超音速火焰喷涂 CoCrMoSi涂层的组织与性能
纪朝辉 , 王志平 , 丁坤英 , 贾 鹏
材 料 保 护
[摘 要 ] 利用超音速火焰喷涂 (HVOF)技术在连铸结晶器 (CrZrCu合金 )表面喷涂 CoCr MoSi合金涂层 ,通过金相显微镜、 扫描电镜考察涂层的微观组织 ,并利用显微硬度计、 磨损试验机等研究了涂层的耐磨性能。结果表明:利用 HVOF技术制备的 CoCr MoSi涂层均匀致密 ,边界氧化物含量较少 ,孔隙率为 2 . 83%,涂层平均硬度为 840 HV,是基体材料的 4倍以上;加载 150 N、 磨损 3 min后 ,未喷涂试样表面为黏着磨损 ,磨屑体积为 256 . 594 mm3,摩擦系数为 0 . 802 7;已喷涂试样表面为磨粒磨损 ,磨屑体积为 1 . 607 mm3,摩擦系数为0 . 612 5;由此可见 , CoCr MoSi合金涂层提高了基体硬度 ,降低了摩擦系数 ,显著地改善了 CrZrCu基体的耐磨性能。
[关键词 ] 超音速火焰喷涂; 连铸结晶器; CoCr MoSi涂层; 耐磨性能;热喷涂
0 前 言
结晶器是连续铸钢设备的关键部位 ,是连铸机的心脏。结晶器的表面是影响其性能的关键 ,要求有较高的耐磨性。常用的 CrZrCu基结晶器的耐磨性较差 ,目前采用电镀合金的方法提高铜基连铸结晶器的表面性能 ,但是效果不佳[ 1～3 ]。为此 ,本试验利用超音速火焰喷涂 (HVOF)技术在 CrZrCu表面喷涂 CoCr MoSi涂层 ,对涂层进行微观组织分析及性能测试 ,研究涂层对表面耐磨性能的影响 ,以进一步促进超音速火焰喷涂技术在结晶器表面喷涂方面的应用。
1 试验材料及方法
基体材料选用 CrZrCu合金 ,尺寸为 45 mm ×30mm × 5 mm。利用 HVOF技术在基体上喷涂 CoCr MoSi工作层 ,厚度为 0 . 8～1 . 0 mm。打底层为 CoNiCr AlY涂层 ,厚度为 0 . 15～0 . 25 mm。CoCr MoSi工作层的化学成分见表 1。
利用德国 CARL ZE ISS研究级正立智能材料显微镜 Axi o I mager . A 1m及中文图像分析系统对涂层进行显微观察及分析。利用 HVS - 1000型显微硬度仪测量试样的显微硬度 ,按 G B 4342 - 84进行试验 ,载荷为2 . 94 N,加载时间为 20 s,放大倍数为 400倍。利用 M200环块磨损试验机进行磨损试验 ,试验时间为 3 min,滑动线速率为 5 . 23 m / s,法向载荷为 150 N,转速为200 r /min,磨块尺寸为 10 mm × 10 mm ×10 mm。利用PH I L IPS XL30 /T MP型扫描电镜对涂层磨损后表面的形貌进行观察及分析。
2 试验结果与讨论
2 . 1 涂层的微观形貌
图 1为涂层的截面形貌。由图 1a可以看出 ,不使用打底层直接在 CrZrCu表面喷涂 CoCr MoSi时 ,热喷涂涂层表面存在少量的孔洞和残留微小的颗粒 ,且涂层与基体的交界为凹凸不平的界面。这是由于喷涂过程中合金粉末处于半熔化状态 ,在压缩气流作用下高速冲击基材表面 ,碰撞的瞬间 ,涂层粒子的动能转化成热能传递给基材 ,并沿凹凸不平的表面产生变形 ,随即迅速冷凝收缩呈扁平状粘附于基材表面 ,形成无数变形粒子互相交错、 波浪式堆叠在一起的层状组织结构。
这种层状结构不可避免地存在一部分氧化物夹杂、 小缝隙和微孔洞;同时 ,当粉末进入火焰及随后被喷射飞行的过程中 ,由于处在火焰中的位置不同 ,被加热的程度不一样 ,因而有部分粉末熔融 ,部分粉末仅被软化还存在少数未熔的粉粒。这就造成基体与涂层间以机械结合为主 ,涂层和基体的结合强度不高。由图 1b可以看出 ,使用 CoNiCr AlY打底时 ,在基体与 CoCr MoSi工作层之间产生了过渡层。打底层与基体、 涂层之间的边界变得不十分明显 ,氧化物夹杂与缝隙的数量较少 ,这表明打底层的应用避免了边界氧化 ,提高了涂层与基体的结合强度。
2 . 2 涂层的孔隙率及显微硬度
耐磨性涂层要求具有较高的致密度 ,因此孔隙率是涂层的重要性能指标。对喷涂 CoCr MoSi后的试样进行孔隙率分析 ,用图像分析系统算出孔隙率并求其平均值 ,得到 CoCr MoSi涂层的孔隙率仅为 2 . 83%。涂层由变形粒子堆叠形成,变形粒子在堆叠过程中往往不能完全重叠 ,速度较低的粒子 ,由于变形不充分 ,更容易产生不完全重叠 ,从而形成孔隙。本试验采用HVOF喷涂 ,粒子的速度高 ,沉积时撞击力大 ,变形充分 ,大大减少了粒子间的不完全重叠[ 4, 5 ],提高了涂层的致密度。
涂层硬度是反映涂层质量的重要指标之一 ,尤其是当涂层用于耐磨损时,涂层硬度在一定程度上反映了涂层的耐磨性[ 6, 7 ]。图 2为 CoCr MoSi深层的显微硬度 ,测量位置 (图 2a中黑块部分 )及沿测量距离的数值分布情况。本试验对工作涂层与基体的抛光截面 ,每隔一定间隔距离进行显微硬度逐点测试。由图 2b可知 , CoCr MoSi涂层的平均硬度为 840 HV,而 CrZrCu基体的平均硬度值低于 200 HV。可见涂层的硬度明显高于基体的硬度 ,说明本试验方法可大大提高基材表面的硬度 ,扩大了材料的应用范围。
2 . 3 涂层的耐磨性能
在 M 2200环块磨损试验机上进行耐磨性试验。对磨损试样表面的显微观察结果见图 3。由图 3可以发现:无涂层保护时, CrZrCu基体表面的磨损情况较为严重,磨损面存在大量的剥落、 黏附现象,为黏着磨损 (见图3a) ,磨屑体积为 256 . 594 mm3,摩擦系数为 0 . 802 7;在CrZrCu基体上喷涂 CoCr MoSi涂层后,试样的磨损表面只存在较浅的犁削沟槽,沟槽的深度浅、 密度小,为磨粒磨损 (见图 3b) ,磨屑体积仅为 1 . 607 mm3,摩擦系数为0 . 612 5。
这是由于在摩擦过程中 ,未经喷涂的基体表面与摩擦盘表面因微凸体而形成点接触 ,接触点附近应力很大 ,产生严重的塑性变形而出现冷焊 ,从而形成黏着磨损。此过程中 ,黏着阻力阻碍摩擦副的相对运动 ,试样黏着点附近的区域因表面的相对滑动而被剪断产生磨损 ,因而磨损量较大。CoCr MoSi涂层是半熔化状态的合金粉末在压缩气流作用下高速冲击基材表面形成的。在冲击力的作用下 ,涂层的颗粒呈扁平状且相互交错、 波浪式堆叠 ,在变形粒子结合处容易发生团状剥落 ,从而形成磨粒磨损。由于 CoCr MoSi涂层的硬度较高,抗压入的能力很强,磨粒不易发生嵌入,只在磨损表2 . 3 镀层的结合力对铬酸粗化处理样品以及偶联剂处理样品 ,在镀件表面上以 1 mm间距和 90° 交错角度用刀片划出方形小格 ,观察划痕交错处镀层的变化 ,进一步用粘性高的胶带贴在划痕表面 ,再撕去胶带 ,结果镀层均未脱落 ,镀层与基体间结合力良好 ,但不作任何粗化处理的样品则出现大片剥落。可见 ,通过偶联剂处理可以改善镀层的结合力 ,达到一般实用要求。
3 结 论
PVC塑料经过硅烷偶联剂 KH560处理后可以获得亲水性良好的表面层 ,在此处理层上进行传统化学镀 Ni2Cu 2P合金 ,可以获得与基体结合良好的镀层。塑料化学镀前选用合适的偶联剂来替代传统铬酸粗化工艺是可行的。
参考文献略
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