12Cr13不銹鋼表面超聲速火焰噴涂CrNi/CrC復(fù)合涂層工藝研究

吳偉建,于耀華

上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

根據(jù)某型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品使用要求,為避免12Cr13不銹鋼配合面處反復(fù)裝拆過程中出現(xiàn)的粘咬引發(fā)的機(jī)構(gòu)安裝、維修困難,通過熱噴涂工藝在零件基體表面制備CrNi/CrC耐磨涂層,使表層材料、性能及接觸狀態(tài)得到改變,不僅極大提升表面的耐磨損性能,更重要的是能有效防止零件表面發(fā)生粘咬故障,保證了機(jī)構(gòu)裝拆過程安全。噴涂層厚度、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度、涂層孔隙率及顯微組織等參數(shù)是表面抗粘咬技術(shù)及保證切削加工的關(guān)鍵指標(biāo),也是考核噴涂工藝實(shí)施質(zhì)量的重要指標(biāo)。

2 熱噴涂工藝簡介

熱噴涂是利用熱源將噴涂顆粒加熱至一定程度的熔態(tài),經(jīng)高速氣流霧化后噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面形成噴涂層,從而使材料表面得到強(qiáng)化或改性的加工技術(shù)。常用熱源主要包括電弧、等離子體、火焰等。

熱噴涂過程中每個(gè)粒子的行為相互獨(dú)立,在沉積過程中又相互關(guān)聯(lián)?；w表面經(jīng)預(yù)處理粗化后,令粒子高速撞擊時(shí)鋪展于基體表面,同時(shí)隨著噴涂過程的進(jìn)行,對鋪展于表面的粒子逐層覆蓋,在冷凝后收縮,并與基體表面咬合,同時(shí)在不斷沉積過程中粒子之間相互咬合,形成機(jī)械結(jié)合。當(dāng)粒子與基體接觸距離達(dá)到原子晶格常數(shù)值以內(nèi)時(shí)產(chǎn)生范德華力,形成物理結(jié)合。高速粒子沖擊基體表面,動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能,碰撞界面處的基體材料在高壓沖擊和高溫的作用下局部位置溫度升高達(dá)到基體熔點(diǎn)以上時(shí)產(chǎn)生熔化,噴涂粒子與基體在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成化學(xué)冶金結(jié)合[1-2]。從熱噴涂的形成機(jī)理可知,噴涂顆粒加熱變形堆積決定了其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu),熱噴涂涂層的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴涂層典型結(jié)構(gòu)

超聲速火焰噴涂是以熱噴涂為基礎(chǔ),利用燃燒火焰加熱、加速噴涂材料顆粒,其熱源為火焰,由一定流量的燃料與氧氣混合燃燒提供,是火焰噴涂工藝的一種。如圖2所示,噴涂顆粒在基于超聲速噴管原理?xiàng)l件下,獲得更高的運(yùn)動(dòng)速度,使得撞擊到基體表面粒子平展性更好,組織的致密性會(huì)更佳,從而提高了結(jié)合強(qiáng)度,降低了孔隙率。超聲速火焰噴涂已成為噴涂碳化物的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[3-5],最大特點(diǎn)是在不過分加熱粒子的前提下使粒子獲得較大動(dòng)能。涂層不僅具有較低的孔隙率、較高的表面質(zhì)量,同時(shí)其沉積效率方面也較高。此外,這一技術(shù)能得到較厚的涂層,能夠改善涂層中的殘余應(yīng)力[6-7],適合進(jìn)行工程開發(fā)及應(yīng)用。

圖2 火焰噴涂示意圖

3 噴涂工藝參數(shù)

噴涂工藝參數(shù)的選取對涂層的質(zhì)量好壞至關(guān)重要,各工藝參數(shù)間存在相互影響的關(guān)系?；?2Cr13不銹鋼基體表面制備CrNi/CrC涂層,使用JP-5000型超聲速火焰噴涂設(shè)備,在工件外形尺寸確定的前提下,氧氣流量、煤油流量參數(shù)對于涂層的性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。一般情況下,氧氣流量的增大會(huì)帶來噴涂焰流速度的提升,煤油流量的增大會(huì)增高焰流的熱值,同時(shí)對焰流速度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此,可通過調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)來對涂層的硬度、孔隙率等性能的改進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)[8-11]。

通過對多組樣本涂層的顯微硬度、孔隙率和沉積效率對比,結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示,反映了在不同氧氣、煤油流量參數(shù)條件下,涂層沉積效率、顯微硬度和孔隙率數(shù)據(jù)對比。

圖3 不同氧氣和煤油流量下沉積效率對比

圖3中涂層沉積效率隨著氧氣流量增大而降低,且沉積效率降低的幅度逐漸增大。涂層沉積效率隨著煤油流量增大而升高,且沉積效率升高幅度逐漸減小。當(dāng)氧氣流量、煤油流量達(dá)到一定值時(shí),涂層沉積效率區(qū)域集中且穩(wěn)定,太高的氧氣流量即焰流速度太快會(huì)在噴涂過程中不利于噴涂粉顆粒的充分熔融,未熔融的噴涂粉顆粒反彈后未能沉積形成涂層,從而降低沉積效率。

圖4 不同氧氣和煤油流量下顯微硬度對比

圖5 不同氧氣和煤油流量下孔隙率對比

圖4中涂層顯微硬度隨著氧氣流量增大而增高,顯微硬度增高的幅度逐漸減小。涂層顯微硬度隨著煤油流量增大而增高,顯微硬度增高的幅度逐漸減小。當(dāng)氧氣流量、煤油流量達(dá)到一定值時(shí),噴涂顆粒的熔融狀態(tài)及沉積時(shí)結(jié)合情況趨于穩(wěn)定。

圖5中涂層孔隙率隨著氧氣流量增大而減小,孔隙率減小的幅度逐漸變小;涂層孔隙率隨著煤油流量增大而減小,孔隙率減小的幅度逐漸變小。當(dāng)氧氣流量、煤油流量達(dá)到一定值時(shí),涂層孔隙率趨于集中且穩(wěn)定,噴涂顆粒在充分熔融狀態(tài)下才能提升堆積質(zhì)量,形成致密涂層,流速過慢會(huì)導(dǎo)致顆粒前后堆積時(shí)間過長,而流速過快并不利于噴涂顆粒熔融,導(dǎo)致孔隙率增大。

綜上分析表明,噴涂參數(shù)氧氣流量、煤油流量在一固定值附近時(shí),其各項(xiàng)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定且最佳。據(jù)此可以確定超聲速火焰噴涂方法噴涂CrNi/CrC涂層的主要參數(shù)。

4 工程實(shí)踐

對基于12Cr13不銹鋼材料的零件表面進(jìn)行超聲速火焰噴涂,可根據(jù)零件噴涂面實(shí)際狀態(tài)及噴涂工藝的需求,確定模擬件的結(jié)構(gòu)及尺寸,如圖6所示。

圖6 模擬件設(shè)計(jì)圖及噴涂結(jié)構(gòu)圖

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件定位面噴涂CrNi/CrC涂層具體的工藝路線如圖7所示。

圖7 噴涂實(shí)施工藝路線圖

以下為主要工藝過程。

(1)開工檢查:技術(shù)文件準(zhǔn)備、工藝實(shí)施條件檢查等。

(2)落料:12Cr13不銹鋼鍛棒基體經(jīng)油淬及回火熱處理后其硬度(HBW)達(dá)到220～250,使抗拉強(qiáng)度Rm不低于690 MPa,抗沖擊性能KU2不低于80 J,同時(shí)材料經(jīng)檢驗(yàn)、復(fù)驗(yàn)合格后使用。落料尺寸以模擬件粗、精加工過程余量計(jì)算得出其毛坯大小。

(3)工件機(jī)加工:工件為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),加工后噴涂面具有較高的尺寸、形位精度及表面粗糙度,以滿足對工件噴涂面尺寸控制及噴涂表面預(yù)處理要求,并制備相同性能、牌號(hào)材料的多組試樣塊,用于工藝見證試驗(yàn)。

(4)工件清潔:表面清潔處理及檢查。

(5)工件裝夾:噴涂面鄰近表面用高溫防護(hù)膠帶做預(yù)先防護(hù),加裝專用保護(hù)工裝進(jìn)行非噴涂面防護(hù)。

(6)噴涂面預(yù)處理:對表面進(jìn)行噴砂處理,去除加工面的氧化皮、毛刺等,同時(shí)更重要的是使表面粗糙化,使其產(chǎn)生一定程度的凹凸不平,以保證涂層的結(jié)合強(qiáng)度。檢驗(yàn)處理后的表面質(zhì)量情況,應(yīng)無反光、色差等現(xiàn)象,并檢查粗糙度及清潔要求。

(7)超聲速火焰噴涂:使用設(shè)備為美國Praxair公司的JP-5000型噴涂系統(tǒng)。噴涂粉末采用日本FUJIMI公司的CrNi/CrC粉末。噴涂過程主要監(jiān)測噴涂參數(shù)及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況,使用紅外測溫儀監(jiān)測工件表面溫度。噴涂實(shí)施過程如圖8所示。

圖8 涂層沉積效率變化趨勢

(8)工件拆卸:工件完成噴涂后,進(jìn)行工裝拆卸。拆卸過程中,應(yīng)加強(qiáng)對工件表面特別是噴涂面的保護(hù)。工裝拆卸完成后,表面清潔處理。

(9)機(jī)加工:根據(jù)噴涂層的相關(guān)性能參數(shù)并結(jié)合涂層結(jié)構(gòu)形態(tài),采用金剛石砂輪對噴涂面進(jìn)行磨削加工,控制尺寸,保證噴涂層的厚度要求。

(10)檢驗(yàn):主要包括尺寸檢驗(yàn)、表面檢驗(yàn)、涂層檢驗(yàn)。

(11)完工檢查:檢查各文件、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告的有效性及完整性。

5 檢驗(yàn)結(jié)果

5.1 切削驗(yàn)證

噴涂層尺寸控制及噴涂后加工性能是工程實(shí)施的關(guān)鍵,在功能方面需要滿足較高的尺寸精度和形位精度要求,涂層厚度必須大于最終要求值,才能通過再次精加工達(dá)到最終尺寸,這樣對涂層均勻性及厚度穩(wěn)定性要求較高。由于CrNi/CrC復(fù)合涂層具有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度,就加工效率而言,在切削參數(shù)確定的前提下,涂層厚度越大則加工時(shí)間越長。此外,由于存在內(nèi)應(yīng)力的釋放、刀具磨損及切削熱量等因素影響,零件的切削加工性能受到較大限制,影響制造尺寸及形位精度,而隨著涂層厚度逐步減小,涂層均勻性要求、工件加工校正難度等逐步增加,因此噴涂過程中涂層厚度控制須根據(jù)加工實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

通過對試樣的尺寸檢驗(yàn),噴涂層實(shí)測厚度分布,如圖9所示,可知涂層厚度均值可控制在0.5 mm附近區(qū)域,處于標(biāo)準(zhǔn)參考值0.4～0.8 mm并接近0.4 mm,與最終值上、下限要求進(jìn)行對比,其尺寸能夠控制在加工的經(jīng)濟(jì)尺寸區(qū)間,滿足后續(xù)加工基本要求。

圖9 試樣涂層厚度與標(biāo)準(zhǔn)值、最終值對比

5.2 表面檢驗(yàn)

噴涂后的表面被涂層均勻覆蓋,當(dāng)表面被加工時(shí),涂層內(nèi)部被加工至表層,因此涂層內(nèi)部成形質(zhì)量至關(guān)重要,任何位置的剝落、開裂都可能造成涂層整段失效,不僅對涂層顆粒的結(jié)合質(zhì)量,同時(shí)對涂層的切削加工性能也提出較高的要求。由于磨削加工屬于材料去除過程,砂輪對涂層加工的表面形態(tài)受涂層性能及加工參數(shù)的影響。磨削后的表面情況如圖10所示,經(jīng)表面檢驗(yàn),工件涂層及涂層與非噴涂表面過渡處質(zhì)量良好,無剝落、飛邊等情況,噴涂面致密且均勻。

5.3 涂層檢驗(yàn)

5.3.1 結(jié)合強(qiáng)度

用粘結(jié)劑對噴涂試樣塊涂層進(jìn)行粘接,利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸力檢測,測量試樣涂層或膠脫開時(shí)的拉伸力,即為涂層的結(jié)合強(qiáng)度。涂層的結(jié)合強(qiáng)度實(shí)測值與HB 6738—1993《熱噴涂耐磨涂層質(zhì)量檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值對比,如圖11所示。對比結(jié)果表明,試樣表面涂層的結(jié)合強(qiáng)度,均高于HB 6738—1993標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值。

圖10 磨削加工后表面狀況

圖11 試樣涂層結(jié)合強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)值下限對比

5.3.2 顯微硬度

將噴涂試樣塊橫截剖面制作試樣,經(jīng)拋磨處理后,檢測涂層的顯微硬度。測量結(jié)果及實(shí)物圖如圖12所示。CrNi/CrC涂層顯微硬度數(shù)據(jù)高于HB 6738—1993的標(biāo)準(zhǔn)值下限硬度(HV)600,全部達(dá)到硬度(HV)800以上。

5.3.3 孔隙率及顯微組織

通過將噴涂試塊沿垂直于涂層和基體界面方向切開,將試樣塊鑲嵌及拋磨,得到涂層微觀形貌及孔隙分布狀態(tài),如圖13所示。

圖13 5號(hào)試樣涂層孔隙顯微形貌

根據(jù)HB 6738—1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,涂層孔隙率小于1%,涂層致密且均勻度良好。此外,由孔洞及氧化物項(xiàng)目、無未熔顆粒檢測項(xiàng)目、涂層與界面上的污染檢測項(xiàng)目檢測結(jié)果可知,涂層均滿足要求。

6 結(jié)束語

(1)不同工藝參數(shù)下CrNi/CrC復(fù)合涂層性能存在明顯差異,通過對比試驗(yàn)篩選、工藝參數(shù)研究固化、模擬樣件試制、性能測試等工作,獲取了涂層的性能參數(shù),掌握了12Cr13不銹鋼基體表面進(jìn)行噴涂工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),試驗(yàn)結(jié)果表明涂層性能在涂層材料、基體等選定的前提下受工藝參數(shù)的影響較大,涂層質(zhì)量與工藝參數(shù)的選用直接相關(guān)。

(2)采用超聲速火焰噴涂工藝在12Cr13不銹鋼表面制備的CrNi/CrC復(fù)合涂層,通過工藝參數(shù)的優(yōu)化及驗(yàn)證,涂層性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。涂層磨削加工性能良好,經(jīng)加工后的涂層表面質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度可控、無剝落開裂等現(xiàn)象,涂層質(zhì)量優(yōu)良。