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外文翻译1
高速氧焰喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的滑动干摩擦性能
摘要 高速氧焰喷涂处理是用于制备AISI145铁基WC-10Co-4Cr涂层。涂层的显微组织、硬度和干摩擦表现与冷锻模具钢Cr12MoV进行对比和研究。结果显示，涂层孔隙率低，显微硬度高，WC颗粒分布均匀。涂层是由WC相和W2C相组成。随着负载的增加，涂层和冷锻模具钢Cr12MoV的摩擦系数减小。涂层的摩擦系数和磨损质量损失低于Cr12MoV钢。涂层在两种载荷（30和50 牛）下的主要磨损机制是挤压变形和磨损。对Cr12MoV钢，其磨损机制主要为塑性变形和氧化。
关键字： WC–10Co–4Cr 高速氧焰喷涂 磨损 涂层
1 引言
模具钢由于其材料利用率高、低的完成成本以及处理时间短等优点，在工业中扮演着重要的角色[1]。然而，模具钢的使用寿命因其低磨损率而降低。WC-Co基涂层通常用于提高工程部件的耐磨性，这是由于其硬度和韧性的有利结合。[2、3]高速氧焰喷涂被证实是安置WC-Co基最好的热喷涂技术之一[4]。原因是，在和其他热喷涂工艺相比较时，WC粉末可以在高速氧焰喷涂过程中分解的概率很低[5]。此外，高速氧焰喷涂WC-Co基涂层具有较低的孔隙率高硬度和结合强度，有利于其耐磨性能[6、7]。一些资料显示，给料粉末的形态、高速氧焰喷涂系统和喷涂参数会影响其微观结构，反过来影响涂层的耐磨性能[8、9]。
许多研究已经研究过高速氧焰喷涂的WC-Co涂层的磨损表现和机制[10]。 Zo acute;rawski对比了高速氧焰喷涂的纳米和传统的WC-12Co涂层的摩擦磨损性能，他们指出纳米WC-12Co涂层比传统的WC-12Co涂层有更密集的结构、更高的硬度以及耐磨性能。Hazra等人[11]发现高速氧焰喷涂的WC-12Co图层涂比等离子喷涂的WC-12Co涂层和硬铬涂层有较高的耐磨性能，这归功于其更高的硬度和更低的孔隙率。Saha and Khan[12]表明，高速氧焰喷涂的近纳米WC-17Co涂层比微米WC-10-Co-4Cr涂层有更好的耐磨性能。Lee等人研究了不同粒径粉末混合的WC–10Co–4Cr涂层对断裂韧度和耐磨性能的影响[13]。 Staia and Carrasquero[14]研究了超音速火焰喷涂WC-14Co-3Cr涂层的摩擦学机理，表明涂层的磨损机理是一个混合的磨粒磨损和粘着磨损磨损机理。
在我们的早期工作中，详细指出了高速氧焰喷涂WC-10Cr-4Cr涂层的微观结构和热稳定性[15]。在现阶段的工作中，涂层的特征是以微观结构和物理性质为依据的，并进一步在不同的载荷下对比冷作模具钢研究其干摩擦表现及机理和耐磨性及机理。
2实验步骤
用于此次试验的粉末是一个商业聚合和熔结的质量分数为WC占10%，Co占4%的铬粉（大型太阳能热喷涂材料有限公司，中国成都），其径粒分布在15-45微米之间。涂层的基板是AISI1045钢。在喷涂之前，所有的基板都要丙酮脱脂，热风干燥，然后用30目的AI2O3喷砂。然后用一种商业喷枪（Praxair Tafa-JP8000,美国）把WC-10Co-4Cr涂层沉淀在基体上。喷涂工艺的最佳参数见表1.
为了识别相的组成，X射线衍射仪(XRD, Bruker D8-Advanced, Germany)进行涂层扫描和步骤0.02. 利用扫描电子显微镜研究了作为喷涂涂层的微观结构和磨损表面形貌（SEM，日立S-3400N，日本）和环境扫描电子显微镜（ESEM，飞利浦型，荷兰）配备的能量色散X射线（EDX，飞创世纪60年代，荷兰）分析系统。通过使用装有图像分析仪的光学显微镜（OM，OLYMPUS BX51M，Japan）在5009的放大倍数的抛光的切片上测定涂层的孔隙率。使用维氏显微硬度测试仪（HXD-1000TC），在1.96N的载荷下在涂层的横截面上进行显微硬度测量15秒。对涂层部分进行二十次孔隙度和硬度测量，并进行平均以确保数据重复性。
表1 高速氧焰喷涂工艺的参数
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喷涂参数 |
数值 |
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煤油流量（L/min） |
0.38 |
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氧气流量（L/min） |
897 |
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喷涂距离（mm） |
300 |
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载气流量（L/min） |
10.86 |
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粉末进给量（rpm） |
5 |
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喷枪速度（mm/s） |
280 |
干式滑动磨损试验在MG2000针盘式摩擦计（中国张家口市北仑平衡机械有限公司）上进行。试验按照ASTM G99-05 [16]标准进行。在试验过程中，将HVOF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的磨损试样（U45mmtimes;9 7mm）和冷作模具Cr12MoV旋转。 Al2O3球的上销（U6 mm）是静止的。磨损试验在以下条件下进行：滑动速度为0.9m s -1，滑动距离为1500m，正常载荷为30和50N。环境温度和相对湿度在20和25℃之间变化，在40和50％。在磨损试验之前，将所有样品的表面研磨抛光至具有平均表面粗糙度Ra = 0.12mu;m的镜面状表面，在超声波浴中在丙酮中脱脂并在温热空气中干燥。通过在试验前后使用0.1mg的精度的分析天平来测定试样的磨损质量损失。计算机一致地记录摩擦力矩。通过OM和SEM观察磨损的表面形态。
3、结果与讨论
3.1涂层性质
图1显示了HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层表面的XRD图。 可以看出，涂层主要由WC（JCPDS 89-2727）和W2C（JCPDS 35-776）相组成。 观察到的W2C峰值和标称位置（基于JCPDS 35-776）之间的轻微变化可以通过轻微掺杂Cr来解释，这导致晶格参数的变化[17]。
图2显示出了来自涂层的抛光横截面的典型区域。 从图2a可以看出涂层非常致密，光滑，无裂纹。 一些氧化铝砂可能被捕获在涂层/底物界面区域。 涂层的厚度约为200lm。 图2b显示了涂层的详细微观结构，其中大量体积分数的碳化钨均匀地分布在涂层中。 一些毛孔在涂层中可见为非常暗的区域。 通过图像分析确定涂层的平均孔隙率为0.51％。 在以前的研究中已经观察到类似的形态[15,18-20]。
涂层相对于涂层 - 基材界面的距离的显微硬度如图3所示。 可以看出，涂层的显微硬度在1168-1323 HV200的范围内。 显微硬度的不均匀性归因于孔隙度的不均匀分布。涂层的平均显微硬度值为1233plusmn;64 HV200，远高于基底（230plusmn;17 HV200）。 这被认为受到低孔隙率和硬相（即，碳化钨）的存在的影响，如图1和2所示。
图1 WC-10Co-4Cr涂层的XRD图
图2 WC-10Co-4Cr涂层的横截面的SEM图像：a整体视图形态 b 孔隙
图3 WC-10Co-4Cr涂层和底物的显微硬度变化
3.2磨损特性
图4显示了WC-10C-4Cr涂层和冷作模具钢Cr12MoV的摩擦系数。可以看出，涂层和钢Cr12MoV的摩擦系数均具有“磨合”期。其他研究人员也观察到类似的现象[2]。涂层和钢Cr12MoV的摩擦系数在磨损试验5分钟后是稳定的。在稳定时期，WC-10Co-4Cr涂层的摩擦系数低于Cr12MoV钢。当载荷从30增加到50N时，WC-10Co-4Cr涂层的平均摩擦系数从约0.50降低到0.47。随着载荷的增加，Cr12MoV钢的平均摩擦系数从1.03降低到0.85。这与摩擦过程中样品和对应物之间的实际接触面积有关。在这项研究中，界面加热随着正常载荷的增加而增加，这将增加延性Co-Cr基体的流动能力。因此，在较高的法向载荷下可以形成更大程度的机械混合层和表面平滑化，这导致实际接触面积的增加和摩擦系数的降低[21,22]。
WC-10Co-4Cr涂层和冷作模具钢Cr12MoV的磨损累积质量损失曲线如图5所示。 结果表明，在相同的磨损条件下，涂层的质量损失明显小于Cr12MoV钢。 Cr12MoV钢的质量损失分别为30N和50N负载下涂层的质量损失约2.5倍和3.5倍。 这表明与Cr12MoV钢相比，涂层的耐磨性显着提高。 据报道，软粘合剂与WC WC颗粒的均匀分散体结合对涂层的耐磨性是有益的[23]。
为了了解磨损行为，通过SEM检查磨损的疤痕。图6显示了WC-10Co-4Cr涂层在室温下在30和50N负荷下对Al2O3球的磨损形态的代表性SEM图像。如图6a，c所示，在涂层的磨损表面上形成犁痕，剥落，挤出变形和裂纹，并且犁痕和裂纹的数量随着载荷的增加而增加。这表明涂层在较高负载时会受到严重的磨损损伤。此外，一些碳化物颗粒拉出出现在离散区域，这归因于在涂层表面上切割两个体磨损颗粒[23]。图6b，d显示较高的放大显微照片，表明涂层的磨损有两种可能性：由于涂层和氧化铝之间的挤压作用，软金属粘合剂基体的挤出变形在磨损表面（A区）上形成一些光滑;由于持续应力（B区）的作用，表面上形成裂纹[24,25]。在之前已经观察到类似的形态。如图所示。如图6d所示，孔周围的裂缝垂直于滑动方向，沿近孔隙传播。涂层的主要磨损机理是挤出变形和腐蚀磨损。
在30N和50N的负载下，冷作模具钢Cr12MoV的磨损形态的OM和ESEM研究如图7所示。 如图7a，c所示，可以注意到，在30N负载下，在磨损表面上存在通过塑性变形形成的凹槽和一些部分氧化的轨迹。通过EDX分析，暗灰色结构（A点）被确定为氧化铁 ，如图7d所示。 定量分析（at％）也在图7d中给出。 图7b示出了与负载为30N的情况相比，氧化物层连续出现并且在50N的负载下变得更深。这是摩擦系数随负载增加而降低的原因，如图4所示。 这种现象与其他研究人员报告的结果相似[26-28]。 Cr12MoV钢的主要磨损机理是塑性变形和氧化。
图4 WC-10Co-4Cr涂层和冷作模具钢的摩擦系数Cr12MoV：a载荷30 N，b载荷50 N
图5 WC-10Co-4Cr涂层和冷作模具钢Cr12MoV的累积质量损失
图6 WC-10Co4Cr涂层的磨损形貌的代表性SEM图像：a，b载荷30 N，c，d载荷50 N
图7 冷成型模具钢的代表性轨迹形态Cr12MoV：a 载荷30 N，b荷载的OM图像荷载50 N，c 荷载的ESEM图像30 N，d（c）中点A的EDX结果
4、结论
通过HVOF喷涂工艺制备WC-10Co-4Cr涂层。 涂层孔隙率低，显微硬度高，WC颗粒分布均匀。 发现WC-10Co-4Cr涂层和冷作模具钢Cr12MoV的摩擦系数随着载荷的增加而逐渐降低。 涂层的摩擦系数和磨损质量损失明显低于Cr12MoV钢。 在两种载荷（30和50 N）下涂层的主要磨损机理是挤出变形和腐蚀磨损。 对于钢Cr12MoV，主要的磨损机制是塑性变形和氧化。
致谢 该研究得到了中央大学基础研究基金（授权号2013B34414和2014B02314）以及江苏省大学毕业生研究与创新项目（授权号CXLX12_0244）的支持。
参考文献
1. Wei M X, Wang S Q, Zhao Y T, Chen K M, and Cui X H, Metall Mater Trans A 42A (2011) 1646.
2. Zhu Y C, Yukimura K, Ding C X, and Zhang P Y, Thin Solid Films 388 (2001) 277.
3. GhadamiF,GhadamiS,andAbdollah-PourH,Vacuum94(2013)64.
4. Yoganandh J, Natarajan S, and Kumaresh Babu S P, Trans Ind Inst Met 66 (2013) 437。
5. Santana Y Y, La Barbera-Sosa J G, Caro J, Puchi-Cabrera E S, and Staia M H, Surf Eng 24 (2008) 378.
6. Santana Y Y, La Barbera-Sosa J G, Bencomo A, Lesage J, Chicot D, Bemporad E, Puchi-Cabrera E S, and St
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资料编号：[137302]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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