摘要：针对WC颗粒尺寸和粉末粒度范围不同的三种WC-12Co热喷涂粉末，通过调节喷涂距离和氧气流量参数，检测了其沉积率的变化，并比较了涂层的显微硬度和耐磨性；结果显示粒度范围5～30μm、WC颗粒为1μm的粉末具有较好的沉积率和耐干摩擦性能。
关键词：沉积率；HVOF；瓦楞辊
瓦楞辊是单面瓦楞机的核心零件，在运行过程中，由于瓦楞纸张中夹带SiO2颗粒，其磨损主要是磨粒磨损[1]。HVOF热喷涂的WC-Co粉末涂层具有涂层致密，耐磨性好，涂层与基体结合性好等优点，已经逐渐代替瓦楞辊原来的硬铬镀层；瓦楞辊表面主要是喷涂WC-12Co粉末 [2，3]；但是，成分相同WC-12Co热喷涂粉末，由于制备工艺不同，粉末性能有较大的差异；这些差异包括粉末的粒径分布、WC颗粒大小以及颗粒形貌等；这些差异最终影响涂层性能，包括涂层沉积率。
热喷涂在各种零件的表面强化技术中属于非常常用的一种，该技术利用高速气流使熔融态喷涂材料雾化，并喷射于零件表面，如此加工出来的特殊工作表面就是涂层。其具体的技术机理是一系列的过程，从本质上来看，涂层材料在高温环境下会以熔化、半熔化的状态存在，这些材料受到高速气流的冲击，会变得细微而分散，零件的表面由于属于经过制备的一种基体，所以可以令些微小的材料迅速沉积，形成一层致密的沉积层，这个沉积层就是所谓的涂层。
通常情况下，涂层材料的外形特征并无硬性规定，棒状、丝状、带状、粉状均可，但通常粉状材料加工的热喷涂涂层在致密度方面拥有更好的性能，所以本文所述的瓦楞辊在热喷涂时选用的是粉状涂层材料。
高速瓦楞辊辊体直径可以达到φ500mm，筒体长度达到2800mm，喷涂一对瓦楞辊用粉量可达15Kg，粉末成本较高，故粉末的沉积率对瓦楞辊热喷涂成本具有重要意义。
本文采用三种常见商用粉末，在一定的范围内变更喷涂距离和氧气流量，测试粉末的沉积率变化以及相应涂层的硬度和耐磨性，为选择合适的粉末提供依据。
1.材料选择和涂层制备
选择市场上三种不同WC-12Co粉末，均为团聚烧结工艺；粉末的性能如表1：
表1 三种WC-12Co粉末性能
编号WC粒径μm松装密度g/cm3粉末粒度范围μm粒度分布μm
D10D50D90
1#24.115～45223450
2#14.715～45213351
3#14.95～30101626
2# 和3# 粉末主要区别是粉末粒度范围不同；1# 和2# 粉末主要区别是WC颗粒的粒径不同。
喷涂设备为以航空煤油和氧气为燃料的JP8000系统和5220型4英寸喷枪；检测沉积率用称重量法测量；涂层耐磨性按照ASTM G65 E 标准进行；涂层显微硬度和表面粗糙度分别用北京时代之峰的THVS-10显微硬度仪和TR210手持式粗糙度仪测量。
2.结果和讨论
2.1 沉积率随喷涂距离和氧气流量不同的变化
三种粉末在不同实验条件下的具体喷涂参数，如表2和表3；
表2喷涂距离变化时粉末的喷涂参数
粉末编号煤油流量
GPH氧气流量SCFH送粉量
g/min
1#6180075～80
2#6180075～80
3#6200075～80
表3 氧气流量变化时粉末喷涂参数
粉末编号煤油流量GPH喷涂距离mm送粉量g/min
1#，2#，3#638075～80
粉末沉积率随喷涂距离变化如图1，可见，用细WC颗粒的2#和3# 粉末的沉积率整体上比粗WC颗粒的1#粉末高；原因应当是大颗粒的WC容易从涂层中反弹[4]，从而降低了沉积率。三种粉末沉积率随喷涂距离变化，也反映了喷涂距离对火焰中粉末温度和速度的综合影响。根据图1显示的实验结果，三种粉末在喷涂距离380mm左右，可以获得满意的喷涂沉积率。
在不同的氧气流量下粉末的沉积率如图2所示，在氧气流量为1800～2000SCFH（实际生产常用参数区间）时，WC颗粒为1μm的2#和3# 粉末的沉积效率明显比1#粉末高；随着氧气流量的增加，超音速火焰温度下降，导致所有粉末的沉积率都存在下降趋势，特别是WC颗粒为1μm的2#和3# 粉末，沉积率下降更为明显。原因应该是采用细WC的喷涂粉颗粒内部结构致密，加热状态受火焰温度变化影响更加显著。由沉积率随氧气流量的变化还可见，随着氧气流量的增加火焰温度变冷，三种粉末之间的沉积率差别逐渐减少。
喷涂距离变化和氧气流量的变化也反映了实际生产中喷涂参数波动对粉末沉积率的影响，最终影响到涂层厚度。
图1 不同喷涂距离下的沉积率 图2 不同氧气流量下的沉积率
2.2涂层硬度和耐磨性
图3 不同氧气流量下时涂层显微硬度和耐磨性
根据涂层沉积率随喷涂距离变化规律，选择在380mm喷涂距离上，检测了不同氧气流量下涂层性能。
由图3可见，当氧气流量在1800～2200SCFH范围内，粉末3#硬度明显高些；同时，在干摩擦状态下，细颗粒WC、细粉末粒度的3# 粉末具有较好的耐磨性能。
2.3涂层的表面粗糙度
用手持式粗糙度仪检测试样的表面粗糙度；1#粉末试样在Ra4.2～4.7μm范围，而3#粉末试样的表面粗糙度在Ra2.8～3.3μm；2#粉末涂层的粗糙度为3.7～4.2μm；较低的表面粗糙度对表面呈愣状的瓦楞辊抛光有利。
我公司从去年开始采用3#粉末，瓦楞辊每平米平均用粉量约为0.28Kg/0.01mm，略好于原来的1#粉末；最先喷涂的浙江某公司的瓦辊寿命已超过2500万米，涂层仍然完整；瓦楞辊仍使用正常。
3.新型WC-12Co粉末
近来，有一种新型的WC-12Co粉末制备成功并获得了比常见的三种WC-12Co粉末更好的应用能效。这种WC-12Co粉末同样采用团聚烧结法制备，但其中含有纳米粒子，在保持常规粒度分布的前提下具备更优益的流动性与球形度，不仅喷涂参数更宽，而且在极限参数下也能获得相当优秀的涂层性能。目前该材料已经进行了一定的实际应用测试，使用JP8000型的煤油喷枪在瓦楞辊上喷涂这种新型WC-12Co粉末可知，这种粉末在喷涂时所发生的WC氧化分解反应非常稀少而轻微，因此原始粉末中的WC硬质相基本都能在涂层中沉积，令涂层性能得到保证。实践证明，这种材料在喷涂后获得的WC-12Co涂层不仅致密度好、硬度高、耐磨性优秀，而且气孔率非常低，通常不超过0.5%，值得进一步进行推广和应用。
4.结论
4.1 1μm WC颗粒的WC-12Co粉末相对2μmWC颗粒的粉末具有较好的沉积效率。
4.2 5～30μm的细WC颗粒粉末的WC-12Co具有较好的耐干耐磨性。
参考文献：
[1]罗虹，朱宝亮，刘家浚.高速瓦楞辊的磨损失效[J].摩擦学学报，1993，13（4）：337-342
[2]吴小锋.瓦楞辊的表面处理结构[P].中国发明专利：200920208884.4.
[3]邓帮华，王群，张永会等.用于瓦楞辊防护的WC-12Co涂层组织和性能研究[J].热喷涂技术，2011，3（3）：54-59
[4]李长久，大森明，原田良夫.碳化钨颗粒尺寸对超音速火焰喷涂WC-Co涂层形成的影响[J].表面工程，1997（2）：22-27.