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发表于 2006-9-22 20:06:47
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Re: 超音速火焰喷涂简介(文字版 无需下载)
3、 HVOF 喷制的 WC-Co 涂层的结合强度
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表 2 为采用 CH-2000 系统制备的典型涂层的结合强度及硬度测试结果。结合强度测试主要根据 ASTM 标准,采用圆棒试样,在其一端经喷砂预处理后喷涂涂层,用粘结剂与另一圆棒对偶粘结在一起,通过拉伸试验进行涂层结合强度测试。
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$ i; j% @1 k) Z 结果表明对于 WC-Co 系与 Cr 3 C 2 -NiCr 系涂层断裂通常发生在粘结剂处,结合强度通常都超过现有粘结剂的强度,即大于 70Mpa ,喷涂工艺参数等对结果影响较小 [21] 。
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采用拉销法测试表明, HVOF 金属陶瓷涂层的结合强度可达到 150Mpa [22] 。
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日本高温学会热喷涂试验方法委员会组织日本企业各界采用普通拉伸法和拉销法系统地对用等粒子喷涂与两种 HVOF 喷涂系统、爆炸喷涂制备的 WC-Co 涂层的结合强度进行了对比试验研究,其结果表明用普通拉伸法测试,等离子 WC-Co 涂层的结合强度约为 40Mpa, 而 HVOF 涂层和爆炸喷涂层的断裂发生在粘结剂处,结合强度大于 70~80Mpa ;拉销法结果表明 HVOF 涂层的结合强度与爆炸喷涂层相当,达到 150Mpa [23] 。但是,应该指出 HVOF 金属涂层的结合强度受喷涂粒子熔化程度的影响很大 [19-20] ,当喷涂粒子达到完全熔化时,沉积的涂层的结合强度难以大幅度提高,而采用熔化有限的粒子制备涂层可以显著提高涂层的结合 [19-20] 。 0 N1 J5 A g( E) L
}( a8 y/ X2 U6 f2 Q c! Y8 q 表 2 CH-2000 型 HVOF 典型涂层特性
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% b4 v. [' [3 d' [涂层 硬度 结合强度 ! }$ ~; l8 t1 j, t
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WC-17Co 1280Hv >65Mpa 0 `- F2 k8 v, T8 q9 S3 m6 ~& q
& s% _" Y5 V- jWC-12Co 1300Hv >65Mpa
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NiCrBSi(Ni60) 900 Hv >65Mpa . e; \% ^0 ]$ Z2 `* h h% P0 p _
$ P' @2 D" l3 a% L4 g& b8 G% |Cr 3 C 2 -NiCr 900 Hv >90Mpa 5 z) b6 }6 ?6 E0 B; J5 {
7 g. G; b2 ]& K4 J+ `1 X说明:结合强度测试时,基体为低碳钢,全部断在胶中,为此结合强度大于表中的数值, Ni60 涂层采用 75~105 μm的粉末制备。
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3 \ L# h6 T Q+ R' d. G4、 HVOF WC-Co涂层的耐磨损性能
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4.1喷涂工艺条件对HVOF WC-Co涂层耐磨损性能的影响
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0 Q/ e! j% ~% h( U5 l( i HVOF工艺条件直接影响粒子的加热与加速特性,决定粒子的温度、速度以及在火焰流中的停留时间,从而影响涂层的组织结构,特别是涂层中WC颗粒的含量与大小、涂层的致密度。因此,在HVOF喷涂系统不断发展的同时,进行了大量的关于涂层结构与性能变化规律的工艺研究。; c) m* d1 M9 Q( O0 P7 b7 a& N
: U9 ~, b5 V* Q7 W& R 文献[24]对HVOF WC-Co系涂层的结构变化规律进行了详细的评述。涂层中的WC颗粒的大小及含量对涂层的耐磨损性能影响显著。图1为CH-2000系统在两种不同条件下制备的涂层的磨粒磨损试验结果[17],表明喷涂条件对涂层耐磨性具有较大的影响。喷涂粉末为自贡硬质合金厂生产,磨损试验采用SUGA(日本)试验机进行,试验条件与后述的表3、图2及图5相同。 0 b, [ A8 H8 S+ ~8 _. f
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0 D7 t9 i. c0 z' Z9 j( h图 1喷涂条件对WC-17Co涂层磨损量的影响 3 _/ T! v( {3 a w5 w/ t/ s
6 ]: _, I. Y, [& I* X5 f$ V4.2粉末种类对涂层耐磨性能的影响
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表 2为四种典型WC-Co粉末采用Jet-Kote喷枪制备的涂层的磨损试验结果[25]。粉末的结构对涂层的结构影响显著,1-型粉末喷涂后,WC分解严重,涂层中存在着大量的金属W[26],4-型粉末在沉积涂层时,由于包覆层熔化而芯部WC仍为固态,发生熔融相的优先沉积与芯部WC颗粒反弹的现象[27],涂层主要由Co-W-C合金构成,基于沉积过程的快速冷却特征,该合金以非晶结构存在于喷态涂层中[28]。% L$ x4 J7 p1 y4 J2 F. S- W
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与3-型聚合粉末相比,由金属Co将细小WC致密地粘结在一起的2-型粉末,WC在喷涂过程中更有限[29]。为此,涂层的耐磨粒磨损性能最优。另一方面,对于WC非常容易分解的1-型粉末,通过采用加热强度低的火焰等合适的工艺条件可将WC的分解程度限制在W 2 C的范围内,可以大幅度提高涂层的耐磨损性能[29]。
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( t& A! n, Z8 ]: O HVOF WC-Co涂层磨损特征的理论与实验表明,涂层的耐磨粒磨损性能与WC颗粒相对大小的平方根呈反比,与其含量呈正比[25]。因此,需要选择WC颗粒细小的粉末。
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V7 ]' T: [( \7 v表 3典型粉末制备的HVOF涂层结构特点及其磨损量比较 * W7 m1 A0 T9 c
$ H/ W0 Q0 c- ]" w# S, w粉末类型 1- 型 2 - 型 3- 型 4- 型
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) { v% [, L* x% A制造方法 烧结 - 粉碎 烧结 - 粉碎 聚合制粉 包覆型 7 t; p' o/ ~" |2 z
( Y, x& O( Q# R5 R4 T" w公称成分 WC-12Co WC-12Co WC-17Co WC-18Co ' q1 x! v- j7 o8 ?3 C* C7 H( |
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粉末结构特点 粉末致密, WC 颗粒细小分布均匀, 分布均匀,粘结 在粗大的 WC均匀,粘结相 为 Co 3 W 3 C 复合碳化物 粉末致密,WC颗粒细小分布均匀,粘结相为 Co 粉末疏松,WC颗粒细小分布均匀,粘结相为 Co Co均匀包覆在粗大的WC表面
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涂层结构特点 涂层致密,大部分WC分解为W 涂层致密,WC 分解非常有限 涂层致密,WC 分解有限 致密的CO-W -C 非晶合金 为主成分,存在有限的WC 6 A/ z; p7 `/ P1 @0 b
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磨损量( mg ) 14 6 10 19% _- |. u7 D" F. w' c3 ^
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5、 HVOF 涂层与其它方法制备的涂层的性能比较
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5.1 与其它热喷涂方法的比较
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HVOF WC-Co 涂层的硬度可以达到 1100 — 1300Hv ,与爆炸喷涂层相当,显著高于等离子喷涂层,一般等离子 WC-Co 涂层的显微硬度为 800 — 1000Hv 。表 2 为文献 [30] 所报导的几种涂层的硬度值。 9 i8 r0 W# O0 `1 G- o
( O* @7 b0 j/ Q( x8 z- y! ?/ f9 h表 2 几种 WC-Co 涂层与电镀硬铬层的硬度 [30]
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3 J% e- |9 b M" l# E& P1 E7 P$ V# E2 }( }- W: n8 n$ n
# U' a' `; W& x# k* F6 X8 S涂层 HVOF HVOF 电镀硬铬层 爆炸喷涂! O. \! O/ q% ~
& m. m, P% q- X- Q9 h成分 WC-12Co WC-27NiCr Cr WC-13Co : l' |+ z- L' r+ K M: }
- x6 a& w: x% s- K8 S7 A硬度( Hv 0.3 ) 1100~1270 1000~1100 800~900 1100~1200
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+ p# @0 |* J& P. ^/ D 图 2 为 HVOF WC-12Co 涂层与爆炸喷涂 WC-13Co 涂层的耐磨料磨损试验结果比较 [30] 。试验采用 SUGA (日本)型磨损试验机, HVOF 采用 Jet-Kote 系统。
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0 g8 c: {# Y5 M! b9 p2 J 其中,实线表示表面为喷涂状态下的涂层的试验结果,而点线表示表面精磨至 Ra=0.2 μm后的试验结果。结果说明无论在那种表面状态下,HVOF涂层的耐磨损性能超过了爆炸喷涂层。
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图 3为三种方法制备的涂层,即等离子喷涂层、HVOF涂层、爆炸喷涂层的磨粒磨损试验结果[31]。磨损试验采用的干式橡胶轮磨损试验机,HVOF采用连续爆炸喷涂CDS系统。
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4 ?% w5 T8 l2 T/ |6 H& q 其中:1、4、6号所示结果分别为HVOF、等离子、爆炸喷涂制备的WC-12Co涂层的试验结果。2、3、5分别为HVOF WC-12%Ni,WC-10%Co-4%Cr,WC∕TiC-15%Ni涂层的试验结果。比较WC-Co涂层,表明HVOF涂层与爆炸喷涂相当,而显著优于等离子涂层。 : B7 m4 z2 H7 W/ a
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从以上结果可以看出, HVOF可以获得耐磨损性能显著优于等离子涂层,而优于或相当于爆炸喷涂的耐磨涂层。 : T. N" c, X$ x0 |3 q* P7 G2 n
! X E7 o; u- t" X2 ^$ F% N5.2 HVOF涂层与火焰喷焊层
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自熔合金喷焊层由于通过涂层的重熔,不仅能获得无气孔致密的、耐磨损性能及耐腐蚀性能优越的涂层,而且,可使涂层与基体达到冶金结合,在国民经济的各领域得到了广泛的应用,获得了良好的效果 [32]。$ h. z6 X/ L2 @
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但是,涂层的重熔工艺要求将工件表面加热到1000℃以上,加热温度高,不仅容易引起基体组织和性能的变化,而且,还会产生巨大的热应力,从而引起变形,对于要求比较严格的近终成形的零件,就难以适用。HVOF涂层的优越性能为取代喷焊层提供了可能。 1 o+ }9 |2 |" h) @5 s
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图 4各类HVOF喷涂层与NiCrBSi喷焊层,电镀硬铬层的耐磨料磨损性能试验结果的比较例[33]。HVOF采用DJ系统喷制。图中,NiCrBSi(相当于Ni60)喷焊层的耐磨损性作为1进行相对比较,该结果也说明通过选择合适的涂层材料,可以得到性能优于喷焊与电镀硬铬层的HVOF涂层。
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?2 E$ T- z. l4 M& r5.3 HVOF 涂层与电镀硬铬层
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: I1 o' G+ A9 F; h$ Z 电镀硬铬层作为提高材料表面耐磨损性能的方法,由于可以在低温下进行电镀,涂层硬度高,同时,形成涂层后可以不需要进行加工,因此,作为已经精加工成最终形状的零件表面涂层强化方法,应用非常广泛。# c% t; R2 X& g$ h; h
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但是,对于尺寸较大的零部件,电镀加工就难以适用,同时,硬铬层的最高使用温度约为 350 ℃,受到限制。此外,由于不可避免地存在着环境污染问题,随着对环境保护的要求越来越严,成本将会越来越高。因此,开发可以替代电镀硬铬层的涂层技术有着重要的意义。 1 g# H8 F) w+ c
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图 5 为电镀硬铬层与 HVOF WC-Co 涂层的耐磨料磨损试验结果的比较例 [30] 。 HVOF 涂层采用 Jet-Kote 系统喷制。结果说明 HVOF 硬质合金涂层的耐磨损性能显著优于电镀硬铬层。图 4 所示结果也证明了上述结论。 : W& f& s. R: u& j1 z- g
. D5 y( E7 D* r 以上结果充分说明, HVOF 涂层完全可以取代电镀硬铬层。为此,迄今有许多关于用 HVOF 替代硬铬技术的研究报道。+ d0 C; F; p, B; [9 e
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