磨损试验方法进行评价，以获　得更理想的评价结果。　３结论　（１）Ｎｉ基ＷＣ复合喷熔层的组织为在ＮｉＣｒ合金基体　上分布着大量的碳化物和硼化物等硬质相，其中，粗　颗粒的ＷＣ在提高喷熔层硬度和抗磨粒磨损性能方面的　作用更明显。　（２）在ＮｉＣｒＢＳｉ粉末中添加粗颗粒的铸造ＷＣ制备　喷熔涂层的硬度随ＷＣ添加量的增加出现先增加后降低　的现象，当添加量为３５％时，涂层的洛氏硬度值最高，　按照ＡＳＴＭ　Ｇ　１０５湿砂橡胶轮磨粒磨损试验标准获得的　相应的抗磨粒磨损性能最好。　（３）ＮｉＣｒＢＳｉ喷熔层的磨损机理为微切削为主，　ＮｉＣｒＢＳｉ（ＷＣ）喷熔层的磨粒磨损机理除了基体相的　微切削外，还兼有硬质ＷＣ的疲劳、破碎和脱落的特　征。　（４）在制备高硬度的Ｎｉ基ＷＣ喷熔涂层时，ＷＣ的　添加比例可根据喷熔粉末的质量、喷熔人员的技术水　平和被选择工件喷熔性的难易程度来综合选择。　参考文献：　［１］顾迅．现代表面技术的应用［Ｊ］．金属热处理，１９９９（４）：１＿６．　［２］王群，陈振华，丁彰雄，等．镍基ｗｃ喷熔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．　［３】王群，向晶，伍细斌，等．细ＷＣ添加量对Ｎｉ基ＷＣ喷熔涂层性能　的影响［Ｊ］．湖南大学学报：自然科学版，２０１１，３８（１２）：５７＿＿６１．　［４］陈志刚，汤小丽，苏静，等．超细ＷＣ体积分数对喷熔层耐磨性的　影响［Ｊ］．江苏大学学报：自然科学版，２００６，２７（１）：４４＿４６．　［５］王长生，杨蕴林．ｗＣ加人量对Ｎｉ６０自熔合金喷熔层磨粒磨损性能　影响［Ｊ］．热加工工艺，１９９７，１：２８－３０．　［６］贾瑞灵，李建国，张秀云．碳化钨对自熔合金Ｎｉ６０Ｂ喷熔层耐磨性　的影响［Ｊ］．内蒙古工业大学学报，２００５，２４（４）：２８５－２８９．　［７］沈德久，王玉林，方春林．碳化钨增强镍基喷熔层耐磨性的研究　［Ｊ］．粉末冶金技术，１９９７，１５（４）：２８６－２８８．　［８］Ｗａｎｇ　Ｑ，Ｃｈｅｎ　Ｚ　Ｈ，Ｄｉｎｇ　Ｚ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ＷＣ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｎｉ—ｂａｓｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｂｙ　ｏｘｙ－ａｃｅｔｙｌｅｎｅ　ｌｆａｍｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇｗｅｌｄｐｒｏｃｅｓｓ阴．ＳｕｒｆａｃｅＲｅｖｉｅｗａｎｄＬｅｔｔｅｒｓ，２００９，１６　（３）：４７５－４８５．　［９］Ｋｉｍ　Ｈ，Ｈｗａｎｇ　Ｓ，Ｌｅｅ　Ｃ　ｅｔ　ａ１．Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆｗｅａｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｆａｍｅ　ｓｐｒａｙｅｄ　ａｎｄ　ｆｕｓｅｄ　Ｎｉ－ｂａｓｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１７２（２－３）：２６２－２６９．　［１０］Ｗａｎｇ　Ｈ，Ｘｉａ　Ｗ　Ｍ，Ｙｕａｎ　Ｓ　Ｊ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｎｉ—ｂａｓｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｉｈｔ　ａ　ＷＣ　ｈａｒｄ　ｐｈａｓｅ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９６，１９５（１—　２）：４７—５２．　（编辑：曲学良，ｑｘｌ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｒｎ）