摘要：针对应用较为广泛的电镀硬铬镀层和因性能优异逐步推广应用的超音速火焰喷涂碳化钨涂层进行了显微硬度和摩擦磨损性能对比。分别使用进口粉末和国产粉末制备了 WC10Co4Cr、WC17Co 涂层，并与电镀硬铬镀层对比。
结果表明：超音速火焰喷涂碳化钨涂层显微硬度在1100~1300 之间，电镀硬铬显微硬度在 800 左右；碳化钨涂层摩擦系数在 0.5~0.7 之间，电镀硬铬摩擦系数在 0.7~1.0之间；碳化钨涂层磨损失重是电镀铬磨损失重的 1/10 左右甚至更少；超音速火焰喷涂碳化钨涂层摩擦磨损性能明显优于硬铬镀层。
关键词：超音速火焰喷涂；碳化钨；电镀铬；摩擦磨损
1 前 言
电镀硬铬技术150年前被发明并逐渐转化为工业应用，作为传统的耐磨防护涂层技术已经有近百年的历史[1]， 广泛应用于机械、化工、石油、航空等领域。但由于镀铬层工艺的特点和本身的镀层性质，在使用中也存在一些问题：例如表面拉应力较大，存在微裂纹，硬度较低等，导致镀层在高载荷、摩擦、腐蚀等环境下使用寿命降低。
高速火焰喷涂技术（HVOF，High Velocity Oxygen/Fuel Process）是国外 20 世纪 80 年代开发出的热喷涂技术，也被称为超音速火焰喷涂技术。高速火焰喷涂技术克服了电镀硬铬的一系列缺点，作为一种较理想的替代电镀硬铬技术，在国内外石油、机械、印刷、冶金、航空等领域得到了较深入的研究和广泛的应用[2-7]。目前国内使用的喷涂粉末原材料大部分为进口粉末，成本较高。随着喷涂行业的发展，国产粉末质量也逐步提高，保证了涂层性能，并降低了涂层成本，使喷涂技术的推广应用增加了动力。
本文进行了超音速火焰喷涂碳化钨涂层与电镀硬铬镀层的显微硬度和摩擦磨损性能对比试验，同时对比了国内外粉末制备涂层的性能。
2 试 验
试样使用 E4340 钢作为基体材料。
超音速火焰喷涂使用的粉末为WC17Co 和WC10Co4Cr，同时采用进口及国产粉末进行试验。超音速火焰喷涂设备型号为 DJ2700，使用丙烷和氧气为燃料，喷涂参数见表 1，喷涂工作状态见图 1。
试样电镀硬铬按照 HB/Z 5072 进行。
涂镀层显微硬度测试参照 HB 5486 进行，使用 struers公司的duramin维氏硬度计进行测量，加载2.94N，保持15s，对每种涂层测量点不少于 10 个，求平均值。在 MMW-2 万能摩擦磨损试验机上进行干滑动摩擦磨损试验。试验中使用的摩擦副为 SiN 球，规格为 5mm。试验参数如下：法向载荷为 20N，50N，磨球运行速度为 100rad/min，运行时间 30min。15min 时测一次失重，30min 时测一次失重。
3 结果与讨论
3.1 显微硬度
各类涂层显微硬度结果见图 2。电镀硬铬的显微硬度均值为 808HV300；进口粉末制备的 WC17Co 及 WC10Co4Cr涂层显微硬度均值为 1098 HV300、1123 HV300；国产粉末制备的 WC17Co 及 WC10Co4Cr 涂层显微硬度均值为 1113HV300、1287 HV300：两种喷涂涂层显微硬度均高于硬铬镀层 35%以上。
3.2 摩擦系数
图 3 是各涂镀层在 20N 和 50N 载荷下，摩擦过程中干滑动摩擦系数随时间的变化曲线。a 和 b 两种进口粉末涂层在 20N 载荷下摩擦系数先在 0.1~0.2 间波动，试验时间到800s 时，摩擦系数迅速升高，到 1200s 后稳定在 0.5~0.7 之间；50N 载荷下，两种涂层的摩擦系数初始也在 0.15 左右，但分别于 100s 和 200s 后迅速升高，之后稳定在 0.5~0.8 之间。国产 WC10Co4Cr 粉末涂层低摩擦系数维持时间非常短，迅速升高后维持在 0.5~0.7 之间；国产 WC17Co 粉末涂层在 20N 载荷下摩擦系数变化与进口粉末涂层类似，但在50N 载荷下，一直保持着 0.2 左右的低摩擦系数。电镀铬层的摩擦系数无明显的两阶段，在 0.7~1.0 之间波动，20N 载荷下随着时间的增加，摩擦系数有降低的趋势，但波动仍然较大。
3.3 磨损失重
图 4 是各涂镀层的磨损失重曲线。30min 试验后，磨球与涂层的相对摩擦距离 420m，可以明显看出超音速火焰喷涂碳化钨涂层与电镀硬铬镀层的磨损量差别。20N 载荷下，电镀铬磨损失重 23.08mg，进口 WC10Co4Cr 粉末涂层增重 0.4mg，进口 WC17Co 粉末涂层失重 0.97mg，国产WC10Co4Cr 粉末涂层失重 0.56mg，国产 WC17Co 粉末涂层失重 3.18mg；50N 载荷下，电镀铬磨损失重 38.29 mg，进口 WC10Co4Cr 粉末涂层失重 1.31mg，进口 WC17Co 粉末涂层失重1.32mg，国产WC10Co4Cr粉末涂层失重0.4mg，国产 WC17Co 粉末涂层失重 1.11mg。国产 WC17Co 粉末涂层 20N 载荷下磨损量是电镀硬铬的 13%，其余各喷涂涂层在 20N 和 50N 载荷下，磨损量是硬铬镀层的 4%甚至更低。碳化钨涂层的高硬度，使得耐磨性能大大优于硬铬镀层。
4 结 论
基于本文的摩擦试验方法和摩擦条件，主要结论如下：1）进口粉末和国产粉末超音速火焰喷涂碳化钨涂层的显微硬度高于硬铬镀层 30%。2）进口粉末和国产粉末超音速火焰喷涂碳化钨涂层的干摩擦系数在 0.5~0.7 之间，低于电镀硬铬相同试验条件下的摩擦系数 0.7~1.0。3）进口粉末和国产粉末超音速火焰喷涂碳化钨涂层的磨损量相当，至少是硬铬镀层磨损量的 1/10 左右。
参考文献略
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