超音速火焰喷涂碳化钨–钴铬涂层替代电镀硬铬的研究

宋进兵，刘敏，邓春明

（广东省工业技术研究院，广东 广州 510650）

超音速火焰喷涂碳化钨–钴铬涂层替代电镀硬铬的研究

宋进兵*，刘敏，邓春明

（广东省工业技术研究院，广东 广州 510650）

采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在300M钢基体上制备了 WC–CoCr涂层，研究了其显微结构、显微硬度、相组成、耐磨性和耐蚀性，并与300M钢电镀硬铬试样进行了性能对比。研究结果表明，HVOF工艺制备的WC–CoCr涂层性能优良，耐磨性和耐蚀性优于电镀硬铬镀层，可以替代电镀硬铬作为耐磨涂层使用。

碳化钨–钴铬涂层；超音速火焰喷涂；电镀硬铬；耐磨性；耐蚀性

1 前言

电镀硬铬作为一种传统的表面电镀技术，应用历史已超过60 a。电镀硬铬层硬度较高，有一定的耐磨性和耐蚀性，工艺比较简单，成本较低。因此，电镀硬铬作为耐磨耐蚀镀层的应用非常广泛。但是，电镀硬铬过程对环境有严重污染，国家对电镀硬铬的排放标准越来越严格[1]，处理电镀硬铬的三废排放成本也越来越高。此外，电镀硬铬本身还存在其他一些缺点，如耐磨性和耐蚀性无法满足越来越高的使用要求、存在氢脆问题等，其应用受到很大的限制。研究工作者一直努力寻找能替代电镀硬铬的涂层工艺，包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)、激光涂层技术和热喷涂技术等。这些技术中，超音速火焰喷涂(即High Velocity Oxy-Fuel Spraying，简称HVOF)工艺已被证明为替代电镀硬铬的优选工艺之一，在航空、机械等许多领域得到了成功的应用[2-3]。

本文研究了HVOF工艺制备的WC–CoCr涂层的性能，并与电镀硬铬进行了性能对比。

2 实验

2. 1 试样处理

所有试样均为 300M超高强度钢，热处理后的强度≥1 860 MPa。试样表面经丙酮除油后，再用54#白刚玉砂以约0.45 MPa压力进行喷砂处理，喷砂角度为90°，处理后试样表面粗糙度Ra= 3.0 ～ 3.8 μm。

2. 2 喷涂WC–CoCr涂层

碳化钨涂层的制备采用Sulzer Metco公司的团聚/烧结WC–CoCr粉末，粒度为5 ～ 30 μm，牌号为5847。涂层制备采用 Sulzer Metco公司的 WokaStar 600型HVOF喷涂系统，喷涂参数如下：航空煤油18 L/h，氧气720 L/min，氮气9 L/min，送粉量72 g/min，喷枪移动速率1 000 mm/s，喷距380 mm。涂层喷涂后用金刚石砂轮磨削到75 μm左右，再抛光到表面粗糙度Ra＜ 0.4 μm。

2. 3 电镀硬铬

电镀硬铬试样的基体材料也是 300M钢，由中航飞机起落架有限责任公司进行电镀硬铬处理，镀层厚度60 ～ 80 μm。电镀后，镀层抛光到粗糙度Ra＜0.4 μm。

2. 4 性能表征

采用日本电子的JSM 5910型扫描电镜观察涂层和镀层的微观形貌与基体的界面状况以及缺陷。通过徕卡 Q550 MW型图像分析软件测定涂层和镀层的孔隙率。用上海恒一 MH-5型显微硬度计测定涂层和镀层的显微硬度，所用载荷为300 g，载荷保持时间为15 s。采用日本理学D/max-IIIA型X射线衍射仪分析涂层的相结构。根据GB/T 12967.2–2008《铝及铝合金阳极氧化膜检测方法 第2部分：用轮式磨损试验仪测定阳极氧化膜的耐磨性和耐磨系数》，用 SUGA公司的NUS-ISO3型磨耗实验机测试涂层的耐磨性，对磨材料为180# SiC金相砂纸，磨耗试验次数为2 000个来回，使用Sartorius公司的BS 224S型电子天平测定磨损试验前后样品的质量。在东莞明驰MC-952C型中性盐雾试验机中测试涂层的耐蚀性。

3 结果与讨论

3. 1 涂层微观形貌

制备的WC–CoCr涂层的微观形貌如图1所示。可见，WC–CoCr涂层非常致密。用图像分析软件测得的孔隙率为0.5%。界面很干净，基本上看不到有喷砂前处理工艺产生的砂粒残留。通过扫描电镜观察并结合能谱分析结果，涂层中存在4种显微结构：(1)棱角分明的WC颗粒，说明超音速火焰喷涂工艺参数合适，使得粉末中的大部分WC颗粒能够保持原有形状；(2)环绕WC颗粒周围的灰色相含钴量显著高于其他相，应是粘结相与WC发生反应生成；(3)颜色较深的深灰色相，含铬量显著高于其他相，表明涂层中铬的分布不均匀；(4)黑色的孔洞，都是尺寸较小的微孔。

图1 不同放大倍数的WC–CoCr涂层的SEM照片Figure 1 SEM images of WC–CoCr coating with different magnifications

电镀硬铬的横截面微观形貌与其他研究者的研究结果一致[2-3]，可以观察到大量的微裂纹。电镀过程中镀层内部产生的残余应力导致了微裂纹的产生[3-4]。

3. 2 涂层显微硬度

喷涂WC–CoCr涂层的显微硬度约为1 136 HV，而电镀硬铬的显微硬度约为990 HV。电镀硬铬的高硬度与镀层中存在的残余应力密切相关。而 WC–CoCr涂层的高硬度来自高硬度的WC颗粒，与残余应力关系不大，因而使用温度对其硬度值影响不大。

3. 3 涂层相分析

WC–CoCr涂层的X射线衍射分析结果如图2所示。可见，涂层发生了一定程度的脱碳，形成了少量的W2C相和η相。这是由于HVOF工艺制备涂层过程中，WC–CoCr粉末在约3 000 °C的火焰中受热和加速时，都会产生一定程度的脱碳现象，生成W2C或其他脆性相[5]。

图2 WC–CoCr粉末及其HVOF涂层的X射线衍射谱图Figure 2 XRD spectra of WC–CoCr powder and the HVOF coating obtained therewith

3. 4 涂层耐磨性

图3为WC–CoCr涂层与电镀硬铬镀层的SUGA磨耗试验结果。从图 3可以看出，两者的磨损量均随往复次数的增多而基本呈线性增加，电镀硬铬镀层磨损失重为WC–CoCr涂层磨损失重的4倍以上。

图3 WC–CoCr涂层与电镀硬铬层的磨损失重对比Figure 3 Comparison between wear loss of HVOF-deposited WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating

图4a、4b分别为WC–CoCr涂层与电镀硬铬镀层磨耗试验后的表面形貌。

图4 WC–CoCr涂层与电镀硬铬镀层经过磨损试验后的微观形貌Figure 4 Microscopic morphologies of WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating after abrasion test

由图4可见，WC–CoCr涂层与电镀硬铬镀层均有典型的犁沟状磨痕，但WC–CoCr涂层的磨痕明显少于电镀硬铬层，而且磨痕较浅。这与磨损失重的结果相一致。

3. 5 涂层耐蚀性

涂层耐中性盐雾腐蚀测试结果见图5。电镀硬铬镀层和WC–CoCr涂层对300M钢基体的防护性能存在很大差异。24 h盐雾腐蚀后，电镀硬铬试样表面即出现大片的腐蚀，表明镀层已失去了对基体的防护能力；而WC–CoCr涂层在504 h后，表面基本上看不到红锈，只存在变色情况。可见，WC–CoCr涂层的抗中性盐雾腐蚀能力明显优于电镀硬铬镀层。

图5 WC–CoCr涂层与电镀硬铬镀层经过不同时间中性盐雾试验后的照片Figure 5 Photos of WC–CoCr coating and electroplated hard chromium coating after neutral salt spray test for different time

4 结论

(1) 在 300M 钢基体上采用 HVOF工艺制备了WC–CoCr涂层。该涂层致密，孔隙率为0.5%，显微硬度为1 136 HV，高于电镀硬铬镀层的显微硬度(990 HV)。XRD分析结果表明，WC–CoCr涂层中只有少量的W2C相和η相。

(2) SUGA磨耗试验结果表明，WC–CoCr涂层的耐磨性显著优于电镀硬铬层，其磨损量不到电镀硬铬镀层磨损量的1/4。

(3) 中性盐雾腐蚀试验结果表明，504 h后WC–CoCr试样表面基本上无红锈，而电镀硬铬镀层试样表面在24 h后即出现大量红锈。

(4) WC–CoCr涂层的耐磨性和耐蚀性都显著优于电镀硬铬，因而完全可以替代电镀硬铬作为耐磨涂层使用。

[1] 奚兵. 低污染的镀硬铬工艺及清洗方法[J]. 电镀与精饰, 2009, 31 (6): 23-24.

[2] 周克崧. 热喷涂技术替代电镀硬铬的研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2005, 14 (增刊): 182-191.

[3] AQÜERO A, CAMÓN F, GARCÍA DE BLAS J, et al. HVOF-deposited WCCoCr as replacement for hard Cr in landing gear actuators [J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2011, 20 (6): 1292-1309.

[4] IRONS G, KRATOCHVIL W, SCHROEDER M, et al. Thermal spray alternatives for electroplated chromium [J]. Journal of Thermal Spray Technology, 1996, 5 (1): 39-47.

[5] CASTELETTI L C, ARNONI, E A B, FERNANDES F A P, et al. Effect of the HVOF deposition process in the chemical composition of tungsten carbide layers with cobalt or nickel binders [J]. Journal of ASTM International, 2010, 7 (3): 1-10.

[ 编辑：韦凤仙 ]

Study on HVOF-deposited WC–CoCr coating as alternative for hard chromium plating //

SONG Jin-bing*, LIU Min, DENG Chun-ming

A WC–CoCr coating was deposited on 300M steel substrate by high velocity oxy-fuel (HVOF) spraying process. The microstructure, microhardness, phase composition, wear resistance, and corrosion resistance of the coating were studied, and the properties of the coating were compared with a electroplated hard chromium coating. The results indicated that the WC–CoCr coating prepared by HVOF has superior wear and corrosion resistance to the hard chromium coating, and can be an alternative to hard chromium coating for anti-wear application.

tungsten carbide–cobalt–chromium coating; high velocity oxy-fuel spraying; hard chrome plating; wear resistance; corrosion resistance

Guangdong Research Institute of Industrial Technology, Guangzhou 510650, China

TG174.4

A

1004 – 227X (2012) 06 – 0066 – 03

2012–01–05

2012–02–22

宋进兵（1972–），男，湖北仙桃人，高级工程师，主要从事热喷涂应用研究。

作者联系方式：(E-mail) jbsong@gmail.com。